火星旅程和宇宙辐射
火星旅程和宇宙辐射
陈兆伟、敖颖斐
2023年7月
从《全面失控》到《火星救援》,地球旁边那颗既枯燥又冷漠的红星一直都是科幻电影迷热衷的幻想世界,当中不少人也希望有朝一日能亲自一睹火星的真面目。这梦想随著中美欧多次无人探测器跟火星车成功登陆而扎根,人类登陆火星逐渐成爲了下个各地引颈期盼的目标。更有雄心壮志者已经在探索未来大型火星移民计画的可能性。但事实上,火星探索是否真的可以那麽顺利呢?
考虑到火星缺乏一个能够阻挡带电粒子的全球磁场,而且火星大气层比地球的薄得多,对地表的辐射屏蔽作用小,如长时间在火星地面停留与勘察确为一项艰巨的任务。据辐射评估探测器数据显示,火星表面的宇宙射线平均剂量率为每天0.67毫希沃特。此外,在前往火星的途中,平均宇宙射线剂量率为每天1.8毫希沃特,已经接近在地球上每年吸收的天然本底辐射剂量(大约2毫希沃特)。从2013年美国太空总署好奇号侦测器的测量显示,180天的去程、500天的地表勘测、180天的返程,这三个阶段的总辐射剂量大致相同(图一)。但以上剂量研究并没有涵盖太阳粒子事件(图二),或火星地面辐射差异(图三)等特殊情况。
科幻电影《流浪地球》也有提及过太空辐射对宇航员的威胁,宇航员一旦远离太气层,便会曝露于多种电离辐射,包括来自银河系的宇宙辐射、太阳发出的质子和电子、被地球磁场困在范艾伦辐射带 里的质子和电子、中子等。根据太空旅程的时间作估算,宇航员在单次任务的辐射剂量已可能远远超过100毫希沃特,对健康造成长远影响。面对辐射的挑战,人类应该如何应对呢?
目前人体器官辐射剂量测量技术已经提升并得到广泛应用,这可以帮助建立更全面的辐射安全评价方法以发展新的防护技术,例如人体模型(Phantom Torso)(图四)、光线追踪科技、聚乙烯纳米复合物料与水墙等,可加强保障宇航员健康和安全,降低旅程中宇航员所吸收的辐射剂量。有赖这些研究与科技的发展,相信未来总有一天,人类能亲眼目睹这红星的光彩。

图一 好奇号火星之旅的辐射剂量计算图。
(图片来源:Radiation Exposure Comparisons with Mars Trip Calculation | NASA)
(图片来源:Radiation Exposure Comparisons with Mars Trip Calculation | NASA)

图二 2013年,好奇号在火星表面曾观测到一次微弱的太阳质子事件(又叫太阳风暴),为辐射剂量带来显著波幅。太阳质子事件是现时预测火星任务中辐射剂量的最大未知数。(图片来源:Radiation Measurements on Mars – NASA Mars Exploration)

图三 地图中的颜色是以毫希沃特为单位的年度剂量估算。范围一般从100毫希沃特(深蓝色)到200毫希沃特(深红色)。
(图片来源:Estimated Radiation Dosage on Mars (nasa.gov))
(图片来源:Estimated Radiation Dosage on Mars (nasa.gov))

图四 (a) 在国际空间站外执行任务时,基于热释光探测器的读数,在MATROSHKA(该人体模型的代号)模型中测得的吸收剂量率分布。
(图片来源:https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/ANIB_42_4)
图四 (b) 国际空间站内MATROSHKA(该人体模型的代号)模型的吸收剂量率分布,通过对整个模型体积的点剂量进行内插得到。
(图片来源:https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/ANIB_42_4)
(图片来源:https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/ANIB_42_4)
图四 (b) 国际空间站内MATROSHKA(该人体模型的代号)模型的吸收剂量率分布,通过对整个模型体积的点剂量进行内插得到。
(图片来源:https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/ANIB_42_4)