科普丨空间不空：关于空间辐射的那些事

茫茫的太空，深邃而遥远。它看似空空荡荡，却又藏着许多奥秘。今天，我们一起来探索浩瀚太空里小小粒子的秘密。 太空有多大 所谓太空，是指地球大气层以外的宇宙空间，代表着极高的、深不可测的天空。近些年来，随着太空探索技术的发展，大家普遍以人造卫星离开地面的最低高度（100～110千米）作为外层空间的最低极限界限。 太空环境 与浩瀚的宇宙相比，人类的生活空间只存在于一个小小角落。我们熟悉的太阳、月亮和漫天繁星，对于宇宙来说也是微不足道的，毕竟在银河系的10万光年直径之外，还有至少930亿光年的空间。夜空里那些繁密的星，纵使有几百颗在同时眨眼，由于相互之间距离遥远，此生它们都不可能真正相见。 在太空里，除了有人们熟知的恒星、行星、卫星、彗星等天体，还有人造卫星，以及人造卫星的碎片和其他太空垃圾。高真空环境下的重力加速度不到地球的百分之一，因此像人类一样的碳基生命可能无法生存。目前为止，人类不确定是否有其他外星文明存在。所以传统认知上的太空，仍旧一片死寂。 然而，太空，真的什么都没有吗？ 太空，并不空 其实，真实的太空并不“太平”。在这里，各种天体会不停歇地向外辐射电磁波，例如太阳的电磁辐射。除此之外，许多天体还会向外辐射高能粒子，包括质子、中子、电子、重离子等。以“大火球”太阳为例，太阳宇宙射线辐射就是太阳在发生耀斑爆发时向外发射的高能粒子，而太阳风则是由日冕吹出的高能等离子体流。 太阳耀斑 而且，由于天体磁场的作用，会俘获如上述太阳“爆发”所射出的高能带电粒子，进而形成辐射很强的辐射带。其实，在我们的母星地球的上空，就有内、外两个辐射带。 随着深空探测技术的迅速发展，人类已经实现了载人航天和月球登陆，这些伟大的成就也让我们对未来的火星登陆、太空移民等充满了期待。然而，太空中存在的这些高能粒子，成为航空航天技术发展的巨大阻碍，使得人类在探索太空过程中所面临的辐射环境愈发复杂，甚至恐怖。 电影《火星救援》 辐射：空间飞行的天敌 人类在探索太空的进程中，需要研制出能在极端环境下使用、高性能且高可靠的航天器，因为飞行器所处的太空环境里，包括银河宇宙射线、太阳粒子事件、星体俘获辐射带等多种辐射。 银河宇宙射线 银河宇宙射线，顾名思义，就是由来自太阳系之外更广阔宇宙空间的高能粒子产生的辐射。在这种射线的组成成分中，绝大部分是质子，大约占比87%，其他还有少量电子、重离子等。银河宇宙射线能量很高，通量较低，一个平方厘米范围内，可能1s都不会有一颗粒子光顾。 虽然银河宇宙射线的粒子是来自太阳系之外的地方，但其也受到太阳活动周期的影响。太阳活动强烈时，银河宇宙射线会受到抑制；太阳活动平静时，银河宇宙射线则会更强。由于银河宇宙射线本身通量较小，同时受到地球磁场和大气的阻碍，只有极少能到达地球。而南极和北极地区由于地磁场分布方向的原因，受到银河宇宙射线的辐射量更高一些。 太阳粒子事件 太阳粒子事件也很好理解，就是由太阳活动而产生的辐射，这里主要指太阳耀斑活动。由于太阳耀斑活动中产生的粒子中绝大多数是质子，因此，太阳粒子事件也被称为太阳质子事件。 与银河宇宙射线相比，太阳粒子事件更受太阳活动周期影响。只不过太阳活动强烈的时候，太阳粒子事件就越强烈；太阳活动平静的时候，太阳粒子事件也越平静。当太阳粒子事件发生时，地球周围如同遭遇了一场高能带电粒子“暴雨”的袭击。此时卫星、空间站等太空设施，就很可能遭遇巨大灾难。 地球俘获辐射带 上图中这个像甜甜圈一样的辐射带，就是地球的星体俘获辐射带。它分为内、外两层，外辐射带主要捕获的是电子，内带主要俘获的是质子，能量可能高达500MeV。地球内层俘获辐射带比较稳定，外层俘获辐射带则容易受到太阳活动的强烈影响，稳定性较差。在内外层之间有一个带缝，奇妙的是，这个缝中空间是一个辐射很少的安全地带。 由此看到，太空的辐射环境十分复杂且强大。虽然星与星之间距离可达数光年，但却充斥着各种高能粒子。可这些粒子多大呢？来看下面的数据：质子的直径在（10^-15米）量级，大约是一个乒乓球的20000亿分之一大小；重离子的直径在（10^-10米）量级，也只是一个乒乓球的0.1亿分之一大小。与宇宙相比，高下立见！ 虽然它们很微小，破坏力却十分惊人。有史以来，很多飞行器已经因为它们搞出的“破坏”而中招，甚至引起了整个飞行任务的失败。 在太空飞，会受到什么辐射 在超级英雄电影中，我们时常能看到英雄们上天入地，无所不能。现在，假设你是一个“超人”，在空中飞行会受到什么影响呢？ 电影《超人》 假如你不肯远离家乡，选择在约2000千米以内近地轨道飞行，由于地球磁场与大气层的防护，你受到的辐射剂量主要来源于地球俘获带和银河宇宙辐射。当然，辐射强度大小取决于你所处位置的轨道高度和倾角。 但假如你正在远离家乡，向火星进军，就意味着你将离开地球磁场的保护。在往返地球途中，空间辐射环境的主要辐射源就变成了银河宇宙射线和太阳粒子事件。

然而超级英雄毕竟是幻想，只有搭载飞行器飞上太空才是可行的。我们通常都认为机器是钢筋铁骨，能抵抗最恶劣的条件，去到人类无法涉足的各种极端的环境。然而在太空辐射环境下的飞行器，真的做到了无惧无畏吗？答案是否定的。在人类不足百年的空间探索历史长河里，飞行器在辐射环境中出现问题的情况更是复杂，关于这个问题，我们以后再一起探究吧！ 文丨刘翠翠编辑制作丨李文琪