La radioactivité est présente partout sur la planète. Elle forme un bruit de fond radiologique ambiant constitué principalement de radionucléides naturellement présents dans les sols ou dans les matériaux qui nous entourent et de rayonnements d'origine cosmique, mais également produits artificiellement dans différents domaines (industriel, médical, militaire ...). A ce fond présent en permanence s'ajoutent des accidents radiologiques (Tchernobyl, Fukushima...).
Nous sommes donc exposés en permanence à des rayonnements ionisants d’origines naturelles et artificielles.
Les rayonnements d’origine tellurique
L'écorce terrestre contient des atomes radioactifs qui sont la source d'une radioactivité naturelle (thorium-232, uranium-235, uranium-238 et leurs descendants). Dotés de très longues durées de vie, pouvant atteindre plusieurs milliards d'années, ils sont encore loin d'avoir disparu et font donc partie intégrante de notre environnement.
Selon la nature des roches composant le sous-sol, nous sommes donc plus ou moins exposés aux rayonnements telluriques. Dans certaines régions granitiques, par exemple en France le Limousin ou la Bretagne, le rayonnement tellurique peut être 4 fois plus important qu’en région parisienne. Certaines plages de sable noir du Kerala en Inde, riches en monazite (contenant du thorium), peuvent atteindre des niveaux de rayonnements 10 à 100 fois plus élevés. Dans ces régions, l’exposition aux rayonnements peut également être plus élevée à l’intérieur d’un bâtiment du fait de la présence de radon, gaz radioactif issu de la désintégration des radioéléments présents dans les sols ou les matériaux de construction.
Le rayonnement cosmique
Le rayonnement cosmique est de nature très différente du rayonnement tellurique. Il est constitué principalement de noyaux d’hydrogène (protons) et de noyaux légers (He par exemple) de très haute énergie. Ce rayonnement a deux composantes, l’une est d’origine galactique ou extragalactique et provient de la désintégration d’étoiles et l’autre vient du soleil qui a une activité continue, avec un cycle d’environ 11 ans, à laquelle viennent s’ajouter des éruptions sporadiques. Les particules accélérées lors de certaines éruptions sont si énergétiques qu'elles produisent des effets au niveau du sol.
La vie sur terre est protégée par des barrières qui filtrent une partie de ces particules : le champ magnétique interplanétaire émis par le soleil dont l’intensité varie au cours de son cycle ainsi que le champ magnétique et l’atmosphère terrestres. L’interaction du rayonnement cosmique avec les constituants de l’atmosphère produit une « pluie » continue de particules secondaires (neutrons, muons, électrons...) qui sont en grande partie absorbées avant d'arriver au niveau du sol.
De ce fait, l’intensité du rayonnement cosmique varie très fortement en fonction de l’altitude. Au niveau du sol, la dose reçue est environ 100 fois plus faible qu’aux altitudes de vol des avions long-courriers.
A noter que des radionucléides, dits cosmogéniques, sont également produits en permanence par l’interaction, dans la haute atmosphère, du rayonnement cosmique avec les atomes constituant notre atmosphère. Le plus connu est le carbone-14.
Si le rayonnement cosmique est fortement atténué par notre atmosphère, il peut néanmoins être détecté au niveau du sol où la contribution à l’exposition des populations est faible. Aux altitudes de vol des avions de ligne, les débits de dose peuvent être jusqu’à 100 fois supérieurs à ce que l’on observe au niveau du sol et parfois plus sur de courtes durées en cas d’éruption solaire importante. Plusieurs paramètres influent sur l’intensité du rayonnement cosmique :
- L’atmosphère qui joue le rôle d’atténuateur, expliquant que l’exposition est plus importante à haute altitude (jusqu’à environ 25 km) car l’épaisseur d’air traversée par les particules est moindre,
- La magnétosphère qui confère une protection plus importante à l’équateur qu’aux pôles. Les niveaux d’exposition en vol dépendent en conséquence de la latitude. Les routes transpolaires sont plus exposées que les routes transéquatoriales,
- Les variations cycliques du champ magnétique solaire (cycle solaire de 11 ans en moyenne).
Influence de l’altitude
Arrivant dans les hautes couches de l’atmosphère terrestre, les ions (principalement des protons) interagissent avec les atomes de l’atmosphère. De ces collisions naissent des gerbes de particules dont certaines, très instables (pions et kaons), se désintègrent pour générer d’autres particules (muons, photons, électrons, neutrons...) détectables au niveau du sol. Cet ensemble de particules secondaires est appelé rayonnement secondaire. La proportion de chaque type de particules varie en fonction de l’altitude. Au niveau du sol, l’exposition au rayonnement cosmique est principalement due aux muons et dans une moindre mesure aux neutrons alors qu’aux altitudes de vol, c’est l’exposition due aux neutrons qui domine.
Influence de la latitude
La Terre peut être considérée comme un gros aimant qui produit un champ magnétique dont les lignes de force “entrent” par le pôle magnétique Nord pour “sortir” au pôle magnétique Sud : c’est ce qu’on appelle la magnétosphère.
Si les particules cosmiques possèdent une énergie supérieure à un certain seuil, appelé énergie de coupure magnétique, elles peuvent traverser la magnétosphère et alors pénétrer dans les hautes couches de l’atmosphère. Dans le cas contraire elles sont réfléchies dans l'espace. A haute latitude, dans les cornets polaires, les particules, y compris celles de moindre énergie, peuvent suivre les lignes de force du champ magnétique et atteindre plus facilement l'atmosphère. C’est pourquoi les zones situées près des pôles sont exposées à un flux de particules plus important qu’au niveau de l’Équateur, mieux protégé par le champ magnétique terrestre.
Influence de l’activité du soleil
Le rayonnement cosmique galactique arrivant dans notre système planétaire est dévié par le champ magnétique créé par le soleil, également appelé champ magnétique interplanétaire. En effet, le Soleil laisse échapper en permanence un flux de particules qui remplit tout le milieu interplanétaire, que l’on appelle le vent solaire. Il induit un champ magnétique dont l’intensité varie avec l'activité solaire. Ainsi, le rayonnement cosmique galactique atteignant la Terre est moindre lorsque l'activité solaire est forte. Comme on sait que l'activité solaire suit un cycle moyen de onze ans, il est possible de prévoir sur plusieurs années l'exposition au rayonnement galactique.
Les évènements rares
La principale contribution du soleil à l’exposition des personnes à bord des avions résulte d'éruptions qui sont difficilement prévisibles. Une éruption solaire génère des particules, essentiellement des protons, en grande quantité et dure quelques heures. Cependant, seules les éruptions générant un flux de particules suffisamment énergétiques sont détectables au sol ou à bord d’un avion ; de telles éruptions restent exceptionnelles : on en dénombre, en moyenne, une par an.
Ces éruptions sont fréquentes quand le champ magnétique du Soleil est particulièrement perturbé, ce qui se traduit par l’apparition de nombreuses taches à sa surface. Les groupes de taches les plus complexes donnent lieu à de grandes éruptions solaires.
Les rayonnements d’origine artificielle
L’exposition aux rayonnements ionisants dans notre environnement est en partie d’origine artificielle : domaine médical, conséquences d’accidents nucléaires…