/ 空間高能粒子的輻射危害

太空輻射對(duì)宇航員的健康危害是人類(lèi)執(zhí)行長(zhǎng)期深空任務(wù)最重要的風(fēng)險(xiǎn)之一。尤其是未來(lái)的火星任務(wù)，使用當(dāng)前的火箭推進(jìn)技術(shù)，往返火星需要大約 3 年的時(shí)間。在這一里程中，宇航員將會(huì)暴露于高能的空間粒子輻射，造成對(duì)身體不同器官和功能的危害，甚至引發(fā)白血病、白內(nèi)障、癌癥等問(wèn)題。

輻射的危害

/ 空間高能粒子的種類(lèi)

在地球的輻射帶之外，對(duì)深空宇航員造成危害影響的輻射源主要包括：太陽(yáng)高能粒子 ( solar energetic particles, SEP ) 和銀河宇宙射線粒子 ( galactic cosmic ray, GCR ) ，如下圖所示。

深空中兩種主要的高能粒子輻射

GCR（銀河宇宙射線粒子）主要是帶電粒子，富含大量的質(zhì)子和少部分的電子和重離子。后者包含氦、碳、氧、鎂、硅、鐵等離子。由于 GCR 是從太陽(yáng)系外的宇宙深空傳來(lái)，它們?cè)趶奶?yáng)系邊緣向內(nèi)傳播的途中，受太陽(yáng)系磁場(chǎng)的屏蔽作用而產(chǎn)生能變且流量減弱；其密度和輻射強(qiáng)度通常隨著 11 年太陽(yáng)周期的變化而反向變化。所以GCR 粒子是長(zhǎng)期存在的、能量極高（TeV 以上）且穿透力很強(qiáng)的背景輻射，物理措施無(wú)法有效屏蔽 GCR 引發(fā)的輻射。

SEP（太陽(yáng)高能粒子）則為突發(fā)的太陽(yáng)爆發(fā)中加速的粒子，可持續(xù)幾個(gè)小時(shí)到幾天、其能量區(qū)間相對(duì) GCR 粒子要小，但是其流量可比背景 GCR 流量高出幾萬(wàn)倍甚至更多。如果不能及時(shí)的預(yù)測(cè)和防護(hù)屏蔽，由其引發(fā)的輻射危害會(huì)引發(fā)儀器和電子設(shè)備的損耗，也會(huì)對(duì)宇航員造成輻射中毒的危害，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)宇航任務(wù)的失敗。

行星際空間的 SEP 和 GCR 初始粒子在穿過(guò)深空中的飛船衛(wèi)星或者行星大氣時(shí)，會(huì)和物質(zhì)產(chǎn)生電離作用和核反應(yīng)，通過(guò)電離輻射、核裂變、核衰變以及撞擊核破碎等過(guò)程而產(chǎn)生不同能量和種類(lèi)的次級(jí)粒子，從而引發(fā)輻射環(huán)境的變化。

高能粒子受火星大氣、土壤作用而產(chǎn)生次級(jí)粒子

如圖所示，這些次級(jí)粒子包括不同種類(lèi)和能量的帶電的和中性的粒子；其中中子不受電磁場(chǎng)影響，其和生物作用時(shí)引發(fā)的輻射效果尤為顯著。因而為了有效的減少載人深空探火任務(wù)的輻射風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于深空飛船內(nèi)部和火星表面輻射的準(zhǔn)確標(biāo)定至關(guān)重要。

/ 火星輻射的探測(cè)和模擬

為了為未來(lái)的載人探火做準(zhǔn)備，作為火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室 ( Mars Science Laboratory, MSL ) 任務(wù)的一部分，高能粒子和輻射探測(cè)器 ( Radiation Assessment Detector, RAD ) 旨在檢測(cè)和分析火星表面上的最具生物輻射危害的高能粒子流量和輻射劑量。

自 MSL 于 2011 年 11 月離開(kāi)地球到達(dá)火星的 253 天內(nèi)，RAD 首次測(cè)量了航天器在此旅途中的深空飛船內(nèi)部的 GCR 輻射場(chǎng)，并涵蓋了 5 個(gè) SEP 事件在飛船內(nèi)部引發(fā)的輻射；自 2012 年 8 月 MSL 著陸火星后的 9 年多時(shí)間里，RAD 開(kāi)展了火星表面輻射的首次探測(cè)，持續(xù)測(cè)量了宇宙射線在火星表面引起的高能粒子輻射，包括長(zhǎng)期的 GCR 背景輻射和 5 個(gè) SEP 事件。

加載著 RAD 的好奇號(hào)火星車(chē)的 " 自拍 "

一系列的工作研究了從 MSL 的發(fā)射至今——貫穿了太陽(yáng)活動(dòng) 24 周的峰值前到 25 周的開(kāi)始，RAD 測(cè)量的銀河宇宙射線輻射和觀測(cè)到的數(shù)個(gè)太陽(yáng)高能粒子事件的特征和演化。總體來(lái)看，隨著太陽(yáng)活動(dòng)和日球?qū)哟艌?chǎng)減弱，火星表面 的 GCR 輻射增加了約 50%。具體來(lái)說(shuō)，在不同的時(shí)間尺度上，RAD 探測(cè)到了背景輻射場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。我們觀測(cè)到由不同原因引起的輻射場(chǎng)的變化：

1. 太陽(yáng)活動(dòng)影響，包含大尺度的長(zhǎng)周期的太陽(yáng)活動(dòng)對(duì) GCR 的調(diào)制和突發(fā)太陽(yáng)爆發(fā)造成的短期屏蔽（Forbush decrease）。

2. 火星大氣變化，包括火星日夜潮汐演化和火星季節(jié)性 CO2 循環(huán)造成的大氣厚度的變化引發(fā)的輻射變化。

3.MSL 火星車(chē)路徑上的地形變化導(dǎo)致的表面結(jié)構(gòu)對(duì)輻射的屏蔽。

4. 偶爾發(fā)生的太陽(yáng)粒子事件可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯著的增強(qiáng)輻射。

5. 結(jié)合 9 年多的 RAD 測(cè)量和太陽(yáng)活動(dòng)變化的標(biāo)定，同時(shí)利用火星車(chē)局地的大氣壓強(qiáng)和表面地形視場(chǎng)的觀測(cè)等，我們對(duì)以上幾種輻射變化的大小和規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的分析和量化，并總結(jié)出基于太陽(yáng)黑子數(shù)和太陽(yáng)活動(dòng)做輻射預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)公式，如下圖所示。

太陽(yáng)調(diào)制參數(shù)（Phi） 和火星表面的輻射劑量的相關(guān)性分析。（來(lái)自 Guo et al. 2021， 圖 13 )

我們進(jìn)一步估計(jì)了在不同條件下往返火星的累積輻射。對(duì)于經(jīng)典的地火轉(zhuǎn)移軌道，如果不考慮太陽(yáng)高能粒子的輻射貢獻(xiàn)，這一累積劑量在太陽(yáng)活動(dòng)極大年約為 0.7±0.2 Sv; 在太陽(yáng)活動(dòng)極小年期間為 1.6±0.2 Sv。也即，受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，探火面臨的 GCR 輻射的變化達(dá)到一倍以上，而在往返途中的輻射量比火星表面的要大一些。未來(lái)，如果有更先進(jìn)的核推進(jìn)器，我們預(yù)估總 GCR 劑量可以分別在太陽(yáng)活動(dòng)極大期和極小期期間減少到約 0.2 Sv 和 0.5 Sv 左右。

然而，Sv 這個(gè)輻射劑量單位到底是什么概念呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)頭部的 CT 掃描的等效輻射劑量大概是 0.002 Sv；普通人平均一年攝入的輻射劑量為 0.005 Sv 左右 ；宇航員在空間站 6 個(gè)月大概是 0.08 Sv 左右；一些國(guó)際宇航機(jī)構(gòu)規(guī)定的宇航員的職業(yè)劑量上限為 1 Sv。參考這些標(biāo)準(zhǔn)，去一趟火星所攝入的輻射劑量對(duì)宇航員的健康來(lái)說(shuō)確實(shí)是個(gè)不容忽視的風(fēng)險(xiǎn)。

往返火星的總輻射劑量（GCR 部分）

此外，我們還探討了可能進(jìn)一步降低深空飛船中和火星表面的輻射的方案，尤其是針對(duì)突發(fā) SEP 輻射的預(yù)報(bào)和屏蔽的措施。例如，在火星表面、土壤、巖石、洞穴等局地的結(jié)構(gòu)可以用來(lái)作為屏蔽。我們已經(jīng)模擬得到了一些輻射屏蔽的最佳深度需求。

最后我們討論了評(píng)估空間輻射的生物效應(yīng)的瓶頸問(wèn)題：從動(dòng)態(tài)演化的太陽(yáng)系空間環(huán)境，到高能粒子的產(chǎn)生、加速、傳播以及和行星環(huán)境的作用，進(jìn)一步到局域環(huán)境中的高能粒子和人體的宏觀結(jié)構(gòu)以及微觀組織的作用，從這些物理作用過(guò)程中我們需要提煉并定量空間輻射對(duì)人體的生物效應(yīng)。這個(gè)研究鏈條中存在著很多跨尺度、跨學(xué)科、多維度、不確定的參數(shù)，限制了這個(gè)研究領(lǐng)域的進(jìn)一步突破；我們只能對(duì)空間輻射的風(fēng)險(xiǎn)和危害做最壞的估計(jì)和最保守的防御。

/ 問(wèn)答環(huán)節(jié)

( 1 ) 將火衛(wèi)一表面的粒子電離加速形成環(huán)繞火星的等離子體環(huán)，可能性大嗎？

火星沒(méi)有像地球一樣的內(nèi)稟磁場(chǎng)，及時(shí)可能形成這樣的帶電粒子環(huán)，在太陽(yáng)風(fēng)的吹拂中，它們很容易就逃逸掉了。

( 2 ) 為什么太陽(yáng)的磁力線是彎曲的？

太陽(yáng)以幾百公里每秒的速度吹出太陽(yáng)風(fēng)，同時(shí)太陽(yáng)在自傳，這樣使得從太陽(yáng)表面同一個(gè)位置先后出來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)有一定的夾角；加上太陽(yáng)風(fēng)等離子體中的所謂磁凍結(jié)效應(yīng)，等離子和磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)凍結(jié)在一起，太陽(yáng)風(fēng)便在空間形成了彎曲的磁力線，數(shù)學(xué)的解滿足阿基米德螺旋線。

( 3 ) 學(xué)些空間物理需要什么條件？

空間物理其實(shí)一個(gè)很交叉的學(xué)科；尤其是行星科學(xué)，包含天文、地質(zhì)、大氣、工程、化學(xué)等多學(xué)科交叉的課題。我覺(jué)得學(xué)習(xí)空間物理最重要的是興趣和熱情，能夠聽(tīng)完報(bào)告的各位應(yīng)該都沒(méi)有問(wèn)題。