當(dāng)又一個火星發(fā)射窗口來臨，阿聯(lián)酋、中國和美國的三艘火星探測器將相繼啟程，去往這個我們已經(jīng)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(xiàn)實，尚沒有明確的時間表，但作為太陽系中環(huán)境與地球最接近的行星，在火星上建立新的棲息地，已經(jīng)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(jī)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(fēng)暴、沙塵等現(xiàn)象。另一類，則是與宇宙線輻射相關(guān)的空間天氣信息。無論是乘坐飛船往返于火星和地球之間，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(dān)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。

Part. 1

來自太陽的死亡威脅

1972年，阿波羅登月計劃已經(jīng)接近尾聲，宇航員登月又成功返回的消息已經(jīng)算不上什么引人關(guān)注的新聞。大家已經(jīng)習(xí)慣了宇航員們乘坐飛船來往穿梭于地球和月球之間，似乎只是出了一趟平常的遠(yuǎn)門。在阿波羅13號的有驚無險之后，每次登月任務(wù)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

然而，若干年后，當(dāng)空間天氣學(xué)家們對太陽活動有了更深入的認(rèn)識后，他們驚恐的發(fā)現(xiàn)，原來阿波羅16號的宇航員曾經(jīng)和足以奪取他們生命的災(zāi)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(zhǔn)備發(fā)射時，太陽爆發(fā)了一次巨大的耀斑。據(jù)估計，如果耀斑爆發(fā)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(nèi)受到4西弗劑量的輻射，已經(jīng)超過了一般認(rèn)為的致死劑量3西弗。

從不同波段觀察到的一次耀斑爆發(fā)現(xiàn)象

圖片來源：NASA

4西弗的輻射劑量是多大？大概相當(dāng)于人做了40000次胸透后所累積受到的輻射。

太陽耀斑是太陽表面的一種爆發(fā)現(xiàn)象，在太陽耀斑發(fā)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(dāng)。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(dá)地球和火星附近。要知道，光線到達(dá)地球和火星附近，也需要數(shù)分鐘的時間。也就是說，當(dāng)?shù)厍蚋浇奶綔y器發(fā)現(xiàn)耀斑爆發(fā)的情況并給出警告后，留給宇航做出反應(yīng)并采取防護(hù)措施的時間很短。

黑子群及他們形成的復(fù)雜日冕磁場結(jié)構(gòu)

圖片來源ucar.edu

太陽耀斑是一種偶發(fā)性的爆發(fā)事件。當(dāng)太陽表面的太陽黑子數(shù)量較多時，爆發(fā)耀斑的可能性就更大。而大型的黑子群則是孕育強(qiáng)耀斑的地方，這些黑子群之上，一般有著復(fù)雜的日冕磁場結(jié)構(gòu)，在太陽內(nèi)部對流的作用下，磁場不斷剪切、扭纏，像一個越繃越緊的發(fā)條，積蓄著能量并在瞬間釋放。在消亡之前，這些黑子群還會反復(fù)將日冕磁場的“發(fā)條”擰緊，產(chǎn)生多個耀斑爆發(fā)。

大耀斑爆發(fā)的同時，一般也伴隨著另一種太陽爆發(fā)——日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生。如果將耀斑看做雷電，那么日冕物質(zhì)拋射就是一陣暴風(fēng)雨。從太陽出發(fā)，日冕物質(zhì)拋射最快十多個小時就可以到達(dá)地球、二十多小時就能到達(dá)火星。在日冕物質(zhì)拋射前驅(qū)的激波也會產(chǎn)生高能粒子流，有時還比耀斑產(chǎn)生的更劇烈。但好消息是，一旦我們監(jiān)測到太陽附近的日冕物質(zhì)拋射，宇航員的避險時間比耀斑爆發(fā)要長一些。

雖然某次特定的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的威力十分驚人，但這些太陽爆發(fā)現(xiàn)象并不是持續(xù)出現(xiàn)的，太陽爆發(fā)會出現(xiàn)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。

你以為航天員可以松一口氣了？并沒有，因為宇宙中還的輻射威脅可不止來自于太陽。

Part. 2

防不勝防的銀河宇宙線

一次超新星爆發(fā)的遺跡，這種現(xiàn)象是銀河宇宙線的來源之一。圖片來源：NASA

在更加遙遠(yuǎn)的太空中，發(fā)生著諸如超新星爆發(fā)等更劇烈的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的高能粒子流可以侵入太陽系之內(nèi)，到達(dá)地球和火星附近，威脅航天員的安全。與間歇發(fā)生的太陽耀斑所不同的是，由于銀河宇宙線的來源遍布全宇宙，因此它幾乎是持續(xù)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(qiáng)度就變得較低。而當(dāng)太陽活動降低時時，銀河宇宙線的強(qiáng)度就會隨之增強(qiáng)。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(hù)層，或轟擊宇宙飛船的外殼材料產(chǎn)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于遙遠(yuǎn)天體的銀河宇宙線此消彼長，共同構(gòu)成了除了極寒和接近真空外，太空中的又一個惡劣環(huán)境來源。雖然一次產(chǎn)生致命輻射劑量的太陽爆發(fā)相當(dāng)罕見，但在銀河宇宙線和規(guī)模相對小一些的太陽爆發(fā)的共同作用下，長時間執(zhí)行深空任務(wù)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(jīng)出現(xiàn)多個黑子群和活動區(qū)，一個X級（最強(qiáng)級別）的耀斑在當(dāng)天爆發(fā)。圖片來源：NASA

生活在地球上的人們，平時似乎并不需要對這些來自太空中的高能粒子擔(dān)心。事實上，宇宙線也的確不會對地球上的人們產(chǎn)生顯著的影響，這是因為大自然給予了地球磁場和濃厚的大氣層，為我們支起了抵御宇宙線的屏障。但如果我們離地面越遠(yuǎn)，宇宙線的輻射強(qiáng)度也會越高。例如，飛行在萬米高空的民航飛機(jī)，失去了一部分大氣的保護(hù)，乘客和機(jī)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(jī)乘客更大的輻射風(fēng)險。至于飛往月球的宇航員，風(fēng)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(hù)，進(jìn)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(qiáng)。如果像由第一枚獵鷹重型火箭發(fā)射升空的Starman那樣，開著敞篷跑車去火星，恐怕會是兇多吉少。

火星車在飛往火星的過程中，是“火星科學(xué)實驗室”飛船的乘客。降落到火星后才會開始獨(dú)自執(zhí)行任務(wù)。圖片來源：NASA

Part.?3

要去火星，還有很長的路要走

2012年發(fā)射的好奇號火星車上，搭載了一臺名為“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后，好奇號火星車所接收到的輻射劑量。在飛往火星和在火星著陸的過程中，好奇號實際是“火星科學(xué)實驗室”號飛船的乘客，而這艘飛船對宇宙線的防護(hù)水平與NASA未來執(zhí)行深空探測任務(wù)的載人飛船基本相當(dāng)，可以對未來宇航員可能受到的輻射進(jìn)行估計。RAD的結(jié)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(dāng)于NASA對宇航員在整個職業(yè)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著新火星人們。火星沒有較強(qiáng)的內(nèi)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(fēng)的吹拂下，火星的大氣逐漸被太陽風(fēng)侵蝕，變得稀薄，其密度僅相當(dāng)于地球大氣密度的1%。因此，火星的大氣也無法提供足夠的保護(hù)。

根據(jù)“火星奧德賽”號的探測數(shù)據(jù)，火星表面的平均輻射水平大約是國際空間站內(nèi)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(nèi)不會對人造成不可逆的傷害，但長時間的累積卻會帶來癌癥等各種健康風(fēng)險。內(nèi)華達(dá)大學(xué)的相關(guān)研究者在2017年發(fā)表的論文顯示，通過更優(yōu)化的傷害模型評估，火星輻射所帶來的健康風(fēng)險比人們之前認(rèn)識的要高一倍。在火星生活，更容易罹患癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、白內(nèi)障、循環(huán)系統(tǒng)疾病和急性輻射綜合癥。為了健康的生活，大部分時間內(nèi)火星移民們可能都不得不待在地下的庇護(hù)所中。

MAVEN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(rèn)識還比較有限，新的數(shù)據(jù)也在不斷刷新著我們的認(rèn)識。2017年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)MAVEN探測器在一次強(qiáng)烈的太陽爆發(fā)事件發(fā)生后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。太陽活動存在著11年的周期，每個太陽活動周的強(qiáng)度又會有所不同。距離我們最近的23和24太陽周強(qiáng)度都比之前幾個太陽周的強(qiáng)度要低不少，而在強(qiáng)度更高的太陽活動周中出現(xiàn)的幾十年一遇甚至百年或千年一遇的超強(qiáng)太陽風(fēng)暴，會讓火星移民們面臨怎樣的災(zāi)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。在火星安營扎債后，火星移民們?nèi)绾巫越o自足的從火星上獲取水、食物和能源，擴(kuò)大火星建筑的材料能否從火星表面提煉，火星移民的經(jīng)濟(jì)和社會秩序如何形成，是否存在和地球建立貿(mào)易往來的可能？這些問題的解決，需要探測器帶來新的數(shù)據(jù)，需要科學(xué)家們進(jìn)行進(jìn)一步的探索，而做幾個天馬行空的PPT、發(fā)幾條“激動人心”的推特，起到的僅僅是宣傳效果。

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

對于火星輻射問題，空間天氣學(xué)家們能做的是進(jìn)一步認(rèn)識太陽活動的規(guī)律，發(fā)展出更高效、更準(zhǔn)確的預(yù)報模型，更加準(zhǔn)確的估計宇宙線的強(qiáng)度，在太陽爆發(fā)事件發(fā)生之前及時發(fā)出預(yù)警。而航天工程師們則致力于研制出更輕巧、屏蔽效能更高的防護(hù)材料，給飛船和火星建筑提供更強(qiáng)的防護(hù)性能。相信當(dāng)火星移民真的能夠?qū)崿F(xiàn)的那天，去往火星的旅程一定是舒適而安全的。

出品：科普中國制作：李會超監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

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