航天員輻射效應

航天員輻射效應

宇宙間充滿了各種人眼難於察覺的高能粒子輻射。它們與地面放射性物質發出的射線一樣具有致命的放射性,能夠穿透太空艙航天服,引起航天員身體器官的物理損傷,對在軌航天員產生巨大威脅。

基本介紹

  • 中文名:航天員輻射效應
  • 外文名:Space radiation effect on astronauts
  • 輻射源:地球輻射帶、GCR、SPE
  • 涉及人群:航天員
  • 危害:高能粒子輻射、高能電磁輻射
  • 防護措施:太空飛行器艙壁和航天服等的禁止防護
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危害

高能粒子輻射主要是通過兩種機制引起人體細胞損傷:一是高能輻射可直接造成生物活性大分子斷裂、脫落,導致直接損傷;二是高能輻射粒子與人體中大量的水分子結合形成自由基,這些自由基進一步與生物分子發生化學反應,造成間接損傷。
航天員輻射效應
高能粒子與水分子形成的自由基對DNA的破壞
人體輻射效應危害非常複雜,其嚴重程度主要與所受到的輻射劑量大小有關。如果人體只是受到輕微的輻照,如地面上的本底輻射(即自然界中原來就存在的輻射),人體細胞能夠很快自己修復受到的損傷。但是在人體受到高劑量的高能粒子輻射的情況下,細胞無法及時修復,就可能造成細胞的死亡或永久損傷,會引起皮膚、骨髓等器官的急性損傷(比如引起白內障),嚴重時甚至會危及生命。而在低劑量輻照情況下,高能粒子可能誘發細胞產生變異。如果變異細胞是體細胞,則表現為軀體效應;如果損傷的是生殖細胞,則表現在受照者的後代身上,這就表現為遺傳效應。因此在載人航天任務中,航天員的接受的輻射劑量是受到嚴格的控制的。
航天員輻射效應
輻射造成DNA的斷裂

輻射源

地球周圍的空間環境中,主要存在三種高能粒子輻射源:地球輻射帶銀河宇宙線(GCR)和太陽質子事件(SPE)。而航天員在太空執行任務時,脫離了地球稠密大氣層的保護,直接暴露於這些空間輻射環境當中。

地球輻射帶

地球輻射帶是高能帶電粒子受地球磁場捕獲而形成的強輻射區域,包括內輻射帶和外輻射射帶,主要由高能電子與高能質子構成。目前的載人航天活動主要集中在500公里以下的低地球軌道(LEO)上,處於內輻射帶底部。這個高度上輻射帶主要集中在兩個區域:南大西洋異常區SAA(內輻射帶)和極區電子帶(外輻射帶)。輻射帶高能粒子的能量相對不高,太空飛行器的艙壁對它們能起到很好的禁止作用,但航天員的出艙活動(EVA)應儘可能避開南大西洋異常區以降低航天員受到的輻射劑量。
航天員輻射效應
神舟飛船穿越南大西洋異常區

銀河宇宙線

銀河宇宙線是來自銀河系超新星爆發時的高能粒子,能量很高,但通量很低,一般不會造成顯著的短期效應,但長期暴露在GCR中會增加不育和癌症的風險。在近地載人軌道上,地磁場禁止了大部分的GCR,GCR的劑量貢獻主要集中在極區附近,軌道越高、傾角越大,GCR的影響越大。GCR的能量很高,太空飛行器的禁止作用不大。

太陽質子事件

太陽質子事件是太陽爆發活動產生的高能帶電粒子流,持續時間從幾十分鐘到幾天不等。大的太陽質子事件會產生較大的劑量,對載人航天是一個嚴重威脅。與銀河宇宙線類似,在近地載人軌道上,受地磁禁止的影響,一般SPE產生的輻射較小,劑量貢獻主要集中在極區附近,軌道傾角越高,受到的影響越大。

防護措施

目前的常規載人飛行,如神舟和國際空間站,都運行在300公里到500公里的低地球軌道上,地磁場能夠在很大程度上保護航天員免受空間環境輻射的嚴重影響,另外太空飛行器艙壁和航天服等的禁止防護,再加上飛行時間一般比較短,因此通常情況下空間輻射對航天員的危害並不大。但在惡劣的空間環境條件下,主要是偶發的太陽質子事件,空間輻射對太空人的影響就要大很多。對於未來的星際載人飛行,如登月飛行和火星之旅等,由於失去了地球磁場的保護,銀河宇宙線和太陽粒子事件的影響更加嚴重。
為了保障在軌航天員免受高能粒子輻射的嚴重影響,載人航天任務實施過程中採取了大量的輻射防護措施,包括對太陽質子事件進行監測預警,制定各種情況下飛行計畫與操作預案,在太空飛行器中建造專門的輻射避難裝置等等,儘可能地使太空人受到的輻射降低到安全程度。
航天員輻射效應
我國研製的“飛天”艙外航天服
我國神舟載人飛船由於軌道高度和傾角與國際空間站(ISS)、美國太空梭等相比較低,受到的輻射劑量相對更低。但是,如果遭遇特大質子事件,特別是同時伴隨有大地磁暴時,高能質子就有可能擴展到低高度和較低緯度地區,從而影響航天員健康。特別是在航天員進行太空行走的時期,由於航天服的輻射防護能力遠遠弱於太空飛行器的艙壁,強質子事件對航天員的健康安全威脅更大。因此,航天員出艙活動必需關注空間環境預報,應儘量選擇空間環境平靜期,避開太陽爆發事件。

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