如何保護宇航員在月球上不受太空輻射

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Credits: NASA

1972年8月，正如NASA科學家Ian Richardson所記得的那樣，是炎炎夏日。他在英格蘭薩里長大，田地是乾燥的棕色，人們試圖呆在室內：遠離太陽，開著電視。但那個月的幾天，他的電視畫面一直斷斷續續。「不要調整設置，」他回憶起BBC的聲明，「高溫不會造成干擾，是因為太陽黑子（sunspots）。」

當年8月4日至7日破壞電視信號的太陽黑子同時也導致了巨大的太陽耀斑（solar flares），即來自太陽的強大能量爆發。在阿波羅16號和17號任務期間，月球探測器險些遇到太陽爆發。如果當時在軌道上或在月球表面，它們可能會經歷由爆發引起的強烈輻射。今天，阿波羅時代的耀斑提醒人們，注意輻射對太空中技術和宇航員的威脅，了解並預測太陽爆發對太空探索的安全至關重要。

自1972年太陽風暴以來已有近50年的時間，NASA擁有的數據、技術、資源得到了改善，從而推動了空間天氣預報和宇航員保護的發展，這是NASA Artemis計劃（將宇航員送回月球）的關鍵。

太空輻射是宇航員安全登月的關鍵因素。NASA正在探索各種方法和技術以緩和太空旅行期間不同類型的輻射。

Credits: NASA』s Goddard Space Flight Center/Joy Ng

太空不是空的

如今，Richardson已是NASA戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）的科學家，他的研究方向正是太陽爆發產生的高能粒子。

除了耀斑之外，含有數十億噸太陽物質的巨大的雲偶爾會從太陽表面爆炸，稱之為日冕物質拋射（coronal mass ejection）。越來越多的科學家認為，日冕物質拋射在驅動太陽最強大的輻射（太陽高能粒子，SEPs）中起主導作用。

太陽高能粒子幾乎都是質子，運動速度很高，有些能在不到一個小時內到達1.5億公里外的地球。「當一艘船高速駛過水麵時，你可以看到船前方的波浪，」Richardson說，「同理，在快速日冕物質拋射前的衝擊波加速了它們之前的粒子。」

輻射（Radiation）是電磁波（electromagnetic waves）或粒子（particles）攜帶的能量。太陽高能粒子存在危害，因為它們可以穿透皮膚，釋放的能量會在途中弄碎細胞和DNA。這種損害會增加生命後期癌症的風險，極端情況下會在短期內引起急性放射病。

地球上的我們可以免受這種傷害：磁層（magnetosphere）可以偏轉大多數太陽粒子，大氣層可以減弱所有通過的粒子。國際空間站的軌道也在地球保護範圍內，而且船體本身也有助於保護機組人員免受輻射。

藍色表示的是地球的磁泡，稱為磁層。磁層可以自然防禦太空輻射，使大部分帶電的太陽粒子偏離地球。

Credits: And?ya Space Center/Trond Abrahamsen

但是，地球磁層外的探險者依然面對強烈的太空輻射。「無論是在軌道、運輸途中、還是行星表面，都存在著輻射的危險，」NASA人類太空飛行計劃的戈達德工程師Ruthan Lewis說，「從防禦技術到封閉性保護，我們在宇航員所處的每個環境中都在考慮這個問題。」

太空救生員

在休斯頓的約翰遜航天中心，一個充滿電腦屏幕和閃爍燈光的房間里，科學家們每天輪班工作，為太空站宇航員監測太空天氣狀況，他們被稱為太空環境官員（space environment officers）。這些科學家是太空的救生員：他們要時刻注意空間輻射的漲落。

每天， 約翰遜空間輻射分析小組的科學家要檢查國家海洋和大氣管理局空間天氣預報中心的空間天氣預報。他們負責警告任務控制小組潛在的太陽活動。如果太陽高能粒子活躍並且空間站恰好在地球磁層的保護外，他們可能會建議推遲需要離開安全站點的活動。無論宇航員在哪兒，團隊都會密切關注他們處於的太空環境。

約翰遜的科學家Kerry Lee 表示，「我們的策略是利用任何可用的質量。」機組人員和輻射之間的質量越大，危險粒子在到達機組人員之前就越有可能把能量用光。在月球上，宇航員可以利用附近的天然屏蔽材料，比如將月球土壤或風化土堆積在他們的避難所上。但是在航天器設計方面，依靠這種保護會很昂貴，因為更多的質量需要更多的燃料才能發射。

約翰遜團隊正致力於開發無需添加更多材料的屏蔽方法。「我們不太可能專門帶屏蔽輻射的質量上飛船，」Lee說，「我們帶的每件物品必須是多用途的。」

他們為獵戶座飛船上的宇航員設計了一個計劃，可以通過已有的物品建立一個臨時避難所，包括存儲單元、食物和水。如果發生與阿波羅時代一樣強大的太陽爆發，飛船上的工作人員可以安然無恙。

獵戶座飛船副衛生和醫療技術負責人Jessica Vos（前）和宇航員Anne McClain（後）在航天器中中展示輻射防護計劃。在太陽高能粒子活動期間，船員將使用積載袋（stowage bags）來建立一個防輻射棚。

Credits: NASA

NASA的其他團隊也在為應對輻射挑戰研究解決方案，比如開發背心和設備以增加質量，還有可以偏轉輻射的帶電平面。

太陽高能粒子

為保護宇航員，科學家需要知道太陽粒子風暴什麼時候發生。但粒子難以預測，我們並未完全了解太陽湍流爆發的本質。

「理想情況下，你可以觀察太陽上的一個活躍區域，看它是如何演變的，並試著預測它何時爆發，」Richardson解釋道，「但問題是，即使你可以預測耀斑和日冕物質拋射，實際上只有一小部分太陽活動會產生對宇航員有害的粒子。」

而且，就算我們知道太陽高能粒子何時爆發，因為受磁場影響，我們也很難預測它們的去向。磁場線是帶電粒子的高速公路，但隨著太陽旋轉，磁場線呈螺旋狀。場線中的扭結會迫使一些粒子「下高速」，所以它們可能在太陽系的任何一個角落。

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