火星表面充满了具有辐射危害的高能粒子。综合考虑不同的大气厚度、土壤深度和表面高度等信息，我们模拟了火星上的高能粒子辐射环境及其随这些屏蔽参数的变化。这一模型可以全面的描述未来人类登陆火星不同位置 -- 上至奥林匹斯山顶，下至10米深的火星地下 -- 所面临的辐射环境。

  不远的未来，宇航员将怀揣着人类的太空梦想去登陆和探索火星；人类甚至也可能有一天移民火星，在那里安居乐业。然而，火星表面却充满了具有辐射危害的高能粒子。它们其实是来自于宇宙空间：一种是背景银河宇宙射线（Galactic Cosmic Rays, 简称GCR），另一种是偶发的太阳高能粒子（Solar Energetic Particles, 简称SEP）。和地球不一样，火星缺乏全局的内禀磁场和足够厚的大气保护，这些深空的高能粒子很容易穿透稀薄的大气到火星表面，产生危险的辐射环境，到达人体后，它们可以和其中的细胞、组织甚至基因链条发生作用，产生有害的生物辐射效应，构成了探索火星最大的风险之一。NASA好奇号火星车最新的测量表明，往返火星一次（约三年）的辐射剂量为1 Sv左右，大约为在地球表面生活200年累积的辐射量（Guo et al. 2021 A&A Rev.）！

  好奇号是在海拔负4公里的盖尔火山坑着陆（位置在图一的星号处）并日日夜夜的辛勤工作。人类未来很有可能会去别的火星区域进行探索，高山、平原、地下都有可能。而那里的辐射环境是怎样的呢？其实，火星上不同地方的大气压强可能相差10倍以上（如图一所示）。海拔越高的地方，大气越是稀薄，如奥林匹斯山顶的压强仅有80多Pa；低海拔的盆地处压强则可达1200Pa以上；好奇号火星车所在的盖尔火山坑的压强为800多Pa。高能粒子受大气原子的“拦截”和“分解”作用，在火星表面产生的的辐射也会随大气厚度的不同而变化。而在火星的地下，也就是未来人类可能的栖居所，这个辐射环境也随土壤的深度而不断变化。

图一：火星全球的表面压强

  大家也许会很自然的想到：辐射一定是随着大气厚度的增加而减小的。其实不然！高能粒子在穿过屏蔽物质时，会和物质中的原子发生碰撞和电离，也会自身分解或激发物质产生次级粒子。因而入射粒子的能量和种类都可能在穿过物质时发生变化。虽然深空的GCR和SEP粒子大都是带电的离子，火星上的次级粒子却包括了大量的中子。它们不受电磁场影响，穿透力极强，和人体作用时引发的辐射效果尤为显著。所以有效的生物辐射先是随着屏蔽的增加而增加，在地下0.5米左右达到了峰值，然后才随着屏蔽而减小（如图二所示）。也就是说，如果屏蔽受限（不足1米），还不如不屏蔽！这主要是因为作为次级粒子的中子对总辐射的贡献是随着屏蔽深度的增大而增大的；在火星表面上，中子对有效辐射剂量的贡献约为50%；而在约50cm地下，增加为 80%；在地下两米处，则达到了90%以上。这也表明了未来的行星探测要尤其地防范次级中子对宇航员的辐射风险。

图二：三个位置的总有效生物辐射剂量和中子有效生物辐射剂量（右）；中子的贡献占比（左）

  另外，为了研究不同表面压强对火星辐射的影响，我们选择了六种不同的位置（图一中的白色星号标记），并分别模拟了在不同位置处高能粒子（不同的能量和种类的空间高能粒子）从大气顶层到火星表面，甚至是火星地下十米下的传播过程和辐射的演化分布。其中的三个位置的结果（总的有效生物辐射剂量和中子的有效生物辐射剂量）由不同颜色的线在图二（右）中展示。在图二的左边，我们也展示了由3种表面大气压强计算的结果可以很好的作为基点，由内插法推出在火星表面任何地方（80 --1200Pa之间）或给定的大气高度/土壤深度处的辐射剂量结果。

  虽然前面提到了屏蔽可能会适得其反。我们还是模拟了如何利用进一步的屏蔽来降低辐射危害。图三展示了，为了达到不易引发癌症的年度剂量上限（0.1Sv）或者更低的0.05Sv每年，在火星上不同的海拔处（对应不同压强）所需的土壤屏蔽。其中，希腊盆地1200Pa处所需的土壤厚度最小，将辐射剂量减小到0.1Sv需要1.0m到1.4m的屏蔽深度。这个范围对应的是不同的太阳活动的因素。为什么要看太阳活动性呢？因为GCR是从太阳系外的宇宙深空传来的，它们在从太阳系边缘向内传播的途中，受太阳系磁场的屏蔽作用而产生能变和流量的减弱；因而它们的辐射剂量也随着11年太阳周期的变化而反向变化。太阳活动极大年，其对应的GCR流量偏低，所需的屏蔽厚度也较小。而在低海拔和太阳极小年，所需的屏蔽更大。 

  我们的程序是基于欧洲核粒子中心的 GEANT4代码，并插入了全局的火星大气和开发的粒子传输代码，用于模拟高能粒子通过行星大气和土壤的传播。此程序已开发成熟，并和实验数据进行了对比认证（Guo et al. 2019 SWSC； Roestl et al. 2020 JGR）;我们欢迎大家应用这个程序来进一步合作和研究火星的高能粒子辐射环境。

图三：火星上不同海拔处所需的土壤屏蔽深度

  成果发表于国际权威学术期刊Journal of Geophysical Research: Planets，论文第一作者是中国科学技术大学的博士研究生张建，指导老师和通讯作者是中国科学技术大学的郭静楠教授。该成果获得了中国科学院战略优先计划（XDB41000000），国家自然科学基金（42074222、42130204、42188101），中国科学院重点研究计划（ZDBS-SSW-TLC00103）和民用航空航天技术预研项目（D020104)的经费支持。该成果被选为亮点文章刊登在Eos.org: https://eos.org/editor-highlights/life-on-mars-estimating-radiation-risks-for-martian-astronauts，同时也被Universe Today报道https://www.universetoday.com/155655/which-parts-of-mars-are-the-safest-from-cosmic-radiation/。

论文信息: Zhang, J., Guo, J., Dobynde, M. I., Wang, Y., & Wimmer-Schweingruber, R. F. (2022). From the top of Martian Olympus to deep craters and beneath: Mars radiation environment under different atmospheric and regolith depths. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2021JE007157. https://doi.org/10.1029/2021JE007157

参考文献

1.Guo, J., Banjac, S., Röstel, L., Terasa, J. C., Herbst, K., Heber, B., & Wimmer‐Schweingruber, R. F. (2019). Implementation and validation of the GEANT4/AtRIS code to model the radiation environment at Mars. Journal of Space Weather and Space Climate, 9(A2), 19. https://doi.org/10.1051/swsc/2018051

2.Rostel, L., Guo, J., Banjac, S., Wimmer‐Schweingruber, R. F., &Heber,B. (2020). Subsurface radiation environment of Mars and its implication for shielding protection of future habitats. Journal of Geophysical Research: Planets, 125, e2019JE006246. https://doi.org/10.1029/2019JE006246

3.Jingnan Guo* et al. (2021), Radiation Environment for future Human Exploration on the surface of Mars: The Current Understanding based on MSL/RAD Dose Measurements, The Astronomy and Astrophysics Reviews (invited review), 29, 8. https://doi.org/10.1007/s00159-021-00136-5