太陽質子事件的危害

編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

太陽質子事件是太陽風暴帶來的最具破壞性的空間天氣現象之一。質子事件發生時，地球周圍如同遭遇了一場的高能帶電粒子「暴雨」的襲擊，這些高能帶電粒子就如同高速飛行的子彈一般，能夠擊穿幾毫米厚的金屬，具有很強的破壞性。大量高能粒子的襲擊有可能毀壞地球軌道上的衛星，並威脅到太空中宇航員的生命安全。

威脅在軌航天器

太陽質子事件期間，航天器軌道上的高能帶電粒子會突然增強，給在軌航天器的安全運行帶來巨大的威脅。由於地磁場對高能帶電粒子的屏蔽作用，不同軌道的航天器受到的影響其實大不相同。高軌道航天器，比如同步軌道衛星，由於遠離地球，地磁場的屏蔽作用已十分微弱，質子事件對它的影響往往比較嚴重；低軌道航天器，比如神舟飛船軌道，地磁場將絕大多數的太陽爆發粒子都阻擋在外，質子事件的影響就要小很多。對低軌道航天器來說，軌道傾角越高，質子事件的影響越大，比如國際空間站的傾角為51.6°，天宮二號軌道為42.4°，雖然它們的軌道高度相差不多，但質子事件對國際空間站的影響比天宮二號更大一些。

圖1 2015年400km高度上的地磁垂直截止剛度（Tsy89-Boberg，Dst=-300）紅色虛線之間為天宮二號軌道範圍

威脅太空中的航天員

與在軌衛星一樣，在軌航天員同樣受到太陽質子事件的巨大威脅，太陽質子事件產生的高能粒子流與地面放射性物質發出的射線一樣具有致命的放射性，它們能夠穿透航天服和太空艙，引起航天員身體器官的物理損傷。

高能粒子主要是通過兩種機制危害人體的細胞組織，一是直接造成生物活性大分子斷裂、脫落，導致直接損傷；二是與身體中大量的水分子產生自由基，這些自由基進一步與生物分子發生化學反應，造成間接損傷。最終的人體輻射效應危害是非常複雜的，其嚴重程度主要與所受到的輻射劑量大小有關，人體受到高劑量的高能粒子輻射會引起皮膚、骨髓等器官的急性損傷（比如引起白內障），嚴重時甚至會危及生命，而在低劑量輻照情況下，高能粒子可能誘發細胞產生變異，變異細胞可以發生遺傳變化或導致癌變的嚴重後果，因此在載人航天任務中，航天員的接受的輻射劑量是受到嚴格的控制的，而質子事件正是航天員在空間環境中面臨的最危險因素之一。

為了保障在軌航天員免受高能粒子輻射的嚴重影響，載人航天任務實施過程中採取了大量的輻射防護措施，包括對太陽質子事件進行監測預警，制定各種情況下飛行計劃與操作預案，在航天器中建造專門的輻射避難裝置等等，儘可能地使宇航員受到的輻射降低到安全程度。載人飛行對輻射危害防護的案例之一就是美國的阿波羅任務。阿波羅飛行任務從1967年底至1972年底結束，持續5年左右，其中有11次載人飛行，6次登月。阿波羅任務期處於太陽第20活動周的峰年和下降年，太陽風暴頻發，基本上每年都多次發生太陽質子事件，而且在1972年8月發生了有記錄以來的最大太陽質子事件。但NASA對太陽質子事件的防護極為成功，除1972年4月底「阿波羅」16號返回途中遭遇到小的太陽質子事件，其餘飛行都成功避開了太陽質子事件。這要歸功於NASA開展的空間環境監測預報及輻射防護工作，有力保障了整個載人登月任務順利完成。

圖4 阿波羅任務期發生的太陽質子事件，藍色線條表示質子事件發生的時間，藍色線條的長度表示這次事件可能造成的輻射劑量，灰色線條表示各任務飛行在軌時間（圖片來自網路）

對航空飛行的影響

太陽質子事件發生時，大量的高能質子如同暴雨般襲擊地球，幸運的是，我們的地球有兩個可靠的保護傘，強大的磁場和厚厚的大氣，磁場會使飛向地球的帶電粒子發生偏轉而遠離地球，能量越低，越容易被偏轉，能夠達到地球表面附近的大部分帶電粒子也會被地球稠密的大氣消耗殆盡，因此生活在地面上的人們幾乎覺察不到太陽質子事件的發生。但是在飛機飛行的高度，太陽質子事件的影響還是不容忽視的，而那些被阻擋在大氣層中的高能粒子其實並沒有完全消失，它們與大氣中的氮、氧原子，發生連續的核反應併產生大量的次級粒子，次級粒子主要分布在十幾公里高度的大氣中，因而對航空飛行造成影響，1989年的特大質子事件期間，協和式飛機在巴黎和華盛頓之間飛行時，受到了50毫雷姆/小時的輻射劑量，超過了警戒水平。另外，質子事件造成的極蓋吸收事件也會影響極區的無線通訊，會對跨極區的飛行造成影響。

圖5 2017年9月10日 10km高度上太陽質子事件引起的有效劑量（μSv/h）

來源：中國科學院國家空間科學中心

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