JGR-Planets：为了减免辐射危害，未来火星基地的深度要多少？

摘要

      火星一直以来就深得科学家和科学爱好者的研究和关注。随着空间科学的快速发展，载人登陆火星这个科幻家的梦想也变得越来越真实。然而探索火星最大的风险之一是空间高能粒子辐射及其对宇航员可能造成的辐射灾难。而且由于火星缺乏像地球一样的全局磁场和足够厚的大气保护，这些高能粒子很容易穿透到火星表面产生辐射危害。对于想在火星上安营扎寨的人们，必须考虑更保险的屏蔽措施来削减辐射的危害。一个简单实用的办法是就地取材，利用当地的土壤、岩石、或者火山熔岩管道做屏蔽，建立火星地下基地。然而这些屏蔽要多厚才足以把辐射减小到安全范围呢？为了回答这个问题，我们通过和实测的数据校验，对火星地下的辐射环境进行了建模仿真，给出了在火星上建立基地的最佳取材和最佳深度，以保障未来人们在火星上健健康康的安居乐业。

作为我们的邻居、也是和地球极为相似的一颗行星，火星一直以来就深得科学家和科学爱好者的研究和关注。探索火星尤其是载人登陆火星也是人类下一步航空航天领域的一个重大目标。

然而对于探索火星最大的挑战之一是空间高能粒子辐射及其对宇航员可能造成的伤害。深空中充斥了不同种类和能量的高能粒子，主要包括系外宇宙射线粒子（Galactic Cosmic Rays, 简称GCR）和太阳高能粒子（Solar Energetic Particles, 简称SEP）。GCR粒子是长期存在、流量稳定、能量极高因而穿透力很强的背景辐射；SEP则为突发的太阳爆发伴随的粒子，可持续几个小时到几天、其能量区间相对GCR粒子要小，但是其流量可比背景GCR流量高出几万倍甚至更高。长期的空间粒子辐射可以对生物细胞作用，破坏其DNA链条组织及其生物性能，进而引发后期的慢性疾病，如神经中枢和心肌受损、白内障失明、白血病和其它癌症等。短时间内的高剂量辐射也可能引发辐射中毒，这对于缺乏充足医疗保障的航天探索任务来说，是非常危险的。

在地球上，我们大可不必担心这些来自于深空的高能粒子的危害，因为地球有一个全局磁场像雨伞一样阻挡着大部分高能粒子来保护着我们；而且足够厚的地球大气也能够进一步“分解”这些高能量大质量的粒子，产生辐射危害很小的次级粒子。然而火星的环境与地球不同，它既没有全局的磁场，也缺乏足够厚的大气保护，这给了高能粒子穿透到火星表面产生辐射危害的机会。

       2012年到达火星表面的美国宇航局好奇号火星车首次测量了GCR引发的火星表面的背景辐射剂量率约为每年0.23 Sv（Hassler et al. 2014），大约是普通人年度摄取的辐射剂量的50多倍。其实这一背景GCR辐射并非一成不变的。一方面，GCR是从太阳系外的宇宙深空传来的，它们在从太阳系边缘向内传播的途中，受太阳系磁场的屏蔽作用而产生能变和流量的减弱；因而它们的辐射剂量也随着11年太阳周期的变化而反向变化。另一方面，和高能粒子作用的火星大气的厚度也会随环境变化，包括热胀冷缩的昼夜变化和受极区冰层调制的季节性变化；在好奇号火星车所在的盖尔环形山（Gale Crater)，大气厚度的变化高达25%以上。长期的观测表明，火星表面的背景GCR辐射受上述环境的影响在大约每年0.13和0.30 Sv之间变化（Guo et al. 2015），以在太阳极大年为最小值。然而即使这一最小值也还大于不会引发癌症的年剂量上限0.1Sv。

 图一

(图片来源：https://www.businessinsider.com/10-designs-from-nasas-mars-habitat-challenge-2015-9?IR=T#n3st--the-team-was-inspired-by-simplicity-and-bit-by-bit-construction-to-create-three-basic-layers-for-a-one-room-habitat-8)

因而对于未来去往火星的人类，我们必须采取更保险的屏蔽辐射的措施。一个简单实用的想法是就地取材，利用火星当地的土壤、岩石或火山熔岩管道（lava tube）做辐射屏蔽，建立火星地下基地（如图一），有点像我国西北地区的窑洞一样。然而具体要建多深才能有效减免辐射呢？回答这个问题还得多加小心。和普通的医院用的铅衣屏蔽X-射线不同，其实这些深空中的高能粒子和物质作用会产生核碰撞及次级粒子，有可能反而使屏蔽后的辐射量增加。这和入射粒子的种类、能量、屏蔽的材料和厚度都有关系。所以对于火星地表下的辐射环境还需要仔细的定量分析，才能回答“为了减免辐射危害，未来火星基的深度要多少？”这一问题。由于没有直接的观测，为此，我们需要对火星地下的辐射环境进行建模仿真。

图二（Roestel and Guo et al. 2020）

首先，我们建立了一个粒子在火星环境中传输的模特卡罗模型来预测火星表面的辐射环境，并且通过和火表好奇号火星车实际观测到的粒子环境做了比较，来验证了这一模型需要的物理参数（Guo and Banjac et al. 2019）。其次，我们模拟了火星地下的辐射环境及其随土壤深度的变化；而且到达不同位置的高能粒子还要进一步和类似人体的组织作用产生等效的生物辐射剂量，这一过程也加入了我们的模型（如图二所示）。最后，我们研究比较了不同土壤成分对这一辐射剂量的影响（Roestel and Guo et al. 2020）并给出了在火星上建立基地的最佳取材和最佳深度。

 图三（Roestel and Guo et al. 2020）

图三显示的辐射剂量随火星大气高度(上半部分)和土壤深度（下半部分）变化的结果。这里我们考虑了太阳活动不强不弱，GCR流量居中的情况下入射火星大气的高能粒子。我们同时模拟了7种不同的可能的火星表面构成，由不同颜色的线条表示。

其中石英（绿色线条）、安山岩（桔红色）、砂岩（红色）、硫磺混凝土（棕色）四种土壤成分为“干燥”土壤，主要由硅、铁、氧等元素组成。用它们做辐射屏蔽在一米之内适得其反，反而会导致辐射剂量比没有屏蔽的时候更大。

 其它三种土壤成分Arabia Terra(上层为干燥土壤，下层含水—混有10%的氢元素)、均匀混合10%的氢元素比重、均匀混合50%氢元素比重，由于都不同程度的参入了氢元素（水的主要构成元素），则为“含水”土壤。计算得到的辐射剂量随这些水含量高的火星土壤能有效的减小。这是因为宇宙射线在穿越火星的环境会产生大量的次级中子，它们由于不受磁场约束，和人体作用时引发的辐射效果尤为显著；而土壤中的氢元素能更有效的散射并捕获中子，所以含“水”量高的火星土壤能更有效的降低生物辐射剂量。

 图四（Roestel and Guo et al. 2020）

图四则表示，为了将年度剂量限制在不易引发癌症的安全限度0.1 Sv之内，根据不同的土壤成分（左边三种为干燥的安山岩、砂岩和硫磺混凝土；右边的三种为含水的土壤；其中最右边的含水量最高：氢元素比重高达50%），所需的屏蔽深度在0.5m至2.5m之间不等，而水含量较高的土壤则需要较少的屏蔽。同时，我们也比较了不同的太阳调制下所需的屏蔽厚度，以较高的太阳调制（太阳活动极大年）对应较低的GCR流量，因而需要较少的屏蔽厚度。

细心的读者可能要问，这些计算的结果是基于背景GCR粒子的，那么有太阳爆发的时候还是用吗？因为被太阳加速的SEP粒子能量通常比这些到达火星表面和地下的GCR粒子通常要低，SEP因此更容易在穿过火星大气的过程中“消耗”掉；即使到达了火表，也很难穿过深层的土壤。因此我们计算得到的最佳屏蔽厚度对于太阳高能粒子事件也是适用的。

结合火星快车（Mars Express）最近对地下液态水的新发现（Orosei et al., 2018），我们的结果表明，寻找具有高含水量的地点载人探索火星不仅有益于取得饮水的资源，且对于减小辐射危害也是个不错的办法。对于在太阳活动极大年的火星探索来说，在一个富含水的区域，找个半米左右的厚度的洞穴，就差不多不用担心辐射危害啦。

    成果发表于国际权威学术期刊Journal of Geophysical Research: Planets，论文第一作者是德国基尔大学的本科毕业生Lennart Roestel，指导老师和通讯作者是中科院比较行星学卓越创新中心及类地行星先导专项骨干成员，中国科学技术大学的郭静楠研究员。

     该成果获得了中科院行星科学先导B项目（XDB41000000），中科院重点实验室（QYZDB‐SSW‐DQC015），国防科工局民用航天“十三五”技术预先研究空间科学项目（D020104）以及德国宇航局（50QM0501, 50QM1201, and 50QM1701）的经费支持。

原文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JE006246

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参考文献及网址：

Hassler, D. M., Zeitlin, C., Wimmer‐Schweingruber, R. F., Ehresmann, B., Rafkin, S., Eigenbrode, J. L., Brinza, D. E., Weigle, G., Böttcher, S., Böhm, E., Burmeister, S., Guo, J., Köhler, J., Martin, C., Reitz, G., Cucinotta, F. A., Kim, M.‐H., Grinspoon, D., Bullock, M. A., Posner, A., Gómez‐Elvira, J., Vasavada, A., & Grotzinger, J. P. (2014). Mars's surface radiation environment measured with the Mars Science Laboratory's Curiosity rover. Science, 343(6169), 1244797.

 https://doi.org/10.1126/science.124479

Guo, J., Zeitlin, C., Wimmer‐Schweingruber, R. F., Rafkin, S., Hassler, D. M., Posner, A., Heber, B., Köhler, J., Ehresmann, B., Appel, J. K., Böhm, E., Böttcher, S., Burmeister, S., Brinza, D. E., Lohf, H., Martin, C., Kahanpää, H., & Reitz, G. (2015). Modeling the variations of dose rate measured by RAD during the First MSL Martian year: 2012–2014. The Astrophysical Journal, 810(1), 24.

https://doi.org/10.1088/0004-637X/810/1/24

Guo, J., Banjac, S., Röstel, L., Terasa, J. C., Herbst, K., Heber, B., & Wimmer‐Schweingruber, R. F. (2019). Implementation and validation of the GEANT4/AtRIS code to model the radiation environment at Mars. Journal of Space Weather and Space Climate, 9(A2), 19.

 https://doi.org/10.1051/swsc/2018051

Rostel, L., Guo, J., Banjac, S., Wimmer‐Schweingruber, R. F., & Heber, B. ( 2020). Subsurface radiation environment of Mars and its implication for shielding protection of future habitats. Journal of Geophysical Research: Planets, 125, e2019JE006246.

 https://doi.org/10.1029/2019JE006246

Orosei, R., Lauro, S. E., Pettinelli, E., Cicchetti, A., Coradini, M., Cosciotti, B., Di Paolo, F., Flamini, E., Mattei, E., Pajola, M., Soldovieri, F., Cartacci, M., Cassenti, F., Frigeri, A., Giuppi, S., Martufi, R., Masdea, A., Mitri, G., Nenna, C., Noschese, R., Restano, M., & Seu, R. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science, 361(6401), 490–493. 

https://doi.org/10.1126/science.aar7268

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