火星的哪些部分最远离宇宙辐射?

未来十年,美国宇航局和中国计划向火星发射首批载人飞行任务。 这将包括两个机构在 2033 年、2035 年、2037 年以及之后每 26 个月发射航天器,以配合火星在“反对”(即,当地球和火星在它们的轨道上最接近时)。 这些计划的长期目标是 在火星上建立基地 它将作为容纳未来任务的枢纽,尽管中国已表示他们打算将其基地 一个永久的.

将宇航员送上 6 到 9 个月的火星之旅的前景呈现 几个挑战,更不用说他们在地表进行科学操作时将面临的危险。 在最近的一项研究中,一个国际科学家团队对火星环境进行了一项调查——从奥林匹斯山的山峰到其地下凹处——以寻找辐射最低的地方。 他们的发现可以为未来的火星任务和火星栖息地的建立提供信息。

该团队由我校助理教授张健带领。 地球与空间科学学院 (ESS)在中国科学技术大学。 ESS 和 CAS 比较行星学卓越中心 在中国, 实验与应用物理研究所 (IEAP) 在德国基尔和俄罗斯科学院 (RAS) 生物医学问题研究所斯科贝尔岑核物理研究所 (SINP) 在莫斯科。 描述他们的发现的论文最近出现在 地球物理研究杂志.

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具有剖面图的火星定居点的艺术家印象。 学分:美国宇航局艾姆斯研究中心

当涉及到火星和低地球轨道 (LEO) 以外的其他地点的任务时,辐射始终是一个持续关注的问题。 与地球相比,火星的大气层非常稀薄(不到气压的 1%),并且没有保护性磁层来保护地表免受太阳和宇宙辐射的影响。 因此,科学家推测有害粒子,特别是银河宇宙射线 (GCR),可以传播并直接与大气相互作用,甚至到达火星的地下。

然而,辐射暴露水平取决于大气的厚度,而大气的厚度会因海拔高度而变化。 在火星著名的峡谷系统 (Valles Marineris) 及其最大的火山口 (Hellas Planitia) 等低洼地区,大气压力估计分别超过 1.2 和 1.24 kPa。 这大约是 0.636 kPa 平均值的两倍,是奥林匹斯山(太阳系中最大的山峰)等高海拔地区大气压力的十倍。

郭靖南博士是Christian-Albrechts-University IEAP特聘教授、中国科学院院士,是张健教授的博士。 导师和论文的合著者。 正如她通过电子邮件向今日宇宙解释的那样:

“不同的海拔意味着不同的大气厚度。 高海拔的地方通常顶部有较薄的大气层。 高能粒子辐射需要穿过大气层才能到达火星表面。 如果大气厚度发生变化,地表辐射也可能发生变化。 因此,海拔可能会影响火星的表面辐射。”


为此,该团队考虑了大气深度对火星辐射水平的影响。 这包括以拉德为单位测量的吸收剂量; 剂量当量,以雷姆和希沃特 (Sv) 为单位; 和 GCR 诱导的身体有效剂量率。 这包括使用最先进的模拟器对辐射环境进行建模,该模拟器基于 几何和跟踪 (GEANT4) 软件由 CERN 开发。

作为。。而被知道 大气辐射相互作用模拟器 (AtRIS),该软件采用蒙特卡罗概率算法来模拟粒子与火星大气和地形的相互作用。 正如郭博士所说明的:

“我们使用一种称为‘GEANT4’的蒙特卡罗方法来模拟高能粒子与火星大气和风化层的传输和相互作用。 火星环境的建立考虑了火星大气成分和结构以及风化层特性。

“火星大气层顶部的输入粒子光谱也是从数据校准模型中获得的,这些模型描述了行星际空间中无处不在的粒子辐射环境,其中包括不同种类的带电粒子,主要是质子(~87%)、氦离子( 12%)以及少量的较重离子,如碳、氧和铁。”

他们发现较高的表面压力可以有效地减少重离子辐射 (GCR) 的数量,但仍需要额外的屏蔽。 不幸的是,这种屏蔽的存在可能导致“宇宙射线阵雨,”其中 GCR 对屏蔽的影响会产生二次粒子,这些粒子可以用不同水平的中子辐射(又名中子通量)淹没栖息地的内部。 这些可以显着提高宇航员将吸收的有效辐射剂量。

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当高能宇宙射线撞击地球大气层顶部时,会出现高能粒子阵雨。 图片来源:Simon Swordy(美国芝加哥)/美国宇航局

他们确定,中子通量和有效剂量均在地表以下约 30 厘米(1 英尺)处达到峰值。 幸运的是,就使用火星风化层进行屏蔽而言,这些发现提供了解决方案。 郭博士说:

“对于给定的年度生物加权辐射有效剂量阈值,例如 100 mSv(通常被认为是辐射诱发癌症风险可以忽略不计的阈值),所需的风化层深度范围在大约 1 m 和 1.6 m 之间. 在这个范围内,在地表压力较高的深坑处,所需的额外风化层屏蔽略小。 在奥林匹斯山上,所需的额外风化层防护层更高。”

根据他们的发现,火星上未来栖息地的最佳地点将位于地表以下 1 米和 1.6 米(3.28 至 5.25 英尺)的低洼地区。 因此,构成北半球大部分地区的北部低地(又名 Vastitas Borealis)和 Valles Marineris 将是非常合适的地点。 除了具有较厚的大气压力外,这些地区在地表下方也有丰富的水冰。

如果一切按计划进行,宇航员将在短短十年内踏上火星表面。 这将包括持续 6 到 9 个月的过境(除非开发更先进的推进技术)和长达 18 个月的地面作业。 简而言之,宇航员将不得不应对长达三年的高辐射威胁。 因此,需要提前制定详细的缓解策略。

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火星高程图基于火星全球测量者的 MOLA 仪器获得的数据。 图片来源:NASA/GSFC

NASA 和其他航天机构投入了大量时间、精力和资源来开发利用 3D 打印的栖息地设计, 就地资源利用 (ISRU),甚至电磁屏蔽,以确保宇航员的健康和安全。 然而,关于这些策略在实践中的有效性仍然存在悬而未决的问题,特别是考虑到工作人员将在火星表面花费的时间。

“在使用天然表面材料作为屏蔽保护设计未来的火星栖息地时,我们的研究可能有助于减轻辐射风险,”郭博士说。 “因此,当任务规划者开始考虑为未来依靠天然表面材料提供辐射防护的火星栖息地进行设计时,这样的研究将具有相当大的价值。”

延伸阅读: JRG 行星