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科普 | 我们可以从地球上的宇宙辐射中受益吗?

2021-09-10 13:32     来源:中国同位素与辐射行业协会     宇宙射线原子核X射线

宇宙辐射可以是银河宇宙辐射和太阳宇宙辐射。地球磁层偏转宇宙射线并保护我们免受太阳耀斑的伤害。(图片:L. Han/原子能机构)

宇宙辐射正如其名:来自太空的辐射。在本文中,我们探讨宇宙辐射是什么,为什么我们在地球上要受到保护免受这种辐射,它如何影响从事特定工作的人,以及它如何帮助推进癌症治疗技术。

什么是宇宙射线?

宇宙射线是极高能量的亚原子粒子(主要是伴随有电磁辐射的质子和原子核),它们穿过太空,最终轰击地球表面。它们以大约每秒30万公里接近光速的速度行进。

宇宙射线来自何方?

宇宙射线有两类:银河宇宙射线和太阳宇宙射线。银河宇宙辐射来自超新星的残留物,超新星是坍缩成黑洞或被摧毁的大质量恒星最后阶段的大爆炸。这些爆炸释放的能量对太阳系外的带电粒子进行加速,使它们具有很强的穿透力且极难屏蔽。本质上,超新星就像巨大的天然粒子加速器。地球经常暴露在银河宇宙辐射下。

太阳宇宙辐射由太阳发射的带电粒子组成,主要是电子、质子和氦核。其中一些辐射是从太阳的日冕中不断发射出来的,因此科学家们将其称为“太阳风”。其余辐射来自太阳粒子事件,即带电粒子的突然和零星爆发,并伴随有太阳表面的磁场拉伸和扭曲时发生的电磁辐射。就像橡皮筋一样,太阳的磁场会断裂,突然释放出巨大的能量,对太空中的宇航员构成潜在的健康关切。尽管罕见,但强烈的太阳耀斑最终会造成无线电中断,并影响地面的现代通信和导航技术。

宇宙射线能到达地面触及我们吗?

地球被磁场屏蔽,磁场使带电粒子在两极间反弹,形成由高能电子和高能质子组成的两个巨大的甜甜圈形状的带。地球磁层偏转宇宙射线并保护我们免受太阳耀斑的伤害。有时,宇宙辐射确实会触及我们,但不会造成任何伤害,就像我们经常接触到的其他低水平辐射一样。平均而言,人们每年会受到约3.5毫希沃特的辐射。其中大约一半来自X射线、乳房X射线照相和计算机断层照相扫描等人工源,另一半来自天然源,其中约10%来自宇宙辐射。希沃特是对辐射健康风险的衡量单位:1希沃特意味着有5.5%的可能性在生命后期最终发展成辐射诱发的癌症。

“在地球的磁极溜进大气层的宇宙射线粒子可以产生真正令人炫目的多彩极光。”原子能机构外部剂量学专家Michael Hajek说。天体物理学家Joan Feynman一生大部分时间都致力于研究极光,她发现这些主要出现在北极和南极周围高纬度地区的神奇现象是太阳风的带电粒子与大气中的气体成分碰撞的结果。最常见的淡黄绿色极光由氧分子产生,氮则会产生蓝色或紫红色极光。

当我们飞行时宇宙辐射会触及我们吗?

会的。虽然飞机乘客暴露于更高水平的宇宙辐射,特别是在更高海拔和纬度的时候,但他们在一次飞行中受到的辐射是微不足道的。机组人员和飞行常客因为经常飞行而受到来自太空的更高水平的辐射剂量。大多数推进式飞机等通常在低海拔作业的飞机机组人员每年不会受到超过1毫希沃特的剂量。然而,在长途极地航线上服务的机组人员可能受到高达6毫希沃特的年有效剂量。

“在其安全标准中,原子能机构有一个专门的部分,即第GSR-Part 3号文件第五部分,概述成员国须减少机组人员辐射照射的方案,”原子能机构辐射防护科科长Tony Colgan说。机组人员的飞行时间由国际航空运输协会(国际空运协会)控制,该协会还设置了机组人员可受到照射的辐射剂量的限值。

对宇航员会怎么样呢?

宇航员接受更高的辐射剂量。在400公里高度环绕地球运行的空间站上的宇航员通常每天暴露在超过0.5毫希沃特的剂量下。12天内,他们会受到与机组人员一年内受到剂量相同的剂量。国家空间机构已为宇航员设置了职业剂量限值。辐射致癌和某些组织反应等健康影响可能与宇航员的宇宙辐射照射有关,尽管样本量小使得难以量化这些影响。

我们可以从地球上的宇宙辐射中受益吗?

“我们对高水平宇宙辐射诱发的细胞损伤的理解如何能够帮助推进使用高能粒子加速器治疗癌症的技术,这是非常吸引人的,”Hajek说。与太空中遇到的带电粒子类似的带电粒子束由于其独特的特性可以摧毁深层肿瘤,同时最大程度地减少对周围组织的损伤。“反过来,离子疗法取得的见解将使我们能够改善太空辐射防护,并克服目前在预测长期太空旅行的健康风险方面的局限,”Hajek解释说。

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