宇宙對人類來說極度危險(圖)

2019-08-30 05:59 桌面版 简体 1
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宇宙對人類來說極度危險。
宇宙對人類來說極度危險。(圖片來源:Adobe Stock)

地球在歷史上遭遇了無數隕石的襲擊,有研究說導致恐龍滅絕的冰河時期就是由於隕石撞擊地球導致氣候變化所致。

不過,由於長地間的各種地質活動,目前,地球大部分地表撞擊痕跡目前已經看不到了。同樣,在太空中的月球也有類似地球的地理活動,因此隕石在月球上留下的痕跡現在還清晰可見。

MIT、布朗大學和NASA的研究人員利用NASA月球軌道偵察器收集的數據繪製月球表面地圖,製作出一幅包含所有直徑在20公里以上(總共5185個)的隕石坑地圖,此圖中可以看到月球傷痕纍纍的月表。可以看出宇宙中其實危機四伏,而正是通過此圖我們不難想到地球的過去和未來。

此外輻射會破壞DNA甚至導致死亡。在充滿輻射的太空中,如何才能保護航天員呢?

如果你想把航天員送往月球或者火星乃至更遠的地方,那麼人體能夠承受多少輻射就成了一個關鍵的因素。這就需要找到一種方法能在旅途中保護航天員。從消化系統失調到中樞神經系統停止工作,暴露在輻射下的後果對於載人航天而言是極為嚴重的。

受到地球保護的人類

地球保護了我們免受宇宙中絕大部分輻射的侵襲。它的磁場會偏折或者俘獲來自太陽的有害高能帶電粒子。被俘獲的粒子會在地磁場的南極和北極間遊蕩,構成了地球的范艾倫輻射帶。地球大氣還會散射和吸收宇宙線,進一步保護地球上的生命。

幸運的是,地球輻射帶的位置比較遠,國際空間站也在其保護之下不受大多數來襲輻射的影響。事實上,除了去往月球的空間任務之外,目前所有的載人空間飛行都在地球的磁層保護之下。

空間輻射中包含有電離的原子。這些原子的電子已經被剝離(電離),只剩下了原子核。它們在運動的過程中會被加速到接近光速的水平,具有了極高的能量。由此,它們可以打掉被它撞上的任何物質的電子。如果它們擊中了一個航天器或者在更糟糕的情況下擊中了人體,就有可能造成相當的損害。

無論是月球還是火星都沒有可以起到保護作用的磁場,不過這些天體本身可以起到一定屏障的作用,阻擋從航天員腳下射來的空間輻射。而在太空中,這些輻射則會從各個方向襲來。

月球沒有大氣,火星的大氣則很稀薄。雖然密度還不到地球的1%,但火星大氣仍能阻擋絕大部分的入射太陽粒子。但不幸的是,它對於宇宙線卻是「透明」的,這些來自太空的高能粒子可以抵達火星的表面。因此對位於地球磁層之外的人體進行輻射防護就成了一個重要的議題和嚴峻的挑戰。

無處不在的有害的粒子

宇宙輻射有兩大源頭。第一個也是最顯然的源頭是太陽。太陽會不斷地「吹出」粒子流,被稱為「太陽風」。在太陽差不多為期11年的活動週期裡,它會在「寧靜」和「狂暴」間徘徊。在太陽活動極大期,太陽表面會佈滿黑子。太陽耀斑和日冕物質拋射也會頻繁出現,向太空噴射數十億噸的高能粒子。

當磁能在太陽表面附近累積到峰值時,就會產生太陽耀斑。它會在驟然間噴射出大量的高能粒子。當太陽磁場的磁力線折斷、重聯時就會發生日冕物質拋射。大型的日冕物質拋射可以以每小日寸幾十萬千米的速度向太空拋射出數+億噸的帶電粒子和高溫氣體。

在這兩種事件發生的時候,幾十分鐘內最高能的粒子就會抵達地球。在太陽活動極大期,每天都會出現幾個太陽耀斑和日冕物質拋射。即便是在太陽活動極小期,雖然其活躍程度會降低,但活動並不會停止。

事實上,太陽最猛烈的耀斑中有一些恰恰是在太陽活動極大期過去幾年之後出現的。太陽爆發既難以預測又發生迅速,於是留給太空旅行者應對的時間就不多了。太陽耀斑要比日冕物質拋射更為普遍,可以造成嚴重的輻射傷害。如果人類想要真正進軍太空的話,預報太陽活動就顯得至關重要。

太空中第二個也相對容易預測的輻射源是宇宙線。宇宙線中包含了高能質子和其他較重元素的原子核。這些粒子被認為是在超新星爆發的過程中產生,會從四面八方轟擊我們的太陽系。雖然它們運動的速度很快,但流量卻不大。從氫到鐵,這些原子核會嚴重地影響生物機能,其中尤以重核——例如,鐵核——最為危險。

宇宙線中高度電離的粒子會對生物體組織造成嚴重的傷害,不過這些粒子的流量非常小。與之形成對比的是,即便是一次強烈的太陽粒子事件也只能產生極少量如此危險的粒子。不過,雖然太陽爆發中每個粒子的危險性遠不及重核宇宙線,但它們的數量卻要多得多。

宇宙線可以輕鬆地穿透航天器的艙體壁和航天員的皮膚。這是國際空間站上的航天員必須要面對的主要輻射源。宇宙線也是人類火星之旅的最大威脅,因為在太陽活動極小期時雖然來自太陽的危險減小了,但來自宇宙線的危險卻會上升。當太陽活動減弱的時候,太陽磁場也會減弱,因此它無法有效地使得宇宙線發生偏折,宇宙線的強度就會隨之升高。

危險的行業

航天員通常被分類成「職業性輻射工作人員」,即由於職業關係而暴露在高強度輻射下的人員。從1961年開始的「水星」計畫起,美國航宇局(NASA)會對每次載人空間飛行進行輻射測量。在國際空間站嚴密保護下的航天員會使用輻射計量儀來監視輻射的強度。對輻射進行監測可以起到預警作用。在一次強太陽耀斑事件中,一個未加防護的航天員在幾個小時內所承受的輻射量可以達到一個人每年最大安全輻射劑量的許多倍。

NASA安放在火星奧德賽探測器上的火星輻射環境實驗(MARlE)在停止工作前蒐集了火星周圍輻射環境的數據。在2003年10月對太陽風暴進行記錄的過程中它出現了故障,自己也成為了強輻射的受害者。

初步的研究結果顯示,前往火星執行為期3年任務的航天員可能會暴露在接近NASA所設定的人類一生安全極限劑量的輻射之下。輻射防護問題有兩大要點:輻射劑量率和暴露時間。防護的目標是削減其中一個或者兩個來使得總劑量維持在可承受的水平上。

新的推進系統可以縮短前往火星的時間,由此減少暴露在輻射下的時間。當宇航員不得不暴露在空間環境中時,防護材料可以降低輻射劑量率。這些材料必須要能阻擋高能粒子以及由於輻射和防護材料相互作用而產生的次級輻射。

太陽質子在工程上是一個容易解決的問題。幾釐米厚的防護材料就能把質子輻射劑量率降到比較低的程度。但是航天器上的防護材料對於高能宇宙線的抵擋作用十分有限。而且至今還沒有人體數據能夠讓科學家對長期空間任務中宇宙線的危險性進行評估。

國際空間站上航天員會長時間駐留的地方,例如睡眠區,具有額外的防護。當他們預先知道有高能粒子來襲的時候,可以轉移到這些艙體內。科學家發現低原子質量材料,例如氫,可以作為理想的輻射防護材料。含有大量氫的復合碳結構可以有效地阻擋輻射。在新的航天器的設計方案中,航天員的生活區會被水(富含氫)或者液態氫所包圍。

塑料也因為其含有大量的氫而可以吸收輻射。NASA開發出了一中增強聚乙烯,其強度超過鋁十倍,卻要輕得多。它同時也已經被用作了國際空間站的防護材料之一。

未來的航天器或者是建造在其他天體上的基地還可能會採用等離子體或者是強磁場這樣的主動防禦手段。其中一個方案是使用電場來偏轉入射的帶電粒子。

航天員們也需要更先進的航天服,它們要能夠經得起惡劣的空間環境,也要更為輕巧、靈活。設計者也許會在其中安裝小型的傳感器來對強輻射流進行預警。

太空輻射引發癌症

空間輻射所引發的癌症是對航天員健康的主要擔憂。NASA以癌症風險來評定其危險性。長期暴露在輻射下的其他效應還包括了白內障、輻射病、對中樞神經和免疫系統的損傷以及可能的心臟病。有一些人會比另一些更易受到輻射的影響。而年紀越大的人風險越小,因為癌症沒有足夠的時間出現形成。

輻射會在分子的水平上影響人體的細胞。我們身體中的每個細胞部含有組成生命的要素DNA。當電離輻射穿透活體組織時,它可以把DNA打斷。

長時間的低輻射劑量也許是可以應付的,因為人體有時間來修復這些損傷。但是在高輻射劑量下,例如一次強太陽耀斑,它的後果則要嚴重得多。細胞會被永久性的改變,並產生癌細胞。這一結果很難測量。在暴露在輻射下和出現腫瘤之間可能會間隔幾十年。在極端情況下,細胞的損傷會使得機體組織停止工作,導致輻射病,甚至死亡。

科學家正在開發可以保護航天員免受這些損害尤其是可以預防癌症的食品強化劑和藥物。因為無論怎麼設計防護措施,粒子總能穿透它,導致航天員比地球上的人承受多得多的輻射。這會增大他們患上癌症和其他疾病的風險,所以通過藥物和食品強化劑來降低這些風險就顯得極為重要。

飛行到地球保護層之外的航天員會遇到大劑量的有害輻射。事實上,當宇宙線穿透他們的眼睛時,航天員還會看到藍色的閃光(切倫科夫輻射),而很多退役的航天員多年之後都患上了白內障。

許多年前,科學家對空間輻射並不完全瞭解。雖然他們今天已經知道了更多,但並不足以能讓航天員去安全地執行為期3年的空間任務。在能夠大膽而安全地前往從未涉足過的星球之前,我們必須要瞭解空間飛行對人體的長期影響以及該如何保護我們自身。

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