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想移民去火星?你可能要留心來自宇宙深處的輻射

http://finance.sina.com   2020年07月28日 19:50   北京新浪網

  來源:中國科普博覽

  當又一個火星發射窗口來臨,阿聯酋、中國和美國的三艘火星探測器將相繼啓程,去往這個我們已經探測了60年的紅色星球。載人短期登陸火星何時能夠變成現實,尚沒有明確的時間表,但作爲太陽系中環境與地球最接近的行星,在火星上建立新的棲息地,已經是不少人的憧憬與幻想。

  如果人類未來真的在火星上生存,這些火星新移民的手機上的天氣APP中就需要提供兩類天氣信息:一類和地球上的日常天氣一樣,是火星大氣變化造成的風暴、沙塵等現象。另一類,則是與宇宙線輻射相關的空間天氣信息。無論是乘坐飛船往返於火星和地球之間,還是在火星的表面生活,輻射問題都不可忽視。和日常生活中對輻射的諸多不合理的擔憂與恐懼不同的是,輻射是登陸火星的確切威脅,也是必須加以解決的問題。

  來自太陽的死亡威脅

  1972年,阿波羅登月計劃已經接近尾聲,宇航員登月又成功返回的消息已經算不上什麼引人關注的新聞。大家已經習慣了宇航員們乘坐飛船來往穿梭於地球和月球之間,似乎只是出了一趟平常的遠門。在阿波羅13號的有驚無險之後,每次登月任務都能順利開展,宇航員也能平安返回。

阿波羅16號的宇航員正在月球表面工作 圖片來源:NASA阿波羅16號的宇航員正在月球表面工作 圖片來源:NASA

  然而,若干年後,當空間天氣學家們對太陽活動有了更深入的認識後,他們驚恐的發現,原來阿波羅16號的宇航員曾經和足以奪取他們生命的災難擦肩而過。1972年8月2日,就在阿波羅16號剛剛返回地球后幾個月、阿波羅17號正在準備發射時,太陽爆發了一次巨大的耀斑。據估計,如果耀斑爆發時宇航員剛好在月球表面活動,這次耀斑將會讓宇航員在短時間內受到4西弗劑量的輻射,已經超過了一般認爲的致死劑量3西弗。

從不同波段觀察到的一次耀斑爆發現象 圖片來源:NASA從不同波段觀察到的一次耀斑爆發現象 圖片來源:NASA

  4西弗的輻射劑量是多大?大概相當於人做了40000次胸透後所累積受到的輻射。

  太陽耀斑是太陽表面的一種爆發現象,在太陽耀斑發生時,磁場中儲存的能量被快速釋放。一次大耀斑釋放的能量,與成百上千顆氫彈同時爆炸釋放的能量相當。這樣巨大的能量,可以將太陽日冕中的粒子加速到接近光速的速度,向太空中奔去。這些高能粒子只需要幾十分鐘就能到達地球和火星附近。要知道,光線到達地球和火星附近,也需要數分鐘的時間。也就是說,當地球附近的探測器發現耀斑爆發的情況並給出警告後,留給宇航做出反應並採取防護措施的時間很短。

黑子羣及他們形成的複雜日冕磁場結構 圖片來源ucar.edu黑子羣及他們形成的複雜日冕磁場結構 圖片來源ucar.edu

  太陽耀斑是一種偶發性的爆發事件。當太陽表面的太陽黑子數量較多時,爆發耀斑的可能性就更大。而大型的黑子羣則是孕育強耀斑的地方,這些黑子羣之上,一般有着複雜的日冕磁場結構,在太陽內部對流的作用下,磁場不斷剪切、扭纏,像一個越繃越緊的發條,積蓄着能量並在瞬間釋放。在消亡之前,這些黑子羣還會反覆將日冕磁場的“發條”擰緊,產生多個耀斑爆發。

  大耀斑爆發的同時,一般也伴隨着另一種太陽爆發——日冕物質拋射的發生。如果將耀斑看做雷電,那麼日冕物質拋射就是一陣暴風雨。從太陽出發,日冕物質拋射最快十多個小時就可以到達地球、二十多小時就能到達火星。在日冕物質拋射前驅的激波也會產生高能粒子流,有時還比耀斑產生的更劇烈。但好消息是,一旦我們監測到太陽附近的日冕物質拋射,宇航員的避險時間比耀斑爆發要長一些。

  雖然某次特定的太陽耀斑和日冕物質拋射的威力十分驚人,但這些太陽爆發現象並不是持續出現的,太陽爆發會出現一定的間歇期,在太陽活動極小的年份,這種間歇期還可能比較長。

  你以爲航天員可以鬆一口氣了?並沒有,因爲宇宙中還的輻射威脅可不止來自於太陽。

  防不勝防的銀河宇宙線

一次超新星爆發的遺蹟,這種現象是銀河宇宙線的來源之一。圖片來源:NASA一次超新星爆發的遺蹟,這種現象是銀河宇宙線的來源之一。圖片來源:NASA

  在更加遙遠的太空中,發生着諸如超新星爆發等更劇烈的現象。這些現象產生的高能粒子流可以侵入太陽系之內,到達地球和火星附近,威脅航天員的安全。與間歇發生的太陽耀斑所不同的是,由於銀河宇宙線的來源遍佈全宇宙,因此它幾乎是持續存在的。源自太陽的行星際磁場對銀河宇宙線有一定的屏蔽作用,在黑子比較多的太陽活動高年,行星際磁場的磁通量有所增加,銀河宇宙線的強度就變得較低。而當太陽活動降低時時,銀河宇宙線的強度就會隨之增強。銀河宇宙線中存在一些原子量比較大的重元素高能粒子,這些粒子甚至能穿透目前載人飛船使用的保護層,或轟擊宇宙飛船的外殼材料產生二次輻射,更加防不勝防。

  也就是說,源自太陽耀斑的太陽宇宙線和源於遙遠天體的銀河宇宙線此消彼長,共同構成了除了極寒和接近真空外,太空中的又一個惡劣環境來源。雖然一次產生致命輻射劑量的太陽爆發相當罕見,但在銀河宇宙線和規模相對小一些的太陽爆發的共同作用下,長時間執行深空任務的宇航員可能會接收到累積的超量輻射。

2014年2月24日,日面上已經出現多個黑子羣和活動區,一個X級(最強級別)的耀斑在當天爆發。圖片來源:NASA2014年2月24日,日面上已經出現多個黑子羣和活動區,一個X級(最強級別)的耀斑在當天爆發。圖片來源:NASA

  生活在地球上的人們,平時似乎並不需要對這些來自太空中的高能粒子擔心。事實上,宇宙線也的確不會對地球上的人們產生顯著的影響,這是因爲大自然給予了地球磁場和濃厚的大氣層,爲我們支起了抵禦宇宙線的屏障。但如果我們離地面越遠,宇宙線的輻射強度也會越高。例如,飛行在萬米高空的民航飛機,失去了一部分大氣的保護,乘客和機組人員受到的輻射劑量就比地面上的人更高。在低地球軌道中生活的宇航員,則會承受比飛機乘客更大的輻射風險。至於飛往月球的宇航員,風險將變得更大。

  而如果要去往火星,則必須脫離地球磁層的保護,進入深空飛行。此時,無論是銀河宇宙線還是太陽宇宙線的輻射都將更強。如果像由第一枚獵鷹重型火箭發射升空的Starman那樣,開着敞篷跑車去火星,恐怕會是凶多吉少。

 火星車在飛往火星的過程中,是“火星科學實驗室”飛船的乘客。降落到火星後才會開始獨自執行任務。圖片來源:NASA 火星車在飛往火星的過程中,是“火星科學實驗室”飛船的乘客。降落到火星後才會開始獨自執行任務。圖片來源:NASA

  要去火星,還有很長的路要走

  2012年發射的好奇號火星車上,搭載了一臺名爲“輻射評估探測器”的儀器(RAD),用來測量在飛往火星途中和降落在火星表面後,好奇號火星車所接收到的輻射劑量。在飛往火星和在火星着陸的過程中,好奇號實際是“火星科學實驗室”號飛船的乘客,而這艘飛船對宇宙線的防護水平與NASA未來執行深空探測任務的載人飛船基本相當,可以對未來宇航員可能受到的輻射進行估計。RAD的結果顯示,在來往火星總共360天左右的路程中,一位宇航員可能會受到0.662西弗的輻射,相當於NASA對宇航員在整個職業生涯中受到的總輻射限制的62%。就算到了火星,宇宙線的問題也還會伴隨着新火星人們。火星沒有較強的內稟磁場,因此也就沒有像地球那樣擁有自己的磁層。在太陽風的吹拂下,火星的大氣逐漸被太陽風侵蝕,變得稀薄,其密度僅相當於地球大氣密度的1%。因此,火星的大氣也無法提供足夠的保護。

  根據“火星奧德賽”號的探測數據,火星表面的平均輻射水平大約是國際空間站內宇航員所受到的輻射水平的2.5倍,是地球表面日常輻射水平的將近13倍。這樣的輻射水平短時間內不會對人造成不可逆的傷害,但長時間的累積卻會帶來癌症等各種健康風險。內華達大學的相關研究者在2017年發表的論文顯示,通過更優化的傷害模型評估,火星輻射所帶來的健康風險比人們之前認識的要高一倍。在火星生活,更容易罹患癌症、中樞神經系統疾病、白內障、循環系統疾病和急性輻射綜合症。爲了健康的生活,大部分時間內火星移民們可能都不得不待在地下的庇護所中。

MAVEN探測器。圖片來源:NASAMAVEN探測器。圖片來源:NASA

  我們目前對飛往火星和火星表面的輻射狀況的認識還比較有限,新的數據也在不斷刷新着我們的認識。2017年,科學家發現MAVEN探測器在一次強烈的太陽爆發事件發生後所測量到的輻射水平,比好奇號火星車之前所測到的最高水平還要高一倍。太陽活動存在着11年的週期,每個太陽活動周的強度又會有所不同。距離我們最近的23和24太陽周強度都比之前幾個太陽周的強度要低不少,而在強度更高的太陽活動週中出現的幾十年一遇甚至百年或千年一遇的超強太陽風暴,會讓火星移民們面臨怎樣的災禍,我們尚無法回答這個問題。

  實際上,輻射問題僅僅是移民火星之路上需要解決的諸多問題之一。在火星安營扎債後,火星移民們如何自給自足的從火星上獲取水、食物和能源,擴大火星建築的材料能否從火星表面提煉,火星移民的經濟和社會秩序如何形成,是否存在和地球建立貿易往來的可能?這些問題的解決,需要探測器帶來新的數據,需要科學家們進行進一步的探索,而做幾個天馬行空的PPT、發幾條“激動人心”的推特,起到的僅僅是宣傳效果。

移民火星後,人們可能不得不在底下的庇護所中躲避輻射。圖片來源Phys.org移民火星後,人們可能不得不在底下的庇護所中躲避輻射。圖片來源Phys.org

  對於火星輻射問題,空間天氣學家們能做的是進一步認識太陽活動的規律,發展出更高效、更準確的預報模型,更加準確的估計宇宙線的強度,在太陽爆發事件發生之前及時發出預警。而航天工程師們則致力於研製出更輕巧、屏蔽效能更高的防護材料,給飛船和火星建築提供更強的防護性能。相信當火星移民真的能夠實現的那天,去往火星的旅程一定是舒適而安全的。

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