/ 空間高能粒子的輻射危害

太空輻射對宇航員的健康危害是人類執行長期深空任務最重要的風險之一。尤其是未來的火星任務，使用當前的火箭推進技術，往返火星需要大約 3 年的時間。在這一里程中，宇航員將會暴露于高能的空間粒子輻射，造成對身體不同器官和功能的危害，甚至引發白血病、白內障、癌癥等問題。

輻射的危害

/ 空間高能粒子的種類

在地球的輻射帶之外，對深空宇航員造成危害影響的輻射源主要包括：太陽高能粒子 ( 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 是從太陽系外的宇宙深空傳來，它們在從太陽系邊緣向內傳播的途中，受太陽系磁場的屏蔽作用而產生能變且流量減弱；其密度和輻射強度通常隨著 11 年太陽周期的變化而反向變化。所以GCR 粒子是長期存在的、能量極高（TeV 以上）且穿透力很強的背景輻射，物理措施無法有效屏蔽 GCR 引發的輻射。

SEP（太陽高能粒子）則為突發的太陽爆發中加速的粒子，可持續幾個小時到幾天、其能量區間相對 GCR 粒子要小，但是其流量可比背景 GCR 流量高出幾萬倍甚至更多。如果不能及時的預測和防護屏蔽，由其引發的輻射危害會引發儀器和電子設備的損耗，也會對宇航員造成輻射中毒的危害，進而導致整個宇航任務的失敗。

行星際空間的 SEP 和 GCR 初始粒子在穿過深空中的飛船衛星或者行星大氣時，會和物質產生電離作用和核反應，通過電離輻射、核裂變、核衰變以及撞擊核破碎等過程而產生不同能量和種類的次級粒子，從而引發輻射環境的變化。

高能粒子受火星大氣、土壤作用而產生次級粒子

如圖所示，這些次級粒子包括不同種類和能量的帶電的和中性的粒子；其中中子不受電磁場影響，其和生物作用時引發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的輻射風險，對于深空飛船內部和火星表面輻射的準確標定至關重要。

/ 火星輻射的探測和模擬

為了為未來的載人探火做準備，作為火星科學實驗室 ( Mars Science Laboratory, MSL ) 任務的一部分，高能粒子和輻射探測器 ( Radiation Assessment Detector, RAD ) 旨在檢測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 月離開地球到達火星的 253 天內，RAD 首次測量了航天器在此旅途中的深空飛船內部的 GCR 輻射場，并涵蓋了 5 個 SEP 事件在飛船內部引發的輻射；自 2012 年 8 月 MSL 著陸火星后的 9 年多時間里，RAD 開展了火星表面輻射的首次探測，持續測量了宇宙射線在火星表面引起的高能粒子輻射，包括長期的 GCR 背景輻射和 5 個 SEP 事件。

加載著 RAD 的好奇號火星車的 " 自拍 "

一系列的工作研究了從 MSL 的發射至今——貫穿了太陽活動 24 周的峰值前到 25 周的開始，RAD 測量的銀河宇宙射線輻射和觀測到的數個太陽高能粒子事件的特征和演化。總體來看，隨著太陽活動和日球層磁場減弱，火星表面 的 GCR 輻射增加了約 50%。具體來說，在不同的時間尺度上，RAD 探測到了背景輻射場的動態變化。我們觀測到由不同原因引起的輻射場的變化：

1. 太陽活動影響，包含大尺度的長周期的太陽活動對 GCR 的調制和突發太陽爆發造成的短期屏蔽（Forbush decrease）。

2. 火星大氣變化，包括火星日夜潮汐演化和火星季節性 CO2 循環造成的大氣厚度的變化引發的輻射變化。

3.MSL 火星車路徑上的地形變化導致的表面結構對輻射的屏蔽。

4. 偶爾發生的太陽粒子事件可能會在短時間內顯著的增強輻射。

5. 結合 9 年多的 RAD 測量和太陽活動變化的標定，同時利用火星車局地的大氣壓強和表面地形視場的觀測等，我們對以上幾種輻射變化的大小和規律進行了詳細的分析和量化，并總結出基于太陽黑子數和太陽活動做輻射預報的經驗公式，如下圖所示。

太陽調制參數（Phi） 和火星表面的輻射劑量的相關性分析。（來自 Guo et al. 2021， 圖 13 )

我們進一步估計了在不同條件下往返火星的累積輻射。對于經典的地火轉移軌道，如果不考慮太陽高能粒子的輻射貢獻，這一累積劑量在太陽活動極大年約為 0.7±0.2 Sv; 在太陽活動極小年期間為 1.6±0.2 Sv。也即，受太陽活動的影響，探火面臨的 GCR 輻射的變化達到一倍以上，而在往返途中的輻射量比火星表面的要大一些。未來，如果有更先進的核推進器，我們預估總 GCR 劑量可以分別在太陽活動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 這個輻射劑量單位到底是什么概念呢？簡單來說，一個頭部的 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 個月大概是 0.08 Sv 左右；一些國際宇航機構規定的宇航員的職業劑量上限為 1 Sv。參考這些標準，去一趟火星所攝入的輻射劑量對宇航員的健康來說確實是個不容忽視的風險。

往返火星的總輻射劑量（GCR 部分）

此外，我們還探討了可能進一步降低深空飛船中和火星表面的輻射的方案，尤其是針對突發 SEP 輻射的預報和屏蔽的措施。例如，在火星表面、土壤、巖石、洞穴等局地的結構可以用來作為屏蔽。我們已經模擬得到了一些輻射屏蔽的最佳深度需求。

最后我們討論了評估空間輻射的生物效應的瓶頸問題：從動態演化的太陽系空間環境，到高能粒子的產生、加速、傳播以及和行星環境的作用，進一步到局域環境中的高能粒子和人體的宏觀結構以及微觀組織的作用，從這些物理作用過程中我們需要提煉并定量空間輻射對人體的生物效應。這個研究鏈條中存在著很多跨尺度、跨學科、多維度、不確定的參數，限制了這個研究領域的進一步突破；我們只能對空間輻射的風險和危害做最壞的估計和最保守的防御。

/ 問答環節

( 1 ) 將火衛一表面的粒子電離加速形成環繞火星的等離子體環，可能性大嗎？

火星沒有像地球一樣的內稟磁場，及時可能形成這樣的帶電粒子環，在太陽風的吹拂中，它們很容易就逃逸掉了。

( 2 ) 為什么太陽的磁力線是彎曲的？

太陽以幾百公里每秒的速度吹出太陽風，同時太陽在自傳，這樣使得從太陽表面同一個位置先后出來的太陽風有一定的夾角；加上太陽風等離子體中的所謂磁凍結效應，等離子和磁場的運動凍結在一起，太陽風便在空間形成了彎曲的磁力線，數學的解滿足阿基米德螺旋線。

( 3 ) 學些空間物理需要什么條件？

空間物理其實一個很交叉的學科；尤其是行星科學，包含天文、地質、大氣、工程、化學等多學科交叉的課題。我覺得學習空間物理最重要的是興趣和熱情，能夠聽完報告的各位應該都沒有問題。