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想移民去火星?留心宇宙異塵餘生

從不同波段觀察到的一次耀斑爆發現象。 (NANS)

在飛往火星的過程中,火星車是“火星科學實驗室”飛船的乘客。降落到火星後才會開始獨自執行任務。 (NANS)

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啟程,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,這些新移民的手機氣象APP中需要提供兩類氣象信息:一類與地球日常氣象一樣,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異塵餘生相關的空間氣象信息。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,異塵餘生問題都不可忽視。但與人們日常對異塵餘生諸多不合理的擔憂與恐懼不同,異塵餘生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,若乾年後,當空間氣象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號返回地球後幾個月、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西弗劑量的異塵餘生,超過一般認為的致死劑量3西弗。西弗的異塵餘生劑量有多大?大概相當於人體經受4萬次X光後所累積的異塵餘生。

這一異塵餘生的元凶太陽耀斑,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。也就是說,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采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。大型黑子群是孕育強耀斑的土壤,這些黑子群一般有著複雜日冕磁場結構,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,這些黑子群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,一般會伴隨著另一種太陽爆發——日冕物質拋射。如果將耀斑看作雷電,那麽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。

你以為航天員可以松一口氣了?並沒有,因為宇宙中的異塵餘生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布全宇宙,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異塵餘生,更加防不勝防。

也就是說,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,一次產生致命異塵餘生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異塵餘生。

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,宇宙線異塵餘生強度會隨之升高。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異塵餘生劑量就比地面要高。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異塵餘生風險。至於飛往月球的宇航員,風險將更大。

一旦去往火星,必須脫離地球磁層保護,進入深空飛行。此時,銀河宇宙線與太陽宇宙線異塵餘生均將更強,就像開著敞篷跑車去往火星,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“異塵餘生評估探測器”(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異塵餘生劑量。在飛往火星與在火星著陸過程中,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準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異塵餘生。

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西弗異塵餘生,相當於NASA對宇航員在職業生涯中總異塵餘生限制的62%。此外,就算到了火星,宇宙線問題仍繼續伴隨著人們。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,火星表面平均異塵餘生水準約為國際空間站內宇航員所受異塵餘生水準的2.5倍,是地球表面日常異塵餘生水準近13倍。這樣的異塵餘生水準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,火星異塵餘生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異塵餘生綜合征。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異塵餘生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異塵餘生水準,比好奇號火星車之前所測到的最高水準要高一倍。太陽活動存在11年周期,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周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,異塵餘生問題僅僅是移民火星之路上要解決的諸多問題之一。在火星安營扎寨後,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,對於火星異塵餘生問題,空間氣象學家們能做的是,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:哈爾濱工業大學(深圳) 李會超,本文授權轉自中國科普博覽,微信公眾號:kepubolan,略有刪改。]

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