想移民去火星？留心宇宙輻射

又一個火星發射窗口來臨，阿聯酋、中國與美國的3艘火星探測器將相繼啓程，去往這個我們探測了60年的紅色星球。短期登陸火星何時能夠照進現實，尚無明確時間表，但作為太陽系中與地球環境最接近的行星，在火星建立新的棲息地已是不少人的憧憬與幻想——移民火星，你想去嗎？

移民火星，這一出現於科幻作品中的橋段，如今距離照進現實似乎越來越近。然而，如果人類真要在火星生存，這些新移民的手機天氣APP中需要提供兩類天氣信息：一類與地球日常天氣一樣，是火星大氣變化造成的風暴、沙塵等現象；另一類則是與宇宙線輻射相關的空間天氣信息。無論是乘坐飛船往返火星與地球之間，還是在火星表面生活，輻射問題都不可忽視。但與人們日常對輻射諸多不合理的擔憂與恐懼不同，輻射是登陸火星的確切威脅，必須直視。

來自太陽的威脅

1972年，美國阿波羅登月計劃接近尾聲，人們已經習慣了宇航員們乘坐飛船來往穿梭於地球與月球之間，似乎只是出了一趟遠門。

然而，若干年後，當空間天氣學家們對太陽活動有了更深入認識，他們驚恐地發現，原來阿波羅16號宇航員曾與足以奪取生命的災難擦肩而過——1972年8月2日，就在阿波羅16號返回地球后幾個月、阿波羅17號準備發射時，太陽爆發了一次巨大耀斑。據科學家估計，耀斑爆發時，如果宇航員剛好在月球表面活動，將會在短時間內受到4西弗劑量的輻射，超過一般認為的致死劑量3西弗。西弗的輻射劑量有多大？大概相當於人體經受4萬次胸透後所累積的輻射。

這一輻射的元兇太陽耀斑，是太陽表面的一種爆發現象，能導致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，可以將太陽日冕中的粒子加速到接近光速向太空中奔去。僅需幾十分鐘，這些高能粒子就能到達地球與火星附近。也就是説，當地球附近探測器發現耀斑爆發並給出警告後，留給宇航員做出反應並採取防護措施的時間很短。

太陽耀斑是一種偶發性爆發事件。當太陽表面的太陽黑子數量較多時，爆發耀斑的可能性更大。大型黑子羣是孕育強耀斑的土壤，這些黑子羣一般有着複雜日冕磁場結構，在太陽內部對流作用下，磁場不斷剪切、扭纏，如同越繃越緊的發條不斷積蓄能量，並在瞬間釋放。消亡之前，這些黑子羣會反覆將日冕磁場的“發條”擰緊，產生多個耀斑爆發。

大耀斑爆發的同時，一般會伴隨着另一種太陽爆發——日冕物質拋射。如果將耀斑看作雷電，那麼日冕物質拋射就是一陣暴風雨。從太陽出發，日冕物質拋射最快10多個小時即可到達地球、20多個小時就能到達火星。日冕物質拋射前的激波也會產生高能粒子流，有時還比耀斑更劇烈。不過有個好消息，一旦我們監測到太陽附近日冕物質拋射，宇航員的避險時間比耀斑爆發要長一些。

雖然某次特定太陽耀斑與日冕物質拋射威力十分驚人，但是這些太陽爆發現象並不是持續出現的。太陽爆發會出現一定間歇期，在太陽活動極小年份，這種間歇期還可能比較長。

你以為航天員可以鬆一口氣了？並沒有，因為宇宙中的輻射威脅可不止來自於太陽。

防不勝防的銀河宇宙線

在更加遙遠的太空中，諸如超新星爆發等現象更為劇烈。這些現象產生的高能粒子流可以侵入太陽系之內，到達地球與火星附近，威脅航天員安全。與間歇發生的太陽耀斑不同，由於銀河宇宙線來源遍佈全宇宙，它幾乎持續存在。源自太陽的行星際磁場對銀河宇宙線具有一定屏蔽作用，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，銀河宇宙線強度會變得較低。然而，當太陽活動降低時，銀河宇宙線強度會隨之增強。此外，銀河宇宙線中存在一些原子量比較大的重元素高能粒子，甚至能穿透目前載人飛船保護層，或轟擊宇宙飛船外殼材料產生二次輻射，更加防不勝防。

也就是説，源自太陽耀斑的太陽宇宙線與源於遙遠天體的銀河宇宙線此消彼長，共同構成極寒與接近真空以外，太空中又一個惡劣環境來源。雖然，一次產生致命輻射劑量的太陽爆發相當罕見，但在銀河宇宙線與規模相對小的太陽爆發共同作用下，長時間執行深空任務的宇航員可能會累積下超量輻射。

幸運的是，生活在地球上的人們無需對這些來自太空中的高能粒子擔心。這是因為大自然給予了地球磁場和濃厚的大氣層，成為抵禦宇宙線的天然屏障。一旦我們遠離地面，宇宙線輻射強度會隨之升高。例如，民航飛機飛行在萬米高空失去一部分大氣的保護，乘客與機組人員所受輻射劑量就比地面要高。在低地球軌道中生活的宇航員，則會承受比飛機乘客更大的輻射風險。至於飛往月球的宇航員，風險將更大。

一旦去往火星，必須脱離地球磁層保護，進入深空飛行。此時，銀河宇宙線與太陽宇宙線輻射均將更強，就像開着敞篷跑車去往火星，缺乏相應防護，恐怕凶多吉少。

還有很長的路要走

2012年發射的好奇號火星車上，搭載了一台名為“輻射評估探測器”（RAD）的儀器，用來測量在飛往火星途中與降落在火星表面後，好奇號火星車所接收的輻射劑量。在飛往火星與在火星着陸過程中，好奇號實際是“火星科學實驗室”號飛船的乘客，而這艘飛船對宇宙線的防護水平與美國國家航空航天局（NASA）未來執行深空探測任務的載人飛船基本相當，可以估計未來宇航員可能受到的輻射。

RAD探測結果顯示，在來往火星共約360天的路程中，一位宇航員可能受到0.662西弗輻射，相當於NASA對宇航員在職業生涯中總輻射限制的62%。此外，就算到了火星，宇宙線問題仍繼續伴隨着人們。火星沒有較強的內稟磁場，無法像地球那樣擁有自己的磁層。在太陽風吹拂下，火星大氣逐漸被侵蝕，變得稀薄，密度僅相當於地球大氣密度的1%左右。因此，火星大氣無法為人類提供足夠保護。

根據“火星奧德賽”號的探測數據，火星表面平均輻射水平約為國際空間站內宇航員所受輻射水平的2.5倍，是地球表面日常輻射水平 近13倍。這樣的輻射水平短時間內不會對人造成不可逆傷害，但長時間累積會帶來癌症等各種健康風險。美國內華達大學研究者在2017年發表論文顯示，通過更優化的傷害模型評估，火星輻射帶來的健康風險比此前預計要高一倍。在火星生活，更容易罹患癌症、中樞神經系統疾病、白內障、循環系統疾病與急性輻射綜合徵。為了健康生活，大部分時間內，火星移民們可能不得不待在地下庇護所中。

目前，我們對飛往火星與火星表面輻射狀況的認識仍比較有限，新數據在不斷刷新人類認知。2017年，科學家發現MAVEN探測器在一次強烈太陽爆發事件後測量到的輻射水平，比好奇號火星車之前所測到的最高水平要高一倍。太陽活動存在11年週期，每個太陽活動周強度又有所不同。距離我們最近的23與24太陽周強度均比之前幾周強度低不少，而在強度更高太陽活動週中出現的幾十年一遇，甚至百年或千年一遇的超強太陽風暴，火星移民們要怎樣面對？人類尚無法回答。

實際上，輻射問題僅僅是移民火星之路上要解決的諸多問題之一。在火星安營紮寨後，火星移民們如何自給自足獲取水、食物與能源，擴大火星建築的材料能否從火星表面提煉，火星移民的經濟與社會秩序如何形成，是否存在與地球建立貿易往來的可能？這些問題需要科學家們進一步探索，需要新的探測數據一點點解答。

目前，對於火星輻射問題，空間天氣學家們能做的是，進一步認識太陽活動規律，發展出更高效、更準確的預報模型，從而更加準確估計宇宙線強度，在太陽爆發事件發生之前及時發出預警。航天工程師們則致力於研製出更輕巧、屏蔽效能更高的防護材料，給飛船與火星建築提供更強防護性能。相信當火星移民真正實現的那一天，去往火星的旅程一定舒適而安全。

［作者單位：哈爾濱工業大學（深圳），本文授權轉自中國科普博覽，微信公眾號：kepubolan，略有刪改。］