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科技報導

想移民去火星?你可能要留心来自宇宙深处的辐射



当又一个火星发射窗口来临,阿联酋、中国和美国的三艘火星探测器将相继启程,去往这个我们已经探测了60年的红色星球。载人短期登陆火星何时能够变成现实,尚没有明确的时间表,但作为太阳系中环境与地球最接近的行星,在火星上建立新的栖息地,已经是不少人的憧憬与幻想。

如果人类未来真的在火星上生存,这些火星新移民的手机上的天气APP中就需要提供两类天气信息:一类和地球上的日常天气一样,是火星大气变化造成的风暴、沙尘等现象。另一类,则是与宇宙线辐射相关的空间天气信息。无论是乘坐飞船往返于火星和地球之间,还是在火星的表面生活,辐射问题都不可忽视。和日常生活中对辐射的诸多不合理的担忧与恐惧不同的是,辐射是登陆火星的确切威胁,也是必须加以解决的问题。

来自太阳的死亡威胁

1972年,阿波罗登月计划已经接近尾声,宇航员登月又成功返回的消息已经算不上什么引人关注的新闻。大家已经习惯了宇航员们乘坐飞船来往穿梭于地球和月球之间,似乎只是出了一趟平常的远门。在阿波罗13号的有惊无险之后,每次登月任务都能顺利开展,宇航员也能平安返回。

阿波罗16号的宇航员正在月球表面工作 图片来源:NASA

阿波罗16号的宇航员正在月球表面工作 图片来源:NASA

然而,若干年后,当空间天气学家们对太阳活动有了更深入的认识后,他们惊恐的发现,原来阿波罗16号的宇航员曾经和足以夺取他们生命的灾难擦肩而过。1972年8月2日,就在阿波罗16号刚刚返回地球后几个月、阿波罗17号正在准备发射时,太阳爆发了一次巨大的耀斑。据估计,如果耀斑爆发时宇航员刚好在月球表面活动,这次耀斑将会让宇航员在短时间内受到4西弗剂量的辐射,已经超过了一般认为的致死剂量3西弗。

从不同波段观察到的一次耀斑爆发现象 图片来源:NASA

从不同波段观察到的一次耀斑爆发现象 图片来源:NASA

4西弗的辐射剂量是多大?大概相当于人做了40000次胸透后所累积受到的辐射。

太阳耀斑是太阳表面的一种爆发现象,在太阳耀斑发生时,磁场中储存的能量被快速释放。一次大耀斑释放的能量,与成百上千颗氢弹同时爆炸释放的能量相当。这样巨大的能量,可以将太阳日冕中的粒子加速到接近光速的速度,向太空中奔去。这些高能粒子只需要几十分钟就能到达地球和火星附近。要知道,光线到达地球和火星附近,也需要数分钟的时间。也就是说,当地球附近的探测器发现耀斑爆发的情况并给出警告后,留给宇航做出反应并采取防护措施的时间很短。

黑子群及他们形成的复杂日冕磁场结构 图片来源ucar.edu

黑子群及他们形成的复杂日冕磁场结构 图片来源ucar.edu

太阳耀斑是一种偶发性的爆发事件。当太阳表面的太阳黑子数量较多时,爆发耀斑的可能性就更大。而大型的黑子群则是孕育强耀斑的地方,这些黑子群之上,一般有着复杂的日冕磁场结构,在太阳内部对流的作用下,磁场不断剪切、扭缠,像一个越绷越紧的发条,积蓄着能量并在瞬间释放。在消亡之前,这些黑子群还会反复将日冕磁场的“发条”拧紧,产生多个耀斑爆发。

大耀斑爆发的同时,一般也伴随着另一种太阳爆发——日冕物质抛射的发生。如果将耀斑看做雷电,那么日冕物质抛射就是一阵暴风雨。从太阳出发,日冕物质抛射最快十多个小时就可以到达地球、二十多小时就能到达火星。在日冕物质抛射前驱的激波也会产生高能粒子流,有时还比耀斑产生的更剧烈。但好消息是,一旦我们监测到太阳附近的日冕物质抛射,宇航员的避险时间比耀斑爆发要长一些。

虽然某次特定的太阳耀斑和日冕物质抛射的威力十分惊人,但这些太阳爆发现象并不是持续出现的,太阳爆发会出现一定的间歇期,在太阳活动极小的年份,这种间歇期还可能比较长。

你以为航天员可以松一口气了?并没有,因为宇宙中还的辐射威胁可不止来自于太阳。

防不胜防的银河宇宙线

一次超新星爆发的遗迹,这种现象是银河宇宙线的来源之一。图片来源:NASA

一次超新星爆发的遗迹,这种现象是银河宇宙线的来源之一。图片来源:NASA

在更加遥远的太空中,发生着诸如超新星爆发等更剧烈的现象。这些现象产生的高能粒子流可以侵入太阳系之内,到达地球和火星附近,威胁航天员的安全。与间歇发生的太阳耀斑所不同的是,由于银河宇宙线的来源遍布全宇宙,因此它几乎是持续存在的。源自太阳的行星际磁场对银河宇宙线有一定的屏蔽作用,在黑子比较多的太阳活动高年,行星际磁场的磁通量有所增加,银河宇宙线的强度就变得较低。而当太阳活动降低时时,银河宇宙线的强度就会随之增强。银河宇宙线中存在一些原子量比较大的重元素高能粒子,这些粒子甚至能穿透目前载人飞船使用的保护层,或轰击宇宙飞船的外壳材料产生二次辐射,更加防不胜防。

也就是说,源自太阳耀斑的太阳宇宙线和源于遥远天体的银河宇宙线此消彼长,共同构成了除了极寒和接近真空外,太空中的又一个恶劣环境来源。虽然一次产生致命辐射剂量的太阳爆发相当罕见,但在银河宇宙线和规模相对小一些的太阳爆发的共同作用下,长时间执行深空任务的宇航员可能会接收到累积的超量辐射。

2014年2月24日,日面上已经出现多个黑子群和活动区,一个X级(最强级别)的耀斑在当天爆发。图片来源:NASA

2014年2月24日,日面上已经出现多个黑子群和活动区,一个X级(最强级别)的耀斑在当天爆发。图片来源:NASA

生活在地球上的人们,平时似乎并不需要对这些来自太空中的高能粒子担心。事实上,宇宙线也的确不会对地球上的人们产生显着的影响,这是因为大自然给予了地球磁场和浓厚的大气层,为我们支起了抵御宇宙线的屏障。但如果我们离地面越远,宇宙线的辐射强度也会越高。例如,飞行在万米高空的民航飞机,失去了一部分大气的保护,乘客和机组人员受到的辐射剂量就比地面上的人更高。在低地球轨道中生活的宇航员,则会承受比飞机乘客更大的辐射风险。至于飞往月球的宇航员,风险将变得更大。

而如果要去往火星,则必须脱离地球磁层的保护,进入深空飞行。此时,无论是银河宇宙线还是太阳宇宙线的辐射都将更强。如果像由第一枚猎鹰重型火箭发射升空的Starman那样,开着敞篷跑车去火星,恐怕会是凶多吉少。

 火星车在飞往火星的过程中,是“火星科学实验室”飞船的乘客。降落到火星后才会开始独自执行任务。图片来源:NASA

 火星车在飞往火星的过程中,是“火星科学实验室”飞船的乘客。降落到火星后才会开始独自执行任务。图片来源:NASA

要去火星,还有很长的路要走

2012年发射的好奇号火星车上,搭载了一台名为“辐射评估探测器”的仪器(RAD),用来测量在飞往火星途中和降落在火星表面后,好奇号火星车所接收到的辐射剂量。在飞往火星和在火星着陆的过程中,好奇号实际是“火星科学实验室”号飞船的乘客,而这艘飞船对宇宙线的防护水平与NASA未来执行深空探测任务的载人飞船基本相当,可以对未来宇航员可能受到的辐射进行估计。RAD的结果显示,在来往火星总共360天左右的路程中,一位宇航员可能会受到0.662西弗的辐射,相当于NASA对宇航员在整个职业生涯中受到的总辐射限制的62%。就算到了火星,宇宙线的问题也还会伴随着新火星人们。火星没有较强的内禀磁场,因此也就没有像地球那样拥有自己的磁层。在太阳风的吹拂下,火星的大气逐渐被太阳风侵蚀,变得稀薄,其密度仅相当于地球大气密度的1%。因此,火星的大气也无法提供足够的保护。

根据“火星奥德赛”号的探测数据,火星表面的平均辐射水平大约是国际空间站内宇航员所受到的辐射水平的2.5倍,是地球表面日常辐射水平的将近13倍。这样的辐射水平短时间内不会对人造成不可逆的伤害,但长时间的累积却会带来癌症等各种健康风险。内华达大学的相关研究者在2017年发表的论文显示,通过更优化的伤害模型评估,火星辐射所带来的健康风险比人们之前认识的要高一倍。在火星生活,更容易罹患癌症、中枢神经系统疾病、白内障、循环系统疾病和急性辐射综合症。为了健康的生活,大部分时间内火星移民们可能都不得不待在地下的庇护所中。

MAVEN探测器。图片来源:NASA

MAVEN探测器。图片来源:NASA

我们目前对飞往火星和火星表面的辐射状况的认识还比较有限,新的数据也在不断刷新着我们的认识。2017年,科学家发现MAVEN探测器在一次强烈的太阳爆发事件发生后所测量到的辐射水平,比好奇号火星车之前所测到的最高水平还要高一倍。太阳活动存在着11年的周期,每个太阳活动周的强度又会有所不同。距离我们最近的23和24太阳周强度都比之前几个太阳周的强度要低不少,而在强度更高的太阳活动周中出现的几十年一遇甚至百年或千年一遇的超强太阳风暴,会让火星移民们面临怎样的灾祸,我们尚无法回答这个问题。

实际上,辐射问题仅仅是移民火星之路上需要解决的诸多问题之一。在火星安营扎债后,火星移民们如何自给自足的从火星上获取水、食物和能源,扩大火星建筑的材料能否从火星表面提炼,火星移民的经济和社会秩序如何形成,是否存在和地球建立贸易往来的可能?这些问题的解决,需要探测器带来新的数据,需要科学家们进行进一步的探索,而做几个天马行空的PPT、发几条“激动人心”的推特,起到的仅仅是宣传效果。

移民火星后,人们可能不得不在底下的庇护所中躲避辐射。图片来源Phys.org

移民火星后,人们可能不得不在底下的庇护所中躲避辐射。图片来源Phys.org

对于火星辐射问题,空间天气学家们能做的是进一步认识太阳活动的规律,发展出更高效、更准确的预报模型,更加准确的估计宇宙线的强度,在太阳爆发事件发生之前及时发出预警。而航天工程师们则致力于研制出更轻巧、屏蔽效能更高的防护材料,给飞船和火星建筑提供更强的防护性能。相信当火星移民真的能够实现的那天,去往火星的旅程一定是舒适而安全的。