宇宙对人类来说极度危险(图)


宇宙对人类来说极度危险。
宇宙对人类来说极度危险。(图片来源:Adobe Stock)

地球在历史上遭遇了无数陨石的袭击,有研究说导致恐龙灭绝的冰河时期就是由于陨石撞击地球导致气候变化所致。

不过,由于长地间的各种地质活动,目前,地球大部分地表撞击痕迹目前已经看不到了。同样,在太空中的月球也有类似地球的地理活动,因此陨石在月球上留下的痕迹现在还清晰可见。

MIT、布朗大学和NASA的研究人员利用NASA月球轨道侦察器收集的数据绘制月球表面地图,制作出一幅包含所有直径在20公里以上(总共5185个)的陨石坑地图,此图中可以看到月球伤痕累累的月表。可以看出宇宙中其实危机四伏,而正是通过此图我们不难想到地球的过去和未来。

此外辐射会破坏DNA甚至导致死亡。在充满辐射的太空中,如何才能保护航天员呢?

如果你想把航天员送往月球或者火星乃至更远的地方,那么人体能够承受多少辐射就成了一个关键的因素。这就需要找到一种方法能在旅途中保护航天员。从消化系统失调到中枢神经系统停止工作,暴露在辐射下的后果对于载人航天而言是极为严重的。

受到地球保护的人类

地球保护了我们免受宇宙中绝大部分辐射的侵袭。它的磁场会偏折或者俘获来自太阳的有害高能带电粒子。被俘获的粒子会在地磁场的南极和北极间游荡,构成了地球的范艾伦辐射带。地球大气还会散射和吸收宇宙线,进一步保护地球上的生命。

幸运的是,地球辐射带的位置比较远,国际空间站也在其保护之下不受大多数来袭辐射的影响。事实上,除了去往月球的空间任务之外,目前所有的载人空间飞行都在地球的磁层保护之下。

空间辐射中包含有电离的原子。这些原子的电子已经被剥离(电离),只剩下了原子核。它们在运动的过程中会被加速到接近光速的水平,具有了极高的能量。由此,它们可以打掉被它撞上的任何物质的电子。如果它们击中了一个航天器或者在更糟糕的情况下击中了人体,就有可能造成相当的损害。

无论是月球还是火星都没有可以起到保护作用的磁场,不过这些天体本身可以起到一定屏障的作用,阻挡从航天员脚下射来的空间辐射。而在太空中,这些辐射则会从各个方向袭来。

月球没有大气,火星的大气则很稀薄。虽然密度还不到地球的1%,但火星大气仍能阻挡绝大部分的入射太阳粒子。但不幸的是,它对于宇宙线却是“透明”的,这些来自太空的高能粒子可以抵达火星的表面。因此对位于地球磁层之外的人体进行辐射防护就成了一个重要的议题和严峻的挑战。

无处不在的有害的粒子

宇宙辐射有两大源头。第一个也是最显然的源头是太阳。太阳会不断地“吹出”粒子流,被称为“太阳风”。在太阳差不多为期11年的活动周期里,它会在“宁静”和“狂暴”间徘徊。在太阳活动极大期,太阳表面会布满黑子。太阳耀斑和日冕物质抛射也会频繁出现,向太空喷射数十亿吨的高能粒子。

当磁能在太阳表面附近累积到峰值时,就会产生太阳耀斑。它会在骤然间喷射出大量的高能粒子。当太阳磁场的磁力线折断、重联时就会发生日冕物质抛射。大型的日冕物质抛射可以以每小日寸几十万千米的速度向太空抛射出数+亿吨的带电粒子和高温气体。

在这两种事件发生的时候,几十分钟内最高能的粒子就会抵达地球。在太阳活动极大期,每天都会出现几个太阳耀斑和日冕物质抛射。即便是在太阳活动极小期,虽然其活跃程度会降低,但活动并不会停止。

事实上,太阳最猛烈的耀斑中有一些恰恰是在太阳活动极大期过去几年之后出现的。太阳爆发既难以预测又发生迅速,于是留给太空旅行者应对的时间就不多了。太阳耀斑要比日冕物质抛射更为普遍,可以造成严重的辐射伤害。如果人类想要真正进军太空的话,预报太阳活动就显得至关重要。

太空中第二个也相对容易预测的辐射源是宇宙线。宇宙线中包含了高能质子和其他较重元素的原子核。这些粒子被认为是在超新星爆发的过程中产生,会从四面八方轰击我们的太阳系。虽然它们运动的速度很快,但流量却不大。从氢到铁,这些原子核会严重地影响生物机能,其中尤以重核——例如,铁核——最为危险。

宇宙线中高度电离的粒子会对生物体组织造成严重的伤害,不过这些粒子的流量非常小。与之形成对比的是,即便是一次强烈的太阳粒子事件也只能产生极少量如此危险的粒子。不过,虽然太阳爆发中每个粒子的危险性远不及重核宇宙线,但它们的数量却要多得多。

宇宙线可以轻松地穿透航天器的舱体壁和航天员的皮肤。这是国际空间站上的航天员必须要面对的主要辐射源。宇宙线也是人类火星之旅的最大威胁,因为在太阳活动极小期时虽然来自太阳的危险减小了,但来自宇宙线的危险却会上升。当太阳活动减弱的时候,太阳磁场也会减弱,因此它无法有效地使得宇宙线发生偏折,宇宙线的强度就会随之升高。

危险的行业

航天员通常被分类成“职业性辐射工作人员”,即由于职业关系而暴露在高强度辐射下的人员。从1961年开始的“水星”计划起,美国航宇局(NASA)会对每次载人空间飞行进行辐射测量。在国际空间站严密保护下的航天员会使用辐射计量仪来监视辐射的强度。对辐射进行监测可以起到预警作用。在一次强太阳耀斑事件中,一个未加防护的航天员在几个小时内所承受的辐射量可以达到一个人每年最大安全辐射剂量的许多倍。

NASA安放在火星奥德赛探测器上的火星辐射环境实验(MARlE)在停止工作前搜集了火星周围辐射环境的数据。在2003年10月对太阳风暴进行记录的过程中它出现了故障,自己也成为了强辐射的受害者。

初步的研究结果显示,前往火星执行为期3年任务的航天员可能会暴露在接近NASA所设定的人类一生安全极限剂量的辐射之下。辐射防护问题有两大要点:辐射剂量率和暴露时间。防护的目标是削减其中一个或者两个来使得总剂量维持在可承受的水平上。

新的推进系统可以缩短前往火星的时间,由此减少暴露在辐射下的时间。当宇航员不得不暴露在空间环境中时,防护材料可以降低辐射剂量率。这些材料必须要能阻挡高能粒子以及由于辐射和防护材料相互作用而产生的次级辐射。

太阳质子在工程上是一个容易解决的问题。几厘米厚的防护材料就能把质子辐射剂量率降到比较低的程度。但是航天器上的防护材料对于高能宇宙线的抵挡作用十分有限。而且至今还没有人体数据能够让科学家对长期空间任务中宇宙线的危险性进行评估。

国际空间站上航天员会长时间驻留的地方,例如睡眠区,具有额外的防护。当他们预先知道有高能粒子来袭的时候,可以转移到这些舱体内。科学家发现低原子质量材料,例如氢,可以作为理想的辐射防护材料。含有大量氢的复合碳结构可以有效地阻挡辐射。在新的航天器的设计方案中,航天员的生活区会被水(富含氢)或者液态氢所包围。

塑料也因为其含有大量的氢而可以吸收辐射。NASA开发出了一中增强聚乙烯,其强度超过铝十倍,却要轻得多。它同时也已经被用作了国际空间站的防护材料之一。

未来的航天器或者是建造在其他天体上的基地还可能会采用等离子体或者是强磁场这样的主动防御手段。其中一个方案是使用电场来偏转入射的带电粒子。

航天员们也需要更先进的航天服,它们要能够经得起恶劣的空间环境,也要更为轻巧、灵活。设计者也许会在其中安装小型的传感器来对强辐射流进行预警。

太空辐射引发癌症

空间辐射所引发的癌症是对航天员健康的主要担忧。NASA以癌症风险来评定其危险性。长期暴露在辐射下的其他效应还包括了白内障、辐射病、对中枢神经和免疫系统的损伤以及可能的心脏病。有一些人会比另一些更易受到辐射的影响。而年纪越大的人风险越小,因为癌症没有足够的时间出现形成。

辐射会在分子的水平上影响人体的细胞。我们身体中的每个细胞部含有组成生命的要素DNA。当电离辐射穿透活体组织时,它可以把DNA打断。

长时间的低辐射剂量也许是可以应付的,因为人体有时间来修复这些损伤。但是在高辐射剂量下,例如一次强太阳耀斑,它的后果则要严重得多。细胞会被永久性的改变,并产生癌细胞。这一结果很难测量。在暴露在辐射下和出现肿瘤之间可能会间隔几十年。在极端情况下,细胞的损伤会使得机体组织停止工作,导致辐射病,甚至死亡。

科学家正在开发可以保护航天员免受这些损害尤其是可以预防癌症的食品强化剂和药物。因为无论怎么设计防护措施,粒子总能穿透它,导致航天员比地球上的人承受多得多的辐射。这会增大他们患上癌症和其他疾病的风险,所以通过药物和食品强化剂来降低这些风险就显得极为重要。

飞行到地球保护层之外的航天员会遇到大剂量的有害辐射。事实上,当宇宙线穿透他们的眼睛时,航天员还会看到蓝色的闪光(切伦科夫辐射),而很多退役的航天员多年之后都患上了白内障。

许多年前,科学家对空间辐射并不完全了解。虽然他们今天已经知道了更多,但并不足以能让航天员去安全地执行为期3年的空间任务。在能够大胆而安全地前往从未涉足过的星球之前,我们必须要了解空间飞行对人体的长期影响以及该如何保护我们自身。


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