宇宙射線
——地球人試圖握住的“雙刃劍”

◆韓大洋 羅 瀾 郭建廣

當(dāng)夜幕降臨，我們仰望星空時(shí)，遙遠(yuǎn)的宇宙靜謐深邃。然而，宇宙中每時(shí)每刻都發(fā)生著能量爆發(fā)，在人們看不到的地方，宇宙射線作為巨大質(zhì)量星體的能量載體，能穿過星系介質(zhì)進(jìn)入銀河系，沖向地球。

宇宙射線構(gòu)成

1912年，物理學(xué)家維克托?赫斯乘熱氣球探測到電離室內(nèi)的電流隨海拔升高而變大，起初他認(rèn)為輻射來源于太陽，但當(dāng)他在夜間仍能探測到高空的電流示數(shù)時(shí)，得出結(jié)論：有一種來自地球外部空間的高穿透力射線進(jìn)入大氣層，從而產(chǎn)生了高空電流，這就是宇宙射線。

宇宙射線本質(zhì)上是來自宇宙空間的高能帶電粒子，其中主要包括約87%的質(zhì)子和12%的α粒子。在宇宙射線沖向地面的過程中，需要穿過稠密的大氣層，進(jìn)而與大氣分子和原子微粒發(fā)生碰撞，使得它們的速度大大降低，所以當(dāng)它們到達(dá)地面時(shí)能量變?nèi)?，對地球生物已無影響。

宇宙深處的“信使”

宇宙射線聯(lián)系著宏觀宇宙和微觀粒子世界，解析宇宙射線不僅能了解它攜帶的宇宙形成、天體演化等宇宙起源奧秘，還能捕捉可能面臨的空間天氣災(zāi)害的蛛絲馬跡。我國羊八井宇宙線觀測站就可以利用宇宙射線作為太陽活動和空間天氣的“晴雨表”，進(jìn)而開展空間天氣、空間探測等領(lǐng)域的研究應(yīng)用，為大氣科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域提供綜合研究平臺。

圖1 羊八井國際宇宙線觀測站實(shí)驗(yàn)陣列的探測器單元（圖/新華社 普布扎西 攝）

位于青藏高原海拔4410米最大的古冰體遺跡海子山上，有一個(gè)名為“拉索”、占地面積達(dá)1.36平方千米的巨大“圓盤”，能夠“接住”從太空撒向地球的帶電粒子?！袄鳌比Q“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO），因所處海拔高，空氣稀薄，能減少大氣對宇宙射線的影響。2021年5月，“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)超高能宇宙加速器，并記錄到能量達(dá)1.4拍（拍=千萬億）電子伏特的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子。

宇宙射線的發(fā)現(xiàn)為人類認(rèn)識宇宙打開了一扇新的大門。有科學(xué)家認(rèn)為，強(qiáng)烈的宇宙射線輻射導(dǎo)致恐龍滅絕，引起生物遺傳物質(zhì)變異，直接影響物種的進(jìn)化方向。也有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙射線通過能量的注入影響云和雷電的形成，進(jìn)而影響地球氣候甚至造成全球變暖。除了來自宇宙深處的射線外，太陽也是一個(gè)巨大的輻射源。在結(jié)束了第24個(gè)太陽活動周之后，太陽也開始慢慢舒展筋骨，展現(xiàn)它的“威力”。

“不按套路出牌”的輻射

讓人意外的是，隨著太陽活動的不斷加劇，人類測量到的輻射強(qiáng)度反而下降。自20世紀(jì)60年代起，芬蘭奧盧大學(xué)就通過架設(shè)在地面的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測空氣中的中子，它們是由包括宇宙射線和太陽高能射線與地球大氣碰撞之后所產(chǎn)生的“碎片”，也就是人們?nèi)粘＝佑|到的宇宙輻射。伴隨著每一個(gè)太陽活動周期，太陽發(fā)生爆發(fā)的次數(shù)由多到少再轉(zhuǎn)多，而地面監(jiān)測到的輻射劑量則呈現(xiàn)與太陽活動周期相反的規(guī)律，也就是說太陽活動越頻繁、強(qiáng)度越大，到達(dá)地面的輻射反而越少。這種現(xiàn)象又該如何解釋呢？

圖2 高海拔宇宙線觀測站（圖/新華社）

圖3 用便攜式蓋革計(jì)數(shù)器測出地面和空中的輻射劑量數(shù)值 （圖/韓大洋）

太陽本身具有極強(qiáng)的磁場，其影響范圍遍及整個(gè)太陽系，而對于來自其他星系的宇宙射線而言，太陽磁場就是一張防護(hù)效果極佳的“保護(hù)罩”，能將這些外來能量阻擋在太陽系之外。隨著太陽活動的減弱，磁場強(qiáng)度相應(yīng)降低了，這就給外來宇宙射線趁虛而入的機(jī)會，所以太陽活動較弱的時(shí)候，到達(dá)地球的輻射反而更強(qiáng)。

太空風(fēng)險(xiǎn)無處不在

在地球之外的外太空，情況更復(fù)雜。距離地球約38萬千米的月球，空間輻射環(huán)境也異常復(fù)雜。1972年8月發(fā)生了人類有記錄以來最強(qiáng)的太陽質(zhì)子事件，速度極快的帶電粒子飛離太陽，恰逢“阿波羅16號”和“阿波羅17號”探月任務(wù)期間，據(jù)事后計(jì)算模擬，如果當(dāng)時(shí)宇航員剛好在月球表面活動，將直接暴露在高能質(zhì)子的轟擊之下，其輻射劑量已達(dá)到致死等級。

與月球表面相比，在太空執(zhí)行任務(wù)的航天員面臨的輻射環(huán)境更加惡劣，就連空間站、衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡等長期駐留在太空的人造航天器，都會在輻射的影響下出現(xiàn)儀器性能的老化、材料結(jié)構(gòu)變化，甚至引發(fā)故障。

據(jù)人類太空活動長期積累的數(shù)據(jù)分析，在太陽活動平靜的背景下，航天員在空間站駐留半年時(shí)間將受到約100毫西弗劑量的輻射，這是普通人每年所受輻射劑量的100倍。在太陽風(fēng)暴爆發(fā)的極端情況下，這一數(shù)值會在此基礎(chǔ)上增加10~20倍。2003年的“萬圣節(jié)太陽風(fēng)暴”期間，國際空間站臨時(shí)關(guān)閉了飛船工作站和機(jī)械臂，宇航員終止一切任務(wù)，進(jìn)入位于空間站尾部的防護(hù)艙中緊急避險(xiǎn)。

常見的“航空輻射”

圖4 太空中的極光，是宇宙高能粒子撞擊地球的最好證據(jù)（圖/NASA）

人們較常見的一種輻射是搭乘飛機(jī)出行時(shí)可能遇到的航空輻射。通過長期的監(jiān)測與測量，在民航客機(jī)巡航的8000~12 000米高度，輻射劑量是地面的10~30倍，意味著隨著飛行高度的升高，航空輻射也正在悄悄靠近。

宇宙射線以及與大氣碰撞后產(chǎn)生的中子同樣是這些輻射的源頭。1956年3月23日，一架從巴黎飛往舊金山的航班遭遇了極端情況，數(shù)小時(shí)飛行累計(jì)的輻射劑量高達(dá)3毫西弗，超過普通幼兒年承受輻射劑量上限的3倍。

圖5 中俄聯(lián)合體全球空間天氣中心（圖/韓大洋）

目前，中國氣象局中俄聯(lián)合體全球空間天氣中心已開始運(yùn)行，對全球范圍內(nèi)可能影響航空運(yùn)行以及航天活動的太陽爆發(fā)、電離層等空間天氣過程提供空間天氣服務(wù)。未來，人們在出行時(shí)便能實(shí)時(shí)通過定制化的“航空空間天氣指數(shù)”來完善出行安排。（據(jù)《中國氣象報(bào)》）