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CARI-7 è un software di calcolo che serve per valutare la dose di radiazione - da raggi cosmici galattici - assorbita nei voli aerei. La dose assorbita da un adulto può essere calcolata su qualsiasi rotta di volo, in qualsiasi località e per qualsiasi data a partire da gennaio 1958. Esso può fornire anche la dose per qualsiasi posizione specifica fino a 100 km di altezza.

Il programma tiene conto anche degli effetti dell'attività solare e del campo geomagnetico in rapporto alla data selezionata dall'utente. Le irradiazioni da parte di eventi solari in corso non sono tenute in considerazione, mentre tiene conto degli effetti Forbush (diminuzione dei raggi cosmici galattici a causa di un aumento dell'attività solare). In base agli aggiornamenti inseribili può tenere in considerazione anche eventi solari simultanei e variazioni dei valori geomagnetici.

Le dosi sono calcolate tramite un database (MCNPX 2.7.0.), mentre l'intensità degli sciami di raggi cosmici si basano su modelli di spettro preinstallati o anche inseribili manualmente.

Esistono due versioni del software, CARI7 e CARI7A. Mentre la prima è per un utilizzo generico e semplificato, la seconda è destinata per uso accademico, le abbiamo provate entrambe, almeno per le funzioni basilari, per le funzioni avanzate è indispensabile approfondirne la conoscenza tramite il file di aiuto in dotazione e fare un po' di pratica.

Il software è fornito dall'Agenzia per l'aviazione Federale americana (FAA) ed è scaricabile dal seguente link:

Per l'utilizzo non servono particolari accorgimenti o requisiti hardware-software, infatti a differenza delle versioni precedenti (CARI6) funziona in ambiente windows, e anche se funziona sempre tramite comandi da "dos-shell", non necessità più dell'ambiente dos nativo e nemmeno necessita di installazione. Dopo aver scompattato il file zip sarà sufficiente eseguire il file eseguibile CARI-7A.exe; il collegamento online durante il suo funzionamento non è indispensabile.

Le migliorie rispetto alle precedenti versioni sono notevoli, sia dal punto di vista dei modelli di calcolo sia per le possibilità di scelta dei vari parametri, come la scelta di radiazione provocate da specifiche particelle.

 

Avvio di CARI7-7A

All'avvio, in qualche secondo il programma crea il suo ambiente:

Di seguito comparirà il menu principale:

Digitando 1 seguito dal tasto invio comparirà il file di aiuto in formato txt, con le istruzioni per l'utilizzo, nel nostro caso si apre con l'editor di Windows Wordpad.

1° Esempio CARI7A - calcolo della dose assorbita in un volo aereo (con il file di esempio incorporato)

Dal menu principale selezioniamo la voce 2 (radiazione ricevuta in volo)

Compaiono due possibilità: inserire un volo preimpostato tramite file (come vedremo più avanti), oppure tramite inserimento di coordinate geografiche.

Selezioniamo 1 (tramite file di aeroporti preimpostati)

Ora bisogna scegliere il volo che interessa, ne esiste solo uno, quello di esempio preimpostato (EXAMPLE.BIG relativo al volo New York-Seattle), quindi selezioniamo 1.

La prossima schermata richiede a quale tipo di radiazione siamo interessati (0-37 possibilità):

Scegliamo 0 (tutto) perchè ci interessa la radioattività totale

In seguito ci chiede quale modello di spettro utilizzare (1-7) e quale modello di calcolo della dose assorbita (1-5):

 

scegliamo rispettivamente 3 (default) e 5, quella totale per tutto il corpo.

 

Da notare che questa scelta determina il tipo di dose in output assorbita/efficace.

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SELECT DOSE TYPE

1. Secondary Particle Fluence (Fluenza di particelle secondarie)

• Cos'è: È il numero di particelle secondarie (neutroni, protoni, elettroni, fotoni, muoni, ecc.) che attraversano una sfera di sezione trasversale unitaria (1 cm²) a una determinata quota.

• A cosa serve: Quando i raggi cosmici primari (principalmente protoni provenienti dallo spazio profondo) colpiscono l'alta atmosfera, "urtano" le molecole d'aria e creano una cascata di particelle secondarie. CARI-7A calcola questo spettro di particelle come base fisica prima di convertirlo in dose.

2. ICRPUB 103 EFFECTIVE DOSE (Dose Efficace secondo la Pubblicazione ICRP 103)

• Cos'è: È la dose efficace calcolata usando i criteri e i fattori di ponderazione definiti dalla Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica (ICRP) nella Pubblicazione 103 (del 2007, lo standard radioprotezionistico moderno).

• Unità di misura: Sievert (Sv) (o più comunemente μSv).

• Perché è importante: È il valore di riferimento standard oggi raccomandato a livello internazionale (e recepito dalle normative europee e italiane) per stimare il rischio sanitario complessivo di un lavoratore esposto a radiazioni (inclusi gli equipaggi di volo).

3. ICRPUB 60 EFFECTIVE DOSE (Dose Efficace secondo la Pubblicazione ICRP 60)

• Cos'è: È la dose efficace calcolata basandosi sui precedenti criteri della Pubblicazione ICRP 60 (del 1990).

• Unità di misura: Sievert (Sv).

• Perché lo trovi: Molti software e normative storiche nel settore aeronautico sono stati basati per anni sulla ICRP 60. Spesso i programmi mantengono questa opzione per consentire la retrocompatibilità e il confronto con i dati storici o con le vecchie versioni del programma (come CARI-6).

4. ICRU... (Quantità operative ICRU, es. Ambient Dose Equivalent H^*(10))

• Cos'è: L'ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements) definisce le cosiddette quantità operative che servono per la misurazione pratica con gli strumenti (come i dosimetri portatili o i rivelatori a bordo degli aerei).

• Spesso in CARI-7A questa voce si riferisce all'Equivalent Dose Ambientale H*(10) (misurata in μSv), che rappresenta la dose che si misurerebbe in un punto specifico tramite una sfera di tessuto standard del diametro di 30 cm a una profondità di 10 mm. Serve a confrontare i calcoli del computer con ciò che rilevano gli strumenti fisici reali.

5. WHOLE BODY ABSORBED DOSE (Dose assorbita da tutto il corpo)

• Cos'è: È la dose assorbita fisica pura, calcolata mediando l'energia depositata da tutte le radiazioni su l'intero organismo.

• Unità di misura: Gray (Gy) (o μGy).

• Rappresenta l'energia fisica grezza (Joule su kg) assorbita dai tessuti corporei, senza applicare i fattori di correzione biologica (i pesi di pericolosità delle particelle come i neutroni).

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Ora ci chiede se vogliamo approssimare secondo suoi parametri, che ignoriamo:

lasciamo il valore di default, ovvero digitiamo N:

A questo punto bisogna inserire la data del volo, il file che abbiamo caricato (EXAMPLE.BIG) contiene già una data di riferimento, tuttavia con quella abbiamo ottenuto un errore, quindi deduciamo che sia meglio inserire una data manualmente:

quindi digitiamo di nuovo N e inseriamo la data es:2014/00/00 (mettendo 00/00 calcolerà la media di un anno)

Il software inizierà i calcoli visualizzando una sequenza di dati:

Al termine, apparentemente non compare nessun risultato e torna al menu principale, in realtà risalendo la schermata con il cursore, si troverà la voce FINISHED(NOMEVOLO) con i dati del risultato.

Però per visualizzare meglio i dati ricavati, dal menu principale selezionare la voce 6 e poi la voce 3 (Review a city pair), a quel punto comparirà l'elenco dei risultati disponibili, in questo caso solamente <EXAMPLE.OUT>:

Selezioniamo 1 e comparirà un file di testo con i dati:

Il risultato ci dice che un volo da New York a Seattle ci fa assorbire 6.4368 micro Gy (dose assorbita fisica).

 

Inserire un nuovo volo (CARI7-CARI7A)

Dal menu a disposizione non abbiamo trovato un metodo per inserire un nuovo volo, quindi evidentemente va inserito in altro modo, ad esempio col metodo seguente:

Si crea una copia del file di esempio (EXAMPLE.BIG), si modifica e si salva con un nome a propria scelta.

Esempio di volo Milano-Tromso (andiamo a vedere le aurore polari)

Posizionarsi nella cartella principale del software e fare una copia del file example.big, rinominandolo come.txt ed editarlo con il notepad:

Ora prima di modificarlo bisogna cercare i codici degli aeroporti, dal menu principale selezionare la voce 3 e poi la voce 1, comparirà un file di testo contenenti tutti gli aeroporti esistenti nel database di CARI.

Nel file di testo cercare con lo strumento "trova" l'aeroporto che interessa ad esempio Malpensa (Milano):

si noterà che il codice ICAO per Malpensa è LIMC, facendo lo stesso per Tromso si troverà il codice ENT.

Avendo questi dati bisogna ora sostituirli al file di testo di esempio seguendo le regole riportate nel file di aiuto:

New York-Seattle Flight (IDentificativo da 1 a 20 caratteri)
07/1995 (data del volo: MM/YYYY)
KJFK ICAO (codice aeroporto di partenza)
KSEA ICAO (codice aeroporto di destinazione)
2 (numero di rotte di quote diverse)
29 (tempo in minuti per raggiungere la prima quota di volo)
35000 99 (prima quota di volo in piedi e durata in minuti separate da uno spazio tabulatore)
39000 147 (seconda quota di volo in piedi e durata in minuti separate da uno spazio tabulatore)
17 (tempo di discesa in minuti per raggiungere l'aeroporto)

Quindi il file di partenza in questo caso diventerà:

MALPENSA-TROMSO
02/2017
LIMC
ENTC
2
30
34000 90
38000 180
20

C'è da dire che a parte la durata totale del volo, probabilmente solo i piloti sapranno con sicurezza gli altri dati di volo come l'altitudine e i tempi di salita e discesa, tuttavia esistono dalle piattaforme di tracciamento come FlightAware. Per il nostro test abbiamo improvvisato alcuni plausibili valori.

A questo punto salviamo il file e lo rinominiamo a piacere con estensione .big

2° Esempio con file di volo creato (CARI7A)

Ora ripetiamo l'operazione di prima con il file appena creato, ovvero dal menu principale digitiamo 2 (radiazione in volo), poi 1 (tramite rotta, file.big), a questo punto vedremo due file, quello di esempio e il nostro appena creato:

Selezioniamo quindi 2, poi 0 (dose totale), 3 (modello default), 5 (tutto il corpo), N, ancora N (data da impostare) e inseriamo ad esempio 2016/10/00 (media nel mese di ottobre 2016)

Dopo aver effettuato i calcoli si possono vedere i risultati già dalla dos-shell:

Per comodità richiamiamo comunque i dati ottenuti selezionando dal menu principale:
6 (vedi risultati), 3 (city out), 2 (Troms0).

SI visualizzerà il relativo file di testo:

 

In questo caso la radiazione assorbita è pari a circa 19 micro Gy (μGy).

3° Esempio calcolo annuo della radiazione (dose) in un punto specifico:

Un altro utilizzo molto utile di CARI è la valutazione di dose assorbita in uno specifico punto geografico del pianeta a qualsiasi altitudine.

Calcoliamo ad esempio la dose assorbita in un anno, dovuta ai raggi cosmici in un punto qualsiasi della città di Padova:

Tramite Google map peschiamo un punto a caso, le coordinate sono: 45° 23' 28'' Nord, 11° 56' 28'' Est (vanno bene anche i gradi decimali).

Dal menu principale selezioniamo 4 (a questo punto siete esperti ed evitiamo le immagini delle schermate)
Scegliamo quindi 1 (calcolo in un punto specifico)
Inserire l'anno (esempio 2016)
Inserire il mese, ci interessa la media in un anno quindi inseriamo 0
Seguiamo passo passo quello che chiede il programma quindi latitudine Nord: N
Gradi: 45 (oppure tutto il dato in gradi decimali)
Minuti:23
Secondi:28
Proseguiamo allo stesso modo per la latitudine inserendo E (est) 11, 56, 28
Altitudine in piedi (feet )o g/cm² (pressione) per comodità inseriamo 10 piedi che il software convertirà in g/cm²
quindi F e poi 10
Scegliamo sempre la dose totale quindi 0
Questa volta come modello selezioniamo 4 ICRU dose equivalente

(fin qui la procedura è identica anche per CARI7, con la differenza che in CARI7 l'altitudine si può esprimere anche in km.
I parametri seguenti invece sono disponibili solo in CARI7A)

Come modello per gli sciami di raggi cosmici inseriamo 3 (default)
poi N (approx default)

Attendiamo il risultato e questa volta otteniamo i valori solamente nella finestra "dos":

La dose assorbita viene espressa come 6.363 e^-2 (+-2.724e^-6) micro Sv per ora, siccome ci interessava sapere quella in un anno, moltiplichiamo per 8766 ore = 557.780 μsV (all'anno). Per confronto, il limite consigliato di dose assorbita "artificiale" da non superare in un anno è di 1mSv.

4° Esempio con riferimento reale

Un esempio di utilizzo può essere il calcolo della radiazione attesa a una determinata quota, di seguito invece vediamo un confronto tra una misura reale e i dati di CARI7A.

Nella spedizione VHANESSA in mongolfiera del 2012, con un dosimetro avevamo misurato 0.602 μsV/h a circa 6000 metri di quota, verifichiamo con CARI7 e come dati impostiamo:

Le coordinate della posizione conosciuta durante il volo: N45.94542, E9.04264
La data (11.01.2012)
Il software ci chiede anche l'ora ma inseriamo 0 per ottenere la media del giorno
L'altitudine in piedi: 18000

Dopo aver utilizzato i parametri "standard" visti sopra nei precedenti esempi, il risultato è il seguente:

 

Circa 0.57 μGy/h (μsV/h) di dose assorbita. Allo stesso modo possiamo verificare la dose efficace digitando l'opzione 2 (ICR PUB 103...), anzichè la 5. Otteniamo così una nuova schermata:

Il valore ricvato è di 0.75 μsV/h di media, contro i 0.602 μsV/h misurati, da notare che un precedente calcolo con CARI6 ci aveva restituito il valore più alto di 0.8 μsV/h.

CARI7 vs CARI7A

Come riportato nella descrizione del sito ufficiale, CARI-7A differisce da CARI-7 in quanto finalizzato ad utilizzo accademico/ricercatore e quindi ha molte più opzioni a disposizione, come tre impostazioni di trasporto in atmosfera (superposition approximation, non-vertical cutoffs, beam-like particle transport approximation), una scelta multipla riguardo ai GCR e agli SPE (eventi da particelle solari) e l'opzione di input per uno spettro dei raggi cosmici personalizzato.

CARI7 risulta molto più veloce nei calcoli, probabilmente perchè utilizza un modello di calcolo semplificato, CARI7A utilizza più risorse di sistema e la complessità dei calcoli in alcuni casi ha riportato risultati nulli, dove al posto dei valori ci ha restituito dei noiosi "NaN" (Not a Number).

Differenze nei risultati

Le stesse analisi per i voli e per il calcolo su Padova restituiscono questi risultati:

	Padova	Volo New York-Seattle	Volo Milano-Tromso
CARI7	6.27e-2 μsV/h	5.9 μGy	14.975 μGy
CARI7A	6.36e-2 μsV/h	6.44 μGy	19.159 μGy

Dalla tabella qui sopra si può notare che CARI7 differisce di qualche punto, in difetto, rispetto alla versione 7A ma per via della maggior velocità di calcolo, per utilizzo personale la versione CARI7 è sicuramente la più consigliabile.

Lasciamo agi utenti interessati la sperimentazione delle altre funzioni del software e delle opzioni avanzate, tenendo presente anche il documento pdf allegato nella versione di CARI7A.

 

 

 

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