想移民去火星?留心宇宙辐射

淘宝特卖精选

  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。

  [作者单位:哈尔滨工业大学(深圳),本文授权转自中国科普博览,微信公众号:kepubolan,略有删改。]

本文由程序自动从互联网上获取,其版权均归原作者所有,文章内容系原作者个人观点,不代表 为什么 对观点赞同或支持。如有侵权,请联系删除。
淘宝特卖精选