登陆火星？宇宙辐射危害早知道

/ 空间高能粒子的辐射危害

太空辐射对宇航员的健康危害是人类执行长期深空任务最重要的风险之一。尤其是未来的火星任务，使用当前的火箭推进技术，往返火星需要大约 3 年的时间。在这一里程中，宇航员将会暴露于高能的空间粒子辐射，造成对身体不同器官和功能的危害，甚至引发白血病、白内障、癌症等问题。

辐射的危害

/ 空间高能粒子的种类

在地球的辐射带之外，对深空宇航员造成危害影响的辐射源主要包括：太阳高能粒子 ( solar energetic particles, SEP ) 和银河宇宙射线粒子 ( galactic cosmic ray, GCR ) ，如下图所示。

深空中两种主要的高能粒子辐射

GCR（银河宇宙射线粒子）主要是带电粒子，富含大量的质子和少部分的电子和重离子。后者包含氦、碳、氧、镁、硅、铁等离子。由于 GCR 是从太阳系外的宇宙深空传来，它们在从太阳系边缘向内传播的途中，受太阳系磁场的屏蔽作用而产生能变且流量减弱；其密度和辐射强度通常随着 11 年太阳周期的变化而反向变化。所以GCR 粒子是长期存在的、能量极高（TeV 以上）且穿透力很强的背景辐射，物理措施无法有效屏蔽 GCR 引发的辐射。

SEP（太阳高能粒子）则为突发的太阳爆发中加速的粒子，可持续几个小时到几天、其能量区间相对 GCR 粒子要小，但是其流量可比背景 GCR 流量高出几万倍甚至更多。如果不能及时的预测和防护屏蔽，由其引发的辐射危害会引发仪器和电子设备的损耗，也会对宇航员造成辐射中毒的危害，进而导致整个宇航任务的失败。

行星际空间的 SEP 和 GCR 初始粒子在穿过深空中的飞船卫星或者行星大气时，会和物质产生电离作用和核反应，通过电离辐射、核裂变、核衰变以及撞击核破碎等过程而产生不同能量和种类的次级粒子，从而引发辐射环境的变化。

高能粒子受火星大气、土壤作用而产生次级粒子

如图所示，这些次级粒子包括不同种类和能量的带电的和中性的粒子；其中中子不受电磁场影响，其和生物作用时引发的辐射效果尤为显著。因而为了有效的减少载人深空探火任务的辐射风险，对于深空飞船内部和火星表面辐射的准确标定至关重要。

/ 火星辐射的探测和模拟

为了为未来的载人探火做准备，作为火星科学实验室 ( Mars Science Laboratory, MSL ) 任务的一部分，高能粒子和辐射探测器 ( Radiation Assessment Detector, RAD ) 旨在检测和分析火星表面上的最具生物辐射危害的高能粒子流量和辐射剂量。

自 MSL 于 2011 年 11 月离开地球到达火星的 253 天内，RAD 首次测量了航天器在此旅途中的深空飞船内部的 GCR 辐射场，并涵盖了 5 个 SEP 事件在飞船内部引发的辐射；自 2012 年 8 月 MSL 着陆火星后的 9 年多时间里，RAD 开展了火星表面辐射的首次探测，持续测量了宇宙射线在火星表面引起的高能粒子辐射，包括长期的 GCR 背景辐射和 5 个 SEP 事件。

加载着 RAD 的好奇号火星车的 " 自拍 "

一系列的工作研究了从 MSL 的发射至今——贯穿了太阳活动 24 周的峰值前到 25 周的开始，RAD 测量的银河宇宙射线辐射和观测到的数个太阳高能粒子事件的特征和演化。总体来看，随着太阳活动和日球层磁场减弱，火星表面 的 GCR 辐射增加了约 50%。具体来说，在不同的时间尺度上，RAD 探测到了背景辐射场的动态变化。我们观测到由不同原因引起的辐射场的变化：

1. 太阳活动影响，包含大尺度的长周期的太阳活动对 GCR 的调制和突发太阳爆发造成的短期屏蔽（Forbush decrease）。

2. 火星大气变化，包括火星日夜潮汐演化和火星季节性 CO2 循环造成的大气厚度的变化引发的辐射变化。

3.MSL 火星车路径上的地形变化导致的表面结构对辐射的屏蔽。

4. 偶尔发生的太阳粒子事件可能会在短时间内显著的增强辐射。

5. 结合 9 年多的 RAD 测量和太阳活动变化的标定，同时利用火星车局地的大气压强和表面地形视场的观测等，我们对以上几种辐射变化的大小和规律进行了详细的分析和量化，并总结出基于太阳黑子数和太阳活动做辐射预报的经验公式，如下图所示。

太阳调制参数（Phi） 和火星表面的辐射剂量的相关性分析。（来自 Guo et al. 2021， 图 13 )

我们进一步估计了在不同条件下往返火星的累积辐射。对于经典的地火转移轨道，如果不考虑太阳高能粒子的辐射贡献，这一累积剂量在太阳活动极大年约为 0.7±0.2 Sv; 在太阳活动极小年期间为 1.6±0.2 Sv。也即，受太阳活动的影响，探火面临的 GCR 辐射的变化达到一倍以上，而在往返途中的辐射量比火星表面的要大一些。未来，如果有更先进的核推进器，我们预估总 GCR 剂量可以分别在太阳活动极大期和极小期期间减少到约 0.2 Sv 和 0.5 Sv 左右。

然而，Sv 这个辐射剂量单位到底是什么概念呢？简单来说，一个头部的 CT 扫描的等效辐射剂量大概是 0.002 Sv；普通人平均一年摄入的辐射剂量为 0.005 Sv 左右 ；宇航员在空间站 6 个月大概是 0.08 Sv 左右；一些国际宇航机构规定的宇航员的职业剂量上限为 1 Sv。参考这些标准，去一趟火星所摄入的辐射剂量对宇航员的健康来说确实是个不容忽视的风险。

往返火星的总辐射剂量（GCR 部分）

此外，我们还探讨了可能进一步降低深空飞船中和火星表面的辐射的方案，尤其是针对突发 SEP 辐射的预报和屏蔽的措施。例如，在火星表面、土壤、岩石、洞穴等局地的结构可以用来作为屏蔽。我们已经模拟得到了一些辐射屏蔽的最佳深度需求。

最后我们讨论了评估空间辐射的生物效应的瓶颈问题：从动态演化的太阳系空间环境，到高能粒子的产生、加速、传播以及和行星环境的作用，进一步到局域环境中的高能粒子和人体的宏观结构以及微观组织的作用，从这些物理作用过程中我们需要提炼并定量空间辐射对人体的生物效应。这个研究链条中存在着很多跨尺度、跨学科、多维度、不确定的参数，限制了这个研究领域的进一步突破；我们只能对空间辐射的风险和危害做最坏的估计和最保守的防御。

/ 问答环节

( 1 ) 将火卫一表面的粒子电离加速形成环绕火星的等离子体环，可能性大吗？

火星没有像地球一样的内禀磁场，及时可能形成这样的带电粒子环，在太阳风的吹拂中，它们很容易就逃逸掉了。

( 2 ) 为什么太阳的磁力线是弯曲的？

太阳以几百公里每秒的速度吹出太阳风，同时太阳在自传，这样使得从太阳表面同一个位置先后出来的太阳风有一定的夹角；加上太阳风等离子体中的所谓磁冻结效应，等离子和磁场的运动冻结在一起，太阳风便在空间形成了弯曲的磁力线，数学的解满足阿基米德螺旋线。

( 3 ) 学些空间物理需要什么条件？

空间物理其实一个很交叉的学科；尤其是行星科学，包含天文、地质、大气、工程、化学等多学科交叉的课题。我觉得学习空间物理最重要的是兴趣和热情，能够听完报告的各位应该都没有问题。