宇宙中的辐射环境 「我的老天，宇宙充满放射性！」 引用埃因雷1958年的话，关于范艾伦发现围绕地球的辐射带的话题。 这是个严重的问题。 ?过去20年，依经验平均每年有两个人造卫星有部份或整个任务失败是因为电子零件受辐射影响。 ?低高度轨道受到地球磁场保护，但较高地球轨道或至月球或至火星的任务则会经历明显的辐射环境。 ?在James Michener 的小说「宇宙」中，在月球上有两个航天员受到来自太阳暴风的辐射致死剂量。这情节确实有可能。 ?Michener所描写的虚构剂量太过极端，是于自1972年8月4日巨大的太阳暴风。 ?在1972年四月与十二月的阿波罗月球登陆任务期间，在稍早或稍晚有发生4个月的太阳暴风，在登月舱的航天员曾接受曝露剂量超过12个小时并造成急性辐射疾病且甚至可能死亡。 目前NASA研究计划所资助国际太空站(ISS)与可能的火星载人任务注重在两个辐射的议题： ?了解宇宙中辐射种类的生物效应 ?设计适当的屏蔽以防护航天员免受辐射环境的伤害 宇宙辐射 早期历史 ?有几位的研究者注意到电子显微镜有略微游离的现象。这现象可加个铅块来减低(意味有外来辐射源)。 ?此辐射比镭所放出的更具有穿透力。 ?在埃菲尔铁塔顶部也看见到这现象(对镭的影响而言太过高了)。因此推测出射源是在大气层中。 ?气球实验显示辐射强度随着高度而增加(因此不是地表辐射)。 ?Millikan于1925年新创一名词「宇宙射线」。[第一位获得诺贝尔物理奖的美国出生的科学家 ?在1930与1940年间的全球电磁干扰与太阳活动有关连。在两极同时受到影响。 ?早期航天员曾报告过一种视觉现象(「闪耀」或「眩光」)，通常只有一只眼睛有发生且同一时间只有一位航天员有之。 ?在加速器中加速高Z粒子来研究且注意! 结论：宇宙射线与视网膜交互作用。 宇宙中的辐射来源 有两主要的辐射种类是银河宇宙射线(GCR)与来自太阳散发的辐射。粒子的能量与类型相当广。地球磁场与航天飞机屏蔽受能量的影响很大。其生物效应是主要粒子与二次粒子的效应结合。 银河宇宙射线 ?主要成份是带能的质子与重离子与约2%的电子与正子。 ?其含量随着原子序增加而降低，但到铁时会升高，之后迅速掉落。 影像已移除 Figure 2.1 in [SSB-Crew Hazards]. Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications, Space Studies Board (SSB). Radiation Hazards to Crews of Interplanetary Missions: Biological Issues and Research Strategies. Washington DC: National Academies Press, 1996. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/14.html#page_bottom.   影像已移除 Figure 2.1 in [SSB-Crew Hazards]. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/15.html#page_top.   ?GCRs的来源未知，但应是来自太阳系之外。 ?其方向是等向的。 ?这为一宽广的能量分布并在约1 GeV/核子 处有一能峰 ?其通量不论何时皆相对地维持一定。 ? GCR通量会受到太阳事件影响，由于受到在行星内磁场中的太阳事件影响而降低了约10倍。 太阳 ?太阳会产生一恒定的低能量粒子通量，多数为质子，已知称为太阳风。 ?主要的辐射危害与太阳风无关连，但发生在太阳经历磁场风暴所造成太阳闪焰或日冕质量抛射(CMEs)之时。 ?这些太阳粒子事件(SPEs)造成如同其它较重之粒子的非常高能的质子。 ?这些太阳事件大大地扭曲地球磁场，造成地球上通讯的干扰，且对太空中的航天员而言代表潜在的致死辐射危害。 影像已移除 Figure 1.1 in [SSB-Space Station]. Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications, Space Studies Board (SSB). Radiation and the International Space Station: Recommendations to Reduce Risk. Washington DC: National Academies Press, 2000. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/8.html#page_top.   ?地球磁场与太阳风、SPEs与GCRs交互作用。. ?带电荷粒子被捕限在范艾仑辐射带的区域中。 ?当高纬度的磁力线出现「开口」，粒子可穿透上层大气或至表面。 宇宙的气候：太阳风  来源：NASA. “Living in the Atmosphere of the Sun.”[updated 20 Jan 2000, cited 29 March 2004.] http://www-istp.gsfc.nasa.gov/exhibit/main.html 影像已移除    来源：NASA在1996的Skylab照片。 “Our Magnificent Sun.” [cited 29 March 2004] http://cossc.gsfc.nasa.gov/images/epo/gallery/solar/ 太阳闪焰伴随着高能量粒子的产生，多数是质子，对航天员而言有显著的辐射风险。  来源：NASA高登宇宙飞行中心. [2004.03.29引用，2001.03.30更新] http://www.gsfc.nasa.gov/gsfc/spacesci/solarexp/sunspot.htm 太阳黑子已经被观察了数百年。黑子的数量与分布变化很大。太阳黑子的数量显示变化为11年的周期。 太阳周期 影像已移除   ?在太阳活动中的时间变化已经被直接观察了一个世纪之久。 ?约在1830年有一位无名的德国业余天文学家H. Schwabe开始以观察太阳黑子为兴趣。在1851年他提出一「太阳周期」 –太阳黑子的位置与数量以11-年周期变化。 ?一年后发现地球的磁场偏向亦随着此周期变化。 ?一太阳黑子是在太阳表面上磁场扭曲的地区以致于其颜色比周围的深。 ?因为只有它的气体温度在4000 - 4500o K以辐射状地低于周围在5700o K的气体而使得颜色较暗。 ?太阳黑子周期的发生是因为太阳在赤道旋转的比两极快。这造成控制太阳气体运动的磁场扭曲与切变。 ?在太阳黑子最大活动期间，太阳闪焰与日冕质量抛射的机会增加。目前太阳闪焰、日冕质量抛射(CMEs)与太阳黑子之间的关系仍不清楚。 范艾伦辐射带 ?荷电粒子被捕获至围绕的地球磁场中被称为辐射(或范艾伦)带。 ?内层带位于在赤道平面中距1.1与3.3倍地球半径远之间，所含主要为能量超过10 MeV的质子。 ?内层带相当稳定，主要受到地磁风暴偶尔的干扰，其变化是随着11年太阳周期。 ?由于地球地理与磁场轴之间的偏角造成内层带在大西洋的巴西沿岸有最小高度约250 km。 ?南大西洋异常之区域经过低轨道卫星经常通过之处。在此区域的高能量粒子对卫星与航天员而言是个问题。 影像已移除   ?外层带主要含能量高至10 MeV的电子。它来自比内层带更剧烈的地磁风暴(也受日夜而变化)所伴随的抛射与激能事件所产生。 辐射带对于人类与电子仪器的主要高能量粒子辐射伤害效应： ?造成卫星零件恶化，特别是半导体与光学装置 ?造成侦检器的背景噪声 ?造成数字电路中的误差 ?造成绝缘体的静电电荷累积 ?也造成对航天员的威胁 ?阿波罗号航天员所受剂量的最大部分来自行经范艾伦带时，剂量受到通过辐射带的轨迹所影响。 影像已移除 Figure 1.2 in [SSB-Space Station]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/9.html#pagetop.   影像已移除   极光(曙光女神) ?太阳风限制了地球磁场成彗星状空腔，称为磁层(magnetosphere)。 ?当太阳风流过磁层时，就像个宇宙发电机一样产生几百安培的电流。 ? 有些电流流入地球较上层的大气层并似霓虹灯管发光产生极光。 ?地球磁层偏导太阳风往地球极区。 ?当带能荷电粒子构成的太阳风与中性气体分子于高层大气层中发生碰撞就产生极光。 ?电性放电发生在地表上方约70公里处。  来源：NASA. “Space Science Photos: Prior to 1997 [2004.03.29引用] http://www.gsfc.nasa.gov/indepth/photos_spaceearly.html 影像已移除   国际太空站 辐射曝露来自 ?地球辐射带 ?银河宇宙射线 ?太阳粒子事件 影像已移除 Figure 1.4 in [SSB-太空站]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/13.html#page_bottom.   太空站建造过程会进行太空漫步，计划执行过程接近太阳活动的最大周期。 影像已移除 Figure 1.5 in [SSB-太空站]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/14.html#page_top   ISS轨道设定51度斜角是与俄国人发射机构妥协的结果。也会造成辐射曝露增加。 影像已移除   剧变的宇宙气候 ?高能量的CMEs(日冕质量抛射)会产生「冲击波」 ?在太阳事件期间大部分带高能量的粒子依其沿着磁力线的路径差异可在10至100分钟内到达地球。 ?在非常短的时间内粒子通量会增加几的层级。 ?航天员有可能直接曝露致死辐射剂量之风险 ?航天飞机设计必须含有防护太阳事件期间的「风暴屏蔽」。 ?卫星与地面接收站网络监测SPEs (太阳的粒子事件)征兆。 影像已移除 Figure 1.4 in [SSB-太空站]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/40.html#page_middle.   CME会严重扭曲地球磁场，增加太空中的辐射危害与造成地球表面上背景辐射之增加。 影像已移除   太阳粒子事件(SPEs)的监测 阿波罗号的经验 ?阿波罗任务在太阳活动最大之年发生，可以预期有更多的SPEs。 ?NASA已经体认到SPEs是个真实的危害，特别是对在月球表面或在LEM(Lunar Excursion Module, 登月舱)内的航天员。 ?地面观测站网络利用及时的警报系统通知航天员。 ?太阳粒子警报网络(SPAN): 全世界有7个观测站随时提供每天24小时的相关太阳报导。 ?监测太阳闪焰所伴随的无线电风暴，根据之前的研究显示风暴之前实际都有SPEs发生。 ?此时有些相对粒子可在几分种内到达地球与月球，在太阳闪焰之后4-6小时预期有最高强度。 ?计划未在航天员离开月球表面回到指挥舱进行监测，因为它有较佳的屏蔽。 ?幸运地是这紧急措施从未使用到。 在宇宙中辐射的生物效应 ?NASA已经投入可观的研究努力于宇宙环境中存在之粒子的辐射生物效应。 ?高能量的质子的生物效应接近1。曝露所造成风险是存在的，其生物效应已相当清楚。 ?高能量、高原子序(HZE)粒子由于比质子通量低而呈现最大的不确定性且可能有最大的风险度。 影像已移除 Figure 2.4 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/17.html#page_middle.   粒子的穿透 影像已移除 Figure 1.3 in [SSB-太空站]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/10.html#page_top.   在地球磁场外，GCR通量率在最大(太阳活动最小)时接近 4 质子/cm2/sec 0.4 氦离子/cm2/sec 0.04 HZE粒子/cm2/sec 以一个100 μm2的细胞核而言，每个体内的细胞核会受到下列侵袭 每三天一个质子 每个月一个氦离子 每年一个HZE粒子(与粒子穿透航天飞机的碎裂程度有关)。 [Curtis and Letaw, 1989, Galactic cosmic rays and cell hit frequencies outside the magnetosphere. Adv. Space Res., 9, 293-298.] 在SPEs期间发生的潜在致死辐射剂量 影像已移除 Figure 2.3 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/16.html#pagetop.   ?在航天飞机内的航天员所受的屏蔽足以存活。 ?对于航天员实际的风险是在航天飞机外于太空漫步或在月球或地球表面期间。 “对行星间任务之宇宙飞船员的辐射危害” National Academy Press, 1996 ?增加屏蔽可减少辐射曝露。 ?屏蔽会增加重量与太空任务的经费。 ?风险必须被充分明暸。 ?风险评估的不确定性必须降低。 以氡为例，高-LET粒子低通量下的曝露风险并不清楚。其未确定性高。 影像已移除   辐射的生物效应 早期效应 ?辐射造成的虚弱 。 发生在几小时内 。 恶心、呕吐(在穿宇宙飞行服下一定要避免!) 。 剂量：在一天以内接受剂量大于1 Sv时 ?急性辐射症状 。 发生在2-4周内 。 骨随抑制(生长)：剂量在1.5-2.0 Sv时 。 致死剂量(全身): 在3 Sv时有10%机率；在4 Sv时有90%机率(未经计数量测) ?皮肤 。 在约6 Sv时发生发红(红斑) 。 15-20 Gy时会造成湿性脱皮 ?落发 。 (可恢复的)在剂量约6 Gy或更高时 除非航天员于无屏蔽的环境中受到SPE的曝露，否则早期效应不太可能发生。 在太空飞行期间受到下列的辐射曝露时主要考量的晚期效应 ?癌症 ?CNS损害 ?白内障 癌 症 ?多数风险评估是源于日本核爆幸存者的低-LET辐射之急性剂量。 ?由下列粒子所致的肿瘤诱发之动物资料稀少。 ?并没有有关人体的资料。 影像已移除 Figure 2.6 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/25.html#page_top.   ?高LET辐射在老鼠皮肤的肿瘤诱发更有效果。 ?对多数终点而言(多数不至于诱发肿瘤)，RBE在约100 keV/μm时达到最大，接着就递减 ?在一个鼠类的哈达氏腺肿瘤研究中以肿瘤诱发来研究各个LETs层次所呈现的RBE最大值(30-40)。 [这问题困扰着NASA] 对CNS的伤害 ?撞击细胞核的机会与核的直径有关 影像已移除 Figure 2.7 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/25.html#page_top.   ?受到质子的损害有可能被修复 ?对CNS的HZE效应包括 。 对细胞的影响、生化上的改变(参考数据有限) 。 功能上的影响：以56Fe粒子照射老鼠会使其过早老化。 。 晚期效应：在兔子的视网膜内证实造成DNA断裂。以重离子则这效应较早发生。 白内障的形成 ?对低-LET辐射在高剂量率时的低限剂量为1.5~2 Gy。 ?以质子照射猴子的数据类似低-LET辐射之结果。 辐射剂量 NCRP (1989) 对低地球轨道曝露的器官等价剂量(Sv)限值 造血器官 皮肤 眼睛的水晶体  致癌 1-4 6 4  年 0.5 3 2  30天 0.25 1.5 1  [对一般大众的平均年背景剂量为0.0036 Sv (360 mrem).] ? 阿波罗任务在最后5-12天造成宇宙飞船员剂量达160 – 1140 mrad。剂量中有大部分是在经过范艾伦辐射带时所接受的。 ? 太空实验室(Skylab)任务最后20 – 90天造成宇宙飞船员剂量1.6 – 7.7 rad. ? 在太阳闪焰时剂量会较高。估计在1959年6月来自太阳闪焰的剂量介于40 – 360 rad之间。 ? 航天飞机飞行时(哈伯望远镜维修)的最高剂量达3.2 cGy (3,221μGy/天)。 ? MIR苏联航天员所受曝露在2.4至8.7 cGy之间(144至468 μGy/天)。 ? 国际太空站的轨道类似MIR 510倾斜、距地面400 km高度(范围在370-470 km)。 在IIS的估计剂量率为~0.5 – 2.5 mGy/天。 ? 在火星的「快运」任务里(花6个月出发，1.5年在表面活动，返程6个月) 估计对骨髓的累积剂量范围在~60-130 cSv。这些剂量值都超过目前LEO骨髓剂量的限值50cSv/年。 屏蔽会造成材质恶化  来源；NASA. “Cosmic Rays.” [updated 25 Nov 2001, cited 29 March 2004] http://www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/wcosray.html 宇宙射线在核作用感光乳剂中碰撞的径迹结构 影像已移除   影像已移除   影像已移除 Figure 2.5 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/17.html#page_middle.   影像已移除 Figure 3.1 in [SSB-宇宙飞船员的危害]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/37.html#page_top.