老粥科普2019-09-01 00:37:25要想搞清楚太陽系邊緣輻射的強弱，首先要搞清楚什麼是輻射。當我們提及輻射的時候，它通常分兩種：電磁波輻射與粒子輻射。
電磁輻射
電磁波輻射又被稱為光輻射，它是各種不同頻率與不同波長光的總稱
，γ射線、x射線和紫外光的頻率高、波長短，我們看不見它們；紅外線、微波和無線電波的頻率低、波長長，我們也看不見它們。人肉眼可見的光電磁波輻射的頻率範圍大約為4。2×10¹⁴～7。8×10¹⁴Hz，波長大約在
380～780nm之間，我們稱其為可見光。
γ射線、x射線和紫外光輻射由於其頻率高，穿透力強，對人體是有害的。
當強烈的γ射線和x射線照射人體時會有致命影響
。
（電磁波輻射光譜圖，可見光只佔其中極少部分）
空間不空
我們能看到遙遠的星光，夜空看起來透明、沒有任何東西，所以我們稱之為真空。其實太空中並非空無一物，它實際上充斥著許高能量的波（場）和粒子。
太陽不僅時刻發出電磁波輻射，它還向四周拋射大量帶電粒子。
太陽發出的帶電粒子流被稱為太陽風
，它吹過所有行星，一直到達冥王星的距離的三倍遠的地方，直到被星際介質阻擋。這在太陽系周圍形成一個巨大的氣泡，稱為
日光層
。
（日光層阻擋銀河系宇宙射線，藍色氣泡為太陽風激波邊界，其中心是太陽系）
帶電粒子流除了有大量的電子，還有許多高能量的質子（氫原子核）。 這些高能粒子以極高的速度飛行，有些在不到一個小時的時間內就能到達1。5億公里外的地球（光大約需要8分多鐘）。
太陽的高能粒子來自於太陽大氣的日冕物質拋射與耀斑爆發。日冕和太陽風的平均溫度約為1000000-2000000K（開爾文）；在最熱的地區，它們的溫度將高達8000000-20000000K。如此高溫將原子電離，使之成為高溫等離子體，同時在太陽表層形成強大磁場。由高溫等離子體構成的太陽大氣以極快速度流動，其產生的湍流也使磁場變幻莫測，當強磁場穿過太陽黑子並與日冕相連線時，耀斑就由電暈中儲存的磁能的突然（幾分鐘到幾十分鐘的時間尺度）釋放出來。耀斑產生的電磁輻射覆蓋了從伽馬射線到長波的整個電磁波譜，同時將太陽大氣中的質子和電子流也一併射向太空。
（太陽耀斑爆發與日冕物質噴射）
太陽系的邊緣有什麼？
太陽系的邊緣就是日光層的邊界，這也是太陽影響力的邊界。日光層的“氣泡”不斷被來自太陽的等離子體（
太陽風
） “充氣” 。日光層的邊界並非固定不變，它的大小形狀隨著太陽風以及星際介質的強度變化而變化。在日光層邊界，正常情況下一個乒乓球大小的區域內會有約90個高能粒子穿過，而當太陽耀斑爆發時，將會有1000個粒子穿過每一個乒乓球大小的空間，由此可見其粒子密度還是很大的。
太陽風阻擋了銀河系的高能宇宙射線（GCR）向太陽系內部的滲透，但它僅能阻止一部分輻射，因為宇宙射線的能量實在是太強大了，太陽風根本不可能完全阻擋它。
銀河宇宙射線由高能質子（佔85％）、氦核（14％）和少量高能原子核（HZE離子）組成。與太陽風的質子和極少量氦核不同，HZE離子屬於重原子離子，包括碳、氧、鎂、矽和鐵等，這些高能粒子產生於銀河系深處超新星的爆發，它們以接近光速的速度在星際間穿行。
（太陽風及其磁場只能阻擋一部分宇宙射線進入太陽系）
在日光層邊界外圍有一個“終止衝擊”區，太陽風粒子在這裡由於受到宇宙射線的阻擋由超過400km/s迅速減速到100km/s以下，從而發生激波效應，這導致壓縮、溫度與磁場變化。同樣地，宇宙射線在這個區域因受到太陽風的阻力而產生弓形激波。
如果我們繼續前行，跨過這個由激波構築起的“氫壁”，就進入到了銀河系的星際空間，這裡充滿了高能量的宇宙輻射物質，除了較輕的質子和α粒子外，還會遭遇更大量重粒子輻射轟擊。
宇宙輻射極具破壞性
粒子輻射是包裹在極速運動粒子中的能量
，當波或粒子遇到其他東西時，能量就會被傳遞出去。相對於γ射線與x射線，攜帶高能量的粒子輻射極其危險，當遇到宇宙飛船的厚金屬牆，巨大的粒子在撞擊原子時會將原子撞散，從而發射出更多粒子，其中就包括中子，這被稱為二次輻射。二次輻射會威脅健康。
粒子輻射不僅能破壞電子裝置，還會穿透面板，用它的能量擊碎細胞或DNA。這一方面
會在短期內引起急性放射病，長期
會增加患癌症的風險。
（x射線與重粒子對DNA都具有破壞作用）
無論是太陽發射的質子、α粒子，還是宇宙射線的高能重離子粒子，由於它們攜帶正電荷，因此容易受到磁場影響而發生偏轉，這就是在球上的生命安然無恙的原因之一。地球擁有強大的全球磁場，當宇宙射線接近時，它們會受地球磁場影響而發生偏轉，少數漏網者會在大氣層中將其能量消耗殆盡，因此不再對地球生命構成威脅。
（地球磁層阻擋了絕大多數的宇宙輻射）
月球沒有全球磁場，因此它暴露在太陽風與宇宙粒子的轟擊之下。但科學家們發現在月球表面有許多被不均勻“曬傷”的傷痕，這到底是什麼原因造成的呢？
（月球表面巨大的“傷疤”）
這是因為月球有些地區存在區域性的磁場。磁場扭轉了高能粒子的運動軌跡，使更多的高能粒子沿著磁力線運動，從而更密集地轟擊磁極。轟擊造成暗色的條帶，那些顏色相對較淺的區域恰恰因為磁場的保護而更少被粒子擊中。
（月球上的“曬傷”是區域性磁場保護作用的結果）
由此可見，當我們離開地球磁場的保護，開始深空旅行之前，必須考慮太陽及宇宙輻射對航天器以及人員健康潛在的危害，並盡一切可能提前做好防護措施。
對輻射的防護
對宇宙輻射最簡單的防護就是加大宇宙飛船艙壁的厚度，一米以上的厚重金屬可以阻擋大多數重粒子的轟擊。遺憾的是這不是個好主意，它會造成飛船超重而根本無法發射，並且從成本的角度也極不合算，火箭發射每增加一克的重量都意味著高額成本。
為了防止飛船上的計算機和電子裝置被高能粒子破壞，科學家們一方面研發更好的複合材料來製造飛船外殼，用分層的鋁或鈦減緩高能粒子，阻止它們到達敏感的電子元件。同時還為電子裝置設計冗餘和多重備份。這樣當一個元件受損失效時，會立刻由備份元件來彌補。
（地面演示用各種飛船搭載物資來構建輻射避難所）
到目前為止，絕大多數的載人航天器都在地球磁場的保護區域內執行，即便如此，當飛船偶爾執行到磁層保護區域之外，或者當太陽耀斑爆發時，宇航員們還是需要提前獲取警告資訊，轉移到防護性更好的艙室來躲避輻射。在這些艙室裡，宇航員們會盡可能地將食品、飲水以及其它物品的儲存包堆放在周圍，用這些積載袋來建立一個密集的防輻射棚，然後躲在裡邊。
要做到這一切，需要事先建立起宇宙空間氣象監視和預報系統。這樣當太陽耀斑爆發時，宇航員們才有機會提前進行準備以度過危機。對於從四面八方輻射而來的銀河系高能粒子輻射，目前還沒有可靠的預報手段，因此那些包括登月任務（當處於向陽面時，月球在地磁保護層之外）和未來登陸火星的太空旅行來說，風險依然極高。
（離開地球磁場的保護，太空旅行風險倍增）
總結：
空間不是空的。即使遠在太陽系的邊緣，其輻射強度依然很高，這裡是太陽風的終止衝擊邊界，同時也是銀河系高能輻射粒子的激波區域。無論是太陽粒子還是高能宇宙射線，對於航天器、電子裝置以及宇航員都有強大的破壞與殺傷力。
太陽發射的γ射線、x射線可以穿透和殺傷人體細胞，宇宙中攜帶高能量的質子、α粒子以及重離子粒子也能穿透航天器艙壁，破壞DNA鏈，使其失去繁殖能力，甚至引發癌症。
為了避免受到輻射傷害，我們應該儘量避免離開地球磁場的保護，同時做好空間輻射的氣象預報，幫助宇航員爭取轉移避難的時間。
到目前為止，人類還沒有從技術上做好深空旅行的準備，更不用說去到太陽系的邊緣去探險，這些工作交給無人空間探測器去完成會更好。
（旅行者1號探測器目前已經飛出日光層，進入星際介質空間）