太阳质子事件具有明显的11年周期,在太阳活动低年发生概率减小。所以,可以通过选择合适的时间遭遇太阳质子事件的可能性。

文章来源:科学大院微信公众号

神舟十一号载人飞船17日已经成功发,共载有两名航天员,并计划于今日与天宫二号空间实验室进行交会对接。成功对接后,两名航天员将正式“入宫”,进行空间实验。

作为分不清高端载荷设备、也看不懂前沿科学实验的吃瓜群众,最吸引眼球的无疑是宇航员在空间实验室里长达30多天的中期驻留了。这一个多月的时间里,宇航员要直面随时会变脸的太阳,万一太阳一言不合就发怒了,他们肿么办?

可怕的高能粒子

对航天员而言,面对瞬息万变的太阳,最大的威胁要数太阳质子事件了。

什么是太阳质子事件呢?当太阳风暴发生时会释放出大量高能量的带电粒子,它们最快十几分钟就可以到达地球,使地球周围的高能带电粒子数量增加数千倍,甚至上万倍。由于在这些粒子中,质子占了总粒子数的90%以上,因此被称为太阳质子事件。

太阳质子事件太阳质子事件

太阳质子事件的发生与太阳黑子关系密切。在太阳活动高年(黑子数较多的年份),太阳质子事件较频繁;在太阳活动低谷年份,则可能一次也没有;而在太阳活动峰年附近,太阳质子事件可达每年10多次。

与太阳黑子一样,太阳质子事件的发生频率也存在11年的变化周期,不过,就每次事件而言,其发生的时间、持续时间以及事件的强度则都是随机的。这给预报工作造成了非常大的难度,而且,太阳爆发后,留给宇航员们的避难时间可能只有短短的十几分钟,所以,设置规避措施就变的尤为重要。

当高能粒子到达航天器,其产生的高能粒子流与地面放射性物质发出的射线一样,具有致命的放射性。它们能够穿透航天服和太空舱,引起航天员身体器官的物理损伤。

辐射形成自由基对DNA的<big data-e=(左)高能粒子造成DNA的断裂(右)">辐射形成自由基对DNA的(左)高能粒子造成DNA的断裂(右)

高能粒子主要通过两种机制危害人体的细胞组织,一是直接造成生物活性大分子断裂、脱落,导致直接损伤;二是与身体中大量的水分子发生作用,产生自由基,这些自由基进一步与生物分子发生化学反应,造成间接损伤。不过,最终的人体辐射效应危害非常复杂,其严重程度主要与所受到的辐射剂量大小有关。

在载人航天任务中,航天员接受的辐射剂量是需要受到严格的控制的。在低剂量辐照的情况下,高能粒子可能诱导人体细胞产生变异,变异细胞可以发生遗传变化或导致癌变等严重后果;而高剂量的高能粒子辐射会引起皮肤、骨髓等器官的急性损伤(比如引起白内障),严重时甚至会危及生命。而太阳质子事件正是航天员在空间环境中面临的最危险因素。

为了保障在轨航天员免受高能粒子辐射的严重影响,载人航天任务实施过程中采取了大量的辐射防护措施,包括对太阳质子事件进行监测预警,制定各种情况下飞行计划与操作预案,在航天器中建造专门的辐射避难装置等等,以使航天员受到的辐射尽可能地到安全程度。

国际空间站如何应对?

载人飞行对辐射危害防护的案例之一就是美国2003年的“万圣节事件”。

2003年10月至11月份,太阳上爆发了一系列强烈的爆发活动,其猛烈程度极为罕见。

2003年10月的特大太阳质子事件发生时高能质子打在SOHO卫星的CCD上产生的白色斑点和线条2003年10月的特大太阳质子事件发生时高能质子打在SOHO卫星的CCD上产生的白色斑点和线条

10月29日太阳质子事件的峰值流量达到29500 pfu(Partical Flux Unit,表示探测器每秒、每球面度、每平方厘米上探测到的粒子数),是GOES卫星(美国国家海洋和大气管理局发射的静止轨道环境业务卫星)自1976年观测以来的第4大极值;同在这一天,地磁暴Ap指数(全球的全日地磁扰动强度指数)达到204,是1932年记录以来的第9大极值。

从10月18日开始,到11月5日共19天的时间里,日面上共爆发了11个X级的大耀斑,包括令“世人瞩目”的超强耀斑——11月4日的X28级巨耀斑,它是GOES卫星自1976年以来观测到的最大耀斑。

因这段时间正值万圣节前后,因此这次太阳爆发被命名为“万圣节太阳风暴”。

在万圣节太阳风暴中:

2003年10月29日,SOHO卫星观测到X10级耀斑2003年10月29日,SOHO卫星观测到X10级耀斑

76颗通讯卫星中有46颗报告了异常,其中日(J)本(P)先进地球观测卫星-2(ADEOS-2)完全失效;美国加州中部上空出现了罕见的极光;全球范围内的通讯受到干扰,海事紧急呼叫系统瘫痪,珠峰探险队通讯中断;全球定位系统精度;瑞典5万人的电力供应中断。

2003年10月29日,“万圣节事件”引发的极光。摄于Houston, Texas(纬度相当于我国重庆)2003年10月29日,“万圣节事件”引发的极光。摄于Houston, Texas(纬度相当于我国重庆)

峰值流量达到29500pfu的太阳质子事件为国际空间站带来了不小的麻烦,也对宇航员的安全构成了极大的威胁。

为防止辐射,在此次质子事件发生期间,美国国际空间站被迫关闭了价值十亿美元的机械臂和飞船工作站。空间站内的工作人员临时终止一切任务。

当空间站位于高辐射区域(高磁纬度)内时,工作人员被安顿在空间站尾部的防护舱中躲避。空间站前后6次经过高辐射区域,工作人员总计在防护舱中躲避了20分钟。

Zvezda Service ModuleZvezda Service Module

该防护舱是由俄罗斯设计建造的Zvezda模块,它的特殊设计使其对高水平辐射具有最大的屏蔽作用。

面对太阳爆发,宇航员可以肿么办?

宇航员们的第一道屏障,无疑就是他们存身的航天器了,它为航天员时时提供必要的辐射防护。

在载人航天器中,又有哪些常用的方法来“武装”航天器呢?

当遭遇到特大太阳质子事件时,仅依靠航天器本身的整体防护是远远不够的。为潜在的特大太阳质子事件构成的辐射危险,实施航天员的个体防护是普遍的做法。

如在航天器舱内建造一个小的辐射应急屏蔽室。屏蔽室的厚度可以大一些,当发生特大的太阳质子事件时,航天员可以躲进屏蔽室内以接受的辐射剂量。例如前文提到的Zvezda防护舱,就是由超强聚乙烯材料做成的“砖块”武装着。

Zvezda<b data-e=由聚乙烯“砖块”防护,白色部分防护较弱,蓝色部分防护较强">Zvezda由聚乙烯“砖块”防护,白色部分防护较弱,蓝色部分防护较强

另一种方法是在舱壁内装备上“水墙”。将装满水的水袋填充在舱壁内的六边形框架中,保护舱内工作人员免受辐射的威胁。

由功能性水袋填充的舱壁由功能性水袋填充的舱壁

但是,无处不在的宇宙背景辐射和突然爆发的太阳活动仍会对宇航员的生命安全构成威胁。

对我国载人航天器设计来说,背景辐射的防护已不算新鲜,之前多次的短期太空飞行已经奠定了足够的基础。而考虑到这次航天员要在天宫二号进行中期驻留,除了为航天员配备笔记本电脑、平板电脑、跑步机之外,如何保护他们免于受到太阳突发事件的伤害就显得尤为重要,相信设计师们也一定为他们做好了万全的准备。

天宫二号作为低地球轨道航天器(约400km高度),其运行高度在地球磁层的范围内,所以仍会受这道天然屏障的保护。

越靠近地球,高能粒子可以到达航天器的就越少。当可能遇到危险的太阳质子事件发生时,低轨航天器还可以变轨飞行,用轨道高度的方法有效地减小舱内剂量水平。不过当航天器运行到高纬度区域,磁场的屏蔽作用减小时,就需要及时躲避了。

另外,选择合适的发射时间和出舱时间也可以规避可能的危险。太阳质子事件具有明显的11年周期,在太阳活动低年发生概率减小。所以,可以通过选择合适的时间遭遇太阳质子事件的可能性。(汤惟玮)

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