江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

中国经济网|想移民去火星？留心宇宙辐射


从不同波段观察到的一次耀斑爆发现象 。（NANS）
中国经济网|想移民去火星？留心宇宙辐射
本文插图

在飞往火星的过程中 ， 火星车是“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 。（NANS）
又一个火星发射窗口来临 ， 阿联酋、中国与美国的3艘火星探测器将相继启程 ， 去往这个我们探测了60年的红色星球 。 短期登陆火星何时能够照进现实 ， 尚无明确时间表 ， 但作为太阳系中与地球环境最接近的行星 ， 在火星建立新的栖息地已是不少人的憧憬与幻想——移民火星 ， 你想去吗？
移民火星 ， 这一出现于科幻作品中的桥段 ， 如今距离照进现实似乎越来越近 。 然而 ， 如果人类真要在火星生存 ， 这些新移民的手机天气APP中需要提供两类天气信息：一类与地球日常天气一样 ， 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火星与地球之间 ， 还是在火星表面生活 ， 辐射问题都不可忽视 。 但与人们日常对辐射诸多不合理的担忧与恐惧不同 ， 辐射是登陆火星的确切威胁 ， 必须直视 。
来自太阳的威胁
1972年 ， 美国阿波罗登月计划接近尾声 ， 人们已经习惯了宇航员们乘坐飞船来往穿梭于地球与月球之间 ， 似乎只是出了一趟远门 。
然而 ， 若干年后 ， 当空间天气学家们对太阳活动有了更深入认识 ， 他们惊恐地发现 ， 原来阿波罗16号宇航员曾与足以夺取生命的灾难擦肩而过——1972年8月2日 ， 就在阿波罗16号返回地球后几个月、阿波罗17号准备发射时 ， 太阳爆发了一次巨大耀斑 。 据科学家估计 ， 耀斑爆发时 ， 如果宇航员刚好在月球表面活动 ， 将会在短时间内受到4西弗剂量的辐射 ， 超过一般认为的致死剂量3西弗 。 西弗的辐射剂量有多大？大概相当于人体经受4万次胸透后所累积的辐射 。
这一辐射的元凶太阳耀斑 ， 是太阳表面的一种爆发现象 ， 能导致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 ， 可以将太阳日冕中的粒子加速到接近光速向太空中奔去 。 仅需几十分钟 ， 这些高能粒子就能到达地球与火星附近 。 也就是说 ， 当地球附近探测器发现耀斑爆发并给出警告后 ， 留给宇航员做出反应并采取防护措施的时间很短 。
太阳耀斑是一种偶发性爆发事件 。 当太阳表面的太阳黑子数量较多时 ， 爆发耀斑的可能性更大 。 大型黑子群是孕育强耀斑的土壤 ， 这些黑子群一般有着复杂日冕磁场结构 ， 在太阳内部对流作用下 ， 磁场不断剪切、扭缠 ， 如同越绷越紧的发条不断积蓄能量 ， 并在瞬间释放 。 消亡之前 ， 这些黑子群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 ， 一般会伴随着另一种太阳爆发——日冕物质抛射 。 如果将耀斑看作雷电 ， 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10多个小时即可到达地球、20多个小时就能到达火星 。 日冕物质抛射前的激波也会产生高能粒子流 ， 有时还比耀斑更剧烈 。 不过有个好消息 ， 一旦我们监测到太阳附近日冕物质抛射 ， 宇航员的避险时间比耀斑爆发要长一些 。
虽然某次特定太阳耀斑与日冕物质抛射威力十分惊人 ， 但是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间歇期 ， 在太阳活动极小年份 ， 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 ， 因为宇宙中的辐射威胁可不止来自于太阳 。
防不胜防的银河宇宙线
在更加遥远的太空中 ， 诸如超新星爆发等现象更为剧烈 。 这些现象产生的高能粒子流可以侵入太阳系之内 ， 到达地球与火星附近 ， 威胁航天员安全 。 与间歇发生的太阳耀斑不同 ， 由于银河宇宙线来源遍布全宇宙 ， 它几乎持续存在 。 源自太阳的行星际磁场对银河宇宙线具有一定屏蔽作用 ， 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 ， 银河宇宙线强度会变得较低 。 然而 ， 当太阳活动降低时 ， 银河宇宙线强度会随之增强 。 此外 ， 银河宇宙线中存在一些原子量比较大的重元素高能粒子 ， 甚至能穿透目前载人飞船保护层 ， 或轰击宇宙飞船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与源于遥远天体的银河宇宙线此消彼长 ， 共同构成极寒与接近真空以外 ， 太空中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 ， 但在银河宇宙线与规模相对小的太阳爆发共同作用下 ， 长时间执行深空任务的宇航员可能会累积下超量辐射 。
幸运的是 ， 生活在地球上的人们无需对这些来自太空中的高能粒子担心 。 这是因为大自然给予了地球磁场和浓厚的大气层 ， 成为抵御宇宙线的天然屏障 。 一旦我们远离地面 ， 宇宙线辐射强度会随之升高 。 例如 ， 民航飞机飞行在万米高空失去一部分大气的保护 ， 乘客与机组人员所受辐射剂量就比地面要高 。 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 ， 风险将更大 。
一旦去往火星 ， 必须脱离地球磁层保护 ， 进入深空飞行 。 此时 ， 银河宇宙线与太阳宇宙线辐射均将更强 ， 就像开着敞篷跑车去往火星 ， 缺乏相应防护 ， 恐怕凶多吉少 。
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”（RAD）的仪器 ， 用来测量在飞往火星途中与降落在火星表面后 ， 好奇号火星车所接收的辐射剂量 。 在飞往火星与在火星着陆过程中 ， 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美国国家航空航天局（NASA）未来执行深空探测任务的载人飞船基本相当 ， 可以估计未来宇航员可能受到的辐射 。
RAD探测结果显示 ， 在来往火星共约360天的路程中 ， 一位宇航员可能受到0.662西弗辐射 ， 相当于NASA对宇航员在职业生涯中总辐射限制的62% 。 此外 ， 就算到了火星 ， 宇宙线问题仍继续伴随着人们 。 火星没有较强的内禀磁场 ， 无法像地球那样拥有自己的磁层 。 在太阳风吹拂下 ， 火星大气逐渐被侵蚀 ， 变得稀薄 ， 密度仅相当于地球大气密度的1%左右 。 因此 ， 火星大气无法为人类提供足够保护 。
根据“火星奥德赛”号的探测数据 ， 火星表面平均辐射水平约为国际空间站内宇航员所受辐射水平的2.5倍 ， 是地球表面日常辐射水平近13倍 。 这样的辐射水平短时间内不会对人造成不可逆伤害 ， 但长时间累积会带来癌症等各种健康风险 。 美国内华达大学研究者在2017年发表论文显示 ， 通过更优化的伤害模型评估 ， 火星辐射带来的健康风险比此前预计要高一倍 。 在火星生活 ， 更容易罹患癌症、中枢神经系统疾病、白内障、循环系统疾病与急性辐射综合征 。 为了健康生活 ， 大部分时间内 ， 火星移民们可能不得不待在地下庇护所中 。
目前 ， 我们对飞往火星与火星表面辐射状况的认识仍比较有限 ， 新数据在不断刷新人类认知 。 2017年 ， 科学家发现MAVEN探测器在一次强烈太阳爆发事件后测量到的辐射水平 ， 比好奇号火星车之前所测到的最高水平要高一倍 。 太阳活动存在11年周期 ， 每个太阳活动周强度又有所不同 。 距离我们最近的23与24太阳周强度均比之前几周强度低不少 ， 而在强度更高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 ， 火星移民们要怎样面对？人类尚无法回答 。
实际上 ， 辐射问题仅仅是移民火星之路上要解决的诸多问题之一 。 在火星安营扎寨后 ， 火星移民们如何自给自足获取水、食物与能源 ， 扩大火星建筑的材料能否从火星表面提炼 ， 火星移民的经济与社会秩序如何形成 ， 是否存在与地球建立贸易往来的可能？这些问题需要科学家们进一步探索 ， 需要新的探测数据一点点解答 。
目前 ， 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规律 ， 发展出更高效、更准确的预报模型 ， 从而更加准确估计宇宙线强度 ， 在太阳爆发事件发生之前及时发出预警 。 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 ， 给飞船与火星建筑提供更强防护性能 。 相信当火星移民真正实现的那一天 ， 去往火星的旅程一定舒适而安全 。
【中国经济网|想移民去火星？留心宇宙辐射】［作者：哈尔滨工业大学（深圳） 李会超 ， 本文授权转自中国科普博览 ， 微信公众号：kepubolan ， 略有删改 。 ］


    推荐阅读


    上一篇：中国太保连续十年入选《财富》世界500强

    下一篇：观望|老百姓最宠幸的豪车，奥迪A4L直降6W，完胜3系，观望的可以入手了