太阳耀斑|想移民去火星？你可能要留心来自宇宙深处的辐射
出品：科普中国
制作：李会超
监制：中国科学院计算机网络信息中心
当又一个火星发射窗口来临 ， 阿联酋、中国和美国的三艘火星探测器将相继启程 ， 去往这个我们已经探测了60年的红色星球 。 载人短期登陆火星何时能够变成现实 ， 尚没有明确的时间表 ， 但作为太阳系中环境与地球最接近的行星 ， 在火星上建立新的栖息地 ， 已经是不少人的憧憬与幻想 。
如果人类未来真的在火星上生存 ， 这些火星新移民的手机上的天气APP中就需要提供两类天气信息：一类和地球上的日常天气一样 ， 是火星大气变化造成的风暴、沙尘等现象 。 另一类 ， 则是与宇宙线辐射相关的空间天气信息 。 无论是乘坐飞船往返于火星和地球之间 ， 还是在火星的表面生活 ， 辐射问题都不可忽视 。 和日常生活中对辐射的诸多不合理的担忧与恐惧不同的是 ， 辐射是登陆火星的确切威胁 ， 也是必须加以解决的问题 。
来自太阳的死亡威胁
1972年 ， 阿波罗登月计划已经接近尾声 ， 宇航员登月又成功返回的消息已经算不上什么引人关注的新闻 。 大家已经习惯了宇航员们乘坐飞船来往穿梭于地球和月球之间 ， 似乎只是出了一趟平常的远门 。 在阿波罗13号的有惊无险之后 ， 每次登月任务都能顺利开展 ， 宇航员也能平安返回 。
△阿波罗16号的宇航员正在月球表面工作 。 图片来源：NASA
然而 ， 若干年后 ， 当空间天气学家们对太阳活动有了更深入的认识后 ， 他们惊恐的发现 ， 原来阿波罗16号的宇航员曾经和足以夺取他们生命的灾难擦肩而过 。 1972年8月2日 ， 就在阿波罗16号刚刚返回地球后几个月、阿波罗17号正在准备发射时 ， 太阳爆发了一次巨大的耀斑 。 据估计 ， 如果耀斑爆发时宇航员刚好在月球表面活动 ， 这次耀斑将会让宇航员在短时间内受到4西弗剂量的辐射 ， 已经超过了一般认为的致死剂量3西弗 。
△从不同波段观察到的一次耀斑爆发现象 图片来源：NASA
4西弗的辐射剂量是多大？大概相当于人做了40000次胸透后所累积受到的辐射 。
太阳耀斑是太阳表面的一种爆发现象 ， 在太阳耀斑发生时 ， 磁场中储存的能量被快速释放 。 一次大耀斑释放的能量 ， 与成百上千颗氢弹同时爆炸释放的能量相当 。 这样巨大的能量 ， 可以将太阳日冕中的粒子加速到接近光速的速度 ， 向太空中奔去 。 这些高能粒子只需要几十分钟就能到达地球和火星附近 。 要知道 ， 光线到达地球和火星附近 ， 也需要数分钟的时间 。 也就是说 ， 当地球附近的探测器发现耀斑爆发的情况并给出警告后 ， 留给宇航做出反应并采取防护措施的时间很短 。
△黑子群及他们形成的复杂日冕磁场结构 。 图片来源ucar.edu
太阳耀斑是一种偶发性的爆发事件 。 当太阳表面的太阳黑子数量较多时 ， 爆发耀斑的可能性就更大 。 而大型的黑子群则是孕育强耀斑的地方 ， 这些黑子群之上 ， 一般有着复杂的日冕磁场结构 ， 在太阳内部对流的作用下 ， 磁场不断剪切、扭缠 ， 像一个越绷越紧的发条 ， 积蓄着能量并在瞬间释放 。 在消亡之前 ， 这些黑子群还会反复将日冕磁场的“发条”拧紧 ， 产生多个耀斑爆发 。
大耀斑爆发的同时 ， 一般也伴随着另一种太阳爆发——日冕物质抛射的发生 。 如果将耀斑看做雷电 ， 那么日冕物质抛射就是一阵暴风雨 。 从太阳出发 ， 日冕物质抛射最快十多个小时就可以到达地球、二十多小时就能到达火星 。 在日冕物质抛射前驱的激波也会产生高能粒子流 ， 有时还比耀斑产生的更剧烈 。 但好消息是 ， 一旦我们监测到太阳附近的日冕物质抛射 ， 宇航员的避险时间比耀斑爆发要长一些 。
虽然某次特定的太阳耀斑和日冕物质抛射的威力十分惊人 ， 但这些太阳爆发现象并不是持续出现的 ， 太阳爆发会出现一定的间歇期 ， 在太阳活动极小的年份 ， 这种间歇期还可能比较长 。
你以为航天员可以松一口气了？并没有 ， 因为宇宙中还的辐射威胁可不止来自于太阳 。
防不胜防的银河宇宙线
△一次超新星爆发的遗迹 ， 这种现象是银河宇宙线的来源之一 。 图片来源：NASA
在更加遥远的太空中 ， 发生着诸如超新星爆发等更剧烈的现象 。 这些现象产生的高能粒子流可以侵入太阳系之内 ， 到达地球和火星附近 ， 威胁航天员的安全 。 与间歇发生的太阳耀斑所不同的是 ， 由于银河宇宙线的来源遍布全宇宙 ， 因此它几乎是持续存在的 。 源自太阳的行星际磁场对银河宇宙线有一定的屏蔽作用 ， 在黑子比较多的太阳活动高年 ， 行星际磁场的磁通量有所增加 ， 银河宇宙线的强度就变得较低 。 而当太阳活动降低时时 ， 银河宇宙线的强度就会随之增强 。 银河宇宙线中存在一些原子量比较大的重元素高能粒子 ， 这些粒子甚至能穿透目前载人飞船使用的保护层 ， 或轰击宇宙飞船的外壳材料产生二次辐射 ， 更加防不胜防 。
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