太空其实并不空

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930亿光年直径的球形空间。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。截至目前，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，可能一秒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500兆电子伏。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水平很低的安全地带。 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，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！