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宇航员在太空究竟会受到多少辐射伤害?

作者: admin 来源: 环球科学


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国际空间站的三名宇航员Tim Peake, Yuri Malenchenko Tim Kopra 经过六个月的旅程之后即将返回地球。图片来源:NASA/Victor Zelentsov

 

太空对人类来说的确不是一个宜居的环境。没有空气以供呼吸,微重力环境会消磨你的骨骼和肌肉使其退,而且还要受制于大量的高能带电粒子辐射。些都会破坏构成我们身体细胞的原子和分子,进而对细胞造成损伤。

那么宇航员踏上国际空间站为期六个月的旅程,这些辐射来自哪里?准确的来说,他们又会暴露在多少射之下呢?随着最近一次征太空的宇航员们即将返回地球安全的怀抱,我将会研究他们带回的数据,一探究竟。

美国国家海洋大气管理局利用搭载在五颗极地轨道卫星上的仪器来监测近地轨道的辐射水平。这些卫星处在每101分钟环绕地球一周的轨道上,而这个轨道的高度与国际空间站的高度相当。由于地球也在自转,这使得我们每天都能构建起一个非常全面的空间辐射图景。通过整理空间站每天飞过位置的辐射图像,我们便能计算出宇航员所受到的辐射总量。

 

辐射来源

 

那么所有这些辐射来自哪里呢?其中一些是太阳辐射;另外,源于我们银河系内未知区域的宇宙线也是一个来源,不过相比而言这个效应是最小的。地球磁场(行星际空间的微弱磁场在一定程度上也可)使太空中大部分辐射偏而不射入地球,这意味着宇航员在六个月之间所受到的源于宇宙射线的辐射仅有6焦耳这相当于一个普通美国公民43间暴露在地面辐射源(例如岩石)之下所受到的辐射总量。

但是对于远离地球磁场保护的空间任务来说,宇宙线的辐射将会是一个很严重的问题。好奇者火星车在去往火星的旅途中为我们提供了关于宇宙射线辐射的关键数据。数据显示宇宙线辐射水平比我们预计的还要高。一个往返火星的载人航行任务将会使宇航员暴露在大银河系宇宙线辐射之下,而这个辐射水平高达临床建议的辐射致癌限的四倍。

 

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图中环绕地球的紫色部分表示一冷的带电气体,称为等离子球。它与图中以灰色表示的地球辐射带(范艾伦辐射带)中的粒子相互作用,形成一个电子无法穿透的保护层,阻挡高速电子靠近地球。图片来源:NASA/Goddard

 

事实上,在国际空间站上辐射的主要来源是一小片南美海域,我们称之为南大西洋异常区。这个区域十分古怪,它的磁场比周围地区弱。这一点非常重要,因为这意味着这区域很难将来自太阳和范艾伦辐射带内圈的带电粒子反射回空间。(范艾伦辐射带是环绕地球上空100060,000千米个甜甜圈状的辐射区域。)除了南大西洋异常区,这种反射作用发生在远高于空间站轨道的海拔高度。然而在异常区,这些粒子则可以穿透到低于空间站的海拔高度,330km435km

尽管空间站每天受到的辐射威胁仅仅有几分钟,设计者仍然不得不考虑到这一因素,相比原先的计划增加辐射防护板。因而,这些辐射带为载人空间任务带来严峻的考验。只有在阿波罗计划的时候,我们曾宇航员完全的暴露在辐射之下,但幸运的是巧妙的航行路线和较短的暴露时间使得辐射剂量有所降低。美国国家航空航天局坦言,保护宇航员免受辐射伤害仍是目前的一个主要焦点。他们计划了大量非载人试验以检验目前防护技术的效果。

 

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空间站遥望地球的极光景象

 

最后一个辐射来源是在所谓的光圈之内。来自太阳的高能粒子撞击地球顶层的大气,辐射出有色的光,只有靠近地球南北磁极的地方,你可以看到辐射在此处的效应。由于空间站轨道的纬度低于这一现象经常发生的度,通常宇航员只是可以目睹这美丽的场景。然而由太阳活动引发的所谓的地磁暴期间,极光有时会恰好发生在空间站可能经过的低纬地区。

而这种空间站穿越极光圈的现象在过去的六个月之中确实发生过几次,那期间至少有两次重大级别的地磁风暴。当遇到风暴预警时,宇航员们必须躲在最有效的防护舱内以保护自身安全。如何应对太阳活动带来的辐射(例如所谓的太阳耀发、太阳质子事件、日冕物质抛射等),仍然是将来载人空间飞行面临的严峻挑战

如果我把所有以上辐射事件都考虑在计算之内,那么宇航员在国际空间站六个月内所受的辐射总剂量多少呢?答案是大约300焦耳已经是足以致命的X射线的剂量。要知道我们在地球上个月内仅仅会受到0.07焦耳的辐射。

诚然长期辐射与短期强烈爆发的效果是截然不同的。事实上宇航员除非整整六个月都在舱外进行太空漫步,受到的辐射才会达到致命剂量。实际运行中,空间站本身可以很好的保护宇航员免受辐射威胁,并帮助他们把每天所受的辐射总剂量基本控制在我们在地面上一年所能达到的量,也就是说宇航员的辐射总量仍我们365。但是,对比已经足够惊人,警着我们当前载人航天飞行面临的挑战。


本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。

 

(翻译张雅鹏;审校:李昱

 

原文链接https://theconversation.com/how-much-radiation-damage-do-astronauts-really-suffer-in-space-60475

 

 

 


关于我

Martin Archer

Martin Archer英国伦敦女王大学,空间等离子体物理学家