另一个火星发射窗口即将到来,来自阿联酋、中国和美国的三个火星探测器将陆续为这颗我们探索了60年的红色星球发射。短期登陆火星何时能成为现实还没有明确的时间表。但是,作为太阳系中最接近地球环境的星球,在火星上建立新的栖息地——移民火星,是很多人的梦想和幻想,要不要去?

  科幻作品中出现的移民火星,现在似乎越来越接近现实。然而,如果人类真的想在火星上生存,这些新移民需要在他们的移动天气应用程序中提供两种类型的天气信息:一种与地球上的日常天气相同,即火星大气变化引起的风暴、灰尘等现象;另一个是与宇宙射线辐射相关的空间天气信息。无论是乘坐宇宙飞船在火星和地球之间旅行,还是生活在火星表面,辐射问题都不容忽视。然而,与人们日常生活中对辐射的不合理担忧和恐惧不同,辐射是登陆火星的确切威胁,必须直接面对。

  来自太阳的威胁

  1972年,美国阿波罗登月计划告一段落,人们开始习惯了宇航员乘坐宇宙飞船在地球和月球之间来回穿梭,这似乎只是一次漫长的旅行。

  然而,几年后,当空间气象学家对太阳活动有了更深入的了解时,他们惊恐地发现阿波罗16号的宇航员错过了一场足以夺走生命的灾难。1972年8月2日,就在阿波罗16号返回地球、阿波罗17号准备发射的几个月后,一场巨大的太阳耀斑爆发了。据科学家估计,如果在耀斑爆炸时宇航员碰巧在月球表面移动,他们将在短时间内暴露于剂量为4西弗的辐射中,超过通常认为的致死剂量3西弗。西弗的辐射剂量是多少?大致相当于人体经过40000次胸部x光照射后积累的辐射量。

  太阳耀斑是这种辐射的罪魁祸首,它是太阳表面的一种爆炸现象,可以导致储存在磁场中的能量迅速释放。一个大耀斑释放的能量相当于数百颗氢弹同时爆炸释放的能量,可以将日冕中的粒子加速到接近光速,跑向太空。在短短几分钟内,这些高能粒子可以到达地球和火星附近。也就是说,当地球附近的探测器发现耀斑爆炸并给出警告时,宇航员有很短的时间做出反应并采取保护措施。

  太阳耀斑是意外爆炸。太阳表面黑子越多,耀斑的可能性就越大。大黑子群是孕育强烈耀斑的土壤。这些黑子群一般都有复杂的日冕磁场结构。在太阳内部对流的作用下,磁场不断被剪切扭曲,就像弹簧越来越紧,瞬间积蓄能量释放出来。在消失之前,这些黑子群会反复收紧日冕磁场的“发条”,导致多次耀斑爆发。

  当大耀斑爆发时,通常伴随着另一次太阳爆发——日冕物质抛射。如果把耀斑看成雷电,那么日冕物质抛射就是风暴。从太阳开始,日冕物质抛射最早可以在10多个小时内到达地球,最早可以在20多个小时内到达火星。日冕物质抛射前的冲击波也会产生高能粒子流,有时比耀斑更猛烈。不过,有个好消息。一旦我们探测到太阳附近的日冕物质抛射,宇航员将需要比耀斑更长的时间来避免风险。

  尽管某个特定的太阳耀斑和日冕物质抛射的威力令人惊叹,但这些太阳爆发并不是持久的。太阳爆发会有一定的间歇期,在太阳活动最少的年份可能更长。

  你觉得宇航员能松一口气吗?不,因为宇宙中的辐射威胁不仅仅来自太阳。

  无法阻止的银河宇宙射线

  在更遥远的空间,超新星爆炸等现象更加强烈。这些现象产生的高能粒子可以侵入太阳系,到达地球和火星附近,威胁宇航员的安全。与间歇性太阳耀斑不同,银河宇宙射线几乎持续存在,因为它们起源于整个宇宙。来自太阳的行星际磁场对银河宇宙线有一定的屏蔽作用。在太阳黑子较多的高太阳活动年,行星际磁场磁通量增大,银河宇宙线强度变低。但是,当太阳活动减少时,银河宇宙线的强度会增加。此外,银河宇宙射线中还有一些原子量相对较大的重元素高能粒子,甚至可以穿透目前载人飞船的保护层,或者轰击飞船外壳材料产生二次辐射,这就更加难以防范。

  也就是说,起源于太阳耀斑的太阳宇宙线和起源于遥远天体的银河宇宙线正在发生变化,它们共同构成了空间中除了极冷和近真空之外的另一个恶劣环境源。虽然致命辐射剂量的太阳爆发相当罕见,但长期执行深空任务的宇航员在银河宇宙线和相对较小的太阳爆发的共同作用下,可能会积累过多的辐射。

  幸运的是,生活在地球上的人们不用担心这些来自太空的高能粒子。这是因为大自然给了地球磁场和厚厚的大气层,成为了抵御宇宙射线的天然屏障。一旦我们远离地面,宇宙射线的辐射强度就会增加。比如一架民用飞机在海拔10000米的高空飞行,失去了一些大气防护,乘客和机组人员的辐射剂量就高于地面。居住在低地球轨道的宇航员将比乘客承受更大的辐射风险。至于宇航员飞往月球,风险会更大。

  一旦你去了火星,你必须脱离地球磁层的保护,飞到太空深处。此时银河宇宙射线和太阳宇宙射线辐射会更强,就像开着敞篷跑车去火星,缺乏相应的防护,恐怕有危险。

  路还很长。

  2012年发射的好奇号探测器配备了一种称为辐射评估探测器(RAD)的仪器,用于测量好奇号探测器在飞往火星期间和在火星表面着陆后接收的辐射剂量。好奇号实际上是火星科学实验室飞往火星并在火星着陆期间的一名乘客。这种航天器对宇宙射线的防护等级基本相当于美国国家航空航天局(NASA)的载人航天器,未来将执行深空探测任务。估计宇航员将来可能受到的辐射是可能的。

  RAD探测结果显示,在往返火星的360天行程中,一名宇航员可能会受到0.662西弗辐射,相当于NASA对宇航员职业生涯总辐射限值的62%。另外,即使到了火星,宇宙射线问题还在继续伴随着人们。火星没有很强的内禀磁场,不可能像地球一样有自己的磁层。在太阳风的作用下,火星的大气层逐渐被侵蚀变薄,密度只有地球大气层的1%左右。因此,火星大气不能为人类提供足够的保护。

  根据火星奥德赛的数据,火星表面的平均辐射水平约为国际空间站宇航员的2.5倍,接近地球表面日辐射水平的13倍。这样的辐射水平不会在短时间内对人造成不可逆的伤害,但长期积累会带来癌症等各种健康风险。根据内华达大学研究人员2017年发表的一篇论文,火星辐射造成的健康风险是之前更优化的伤害模型估计的两倍。生活在火星上更容易患癌症、中枢神经系统疾病、白内障、循环系统疾病和急性辐射综合征。为了过上健康的生活,火星移民可能大部分时间不得不呆在地下避难所。

  目前,我们对飞往火星和火星表面辐射的了解仍然有限,新的数据不断刷新着人类的认知。2017年,科学家发现,在一次强烈的太阳爆发后,MAVEN探测器测量的辐射水平是好奇号探测器之前测量的最高水平的两倍。太阳活动有11年周期,每个周期的强度不同。最近的23和24个太阳周的强度比前几周低得多。火星移民应该如何面对在更高强度的太阳活动周发生的几十年一遇甚至百年一遇或千年一遇的超强太阳风暴?人类还不能回答。

  事实上,辐射只是火星之旅中需要解决的众多问题之一。在火星上扎营后,火星移民如何从自身获得水、食物和能源,火星建筑的材料能否从火星表面提取,火星移民的经济社会秩序是如何形成的,是否有与地球建立贸易的可能性?这些问题需要科学家进一步探索,需要新的检测数据一点一点解决。

  目前空间气象学家能做的,就是进一步了解太阳活动规律,开发更高效、更准确的预测模型,从而更准确地估算宇宙射线强度,在太阳爆发前给出预警。航天工程师致力于开发更轻、屏蔽效率更高的防护材料,为航天器和火星建筑提供更强的防护性能。我相信,当火星移民实现后,火星之旅将会是舒适而安全的。

  【作者:哈尔滨工业大学(深圳),此文授权转自中国科普博览,微信微信官方账号:kepubolan,略删。】