Credits: NASA

1972年8月，正如NASA科學家Ian Richardson所記得的那樣，是炎炎夏日。他在英格蘭薩里長大，田地是乾燥的棕色，人們試圖呆在室內：遠離太陽，開着電視。但那個月的幾天，他的電視畫面一直斷斷續續。“不要調整設置，”他回憶起BBC的聲明，“高溫不會造成干擾，是因爲太陽黑子（sunspots）。”

當年8月4日至7日破壞電視信號的太陽黑子同時也導致了巨大的太陽耀斑（solar flares），即來自太陽的強大能量爆發。在阿波羅16號和17號任務期間，月球探測器險些遇到太陽爆發。如果當時在軌道上或在月球表面，它們可能會經歷由爆發引起的強烈輻射。今天，阿波羅時代的耀斑提醒人們，注意輻射對太空中技術和宇航員的威脅，瞭解並預測太陽爆發對太空探索的安全至關重要。

自1972年太陽風暴以來已有近50年的時間，NASA擁有的數據、技術、資源得到了改善，從而推動了空間天氣預報和宇航員保護的發展，這是NASA Artemis計劃（將宇航員送回月球）的關鍵。

太空輻射是宇航員安全登月的關鍵因素。NASA正在探索各種方法和技術以緩和太空旅行期間不同類型的輻射。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng

太空不是空的

如今，Richardson已是NASA戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）的科學家，他的研究方向正是太陽爆發產生的高能粒子。

除了耀斑之外，含有數十億噸太陽物質的巨大的雲偶爾會從太陽表面爆炸，稱之爲日冕物質拋射（coronal mass ejection）。越來越多的科學家認爲，日冕物質拋射在驅動太陽最強大的輻射（太陽高能粒子，SEPs）中起主導作用。

太陽高能粒子幾乎都是質子，運動速度很高，有些能在不到一個小時內到達1.5億公里外的地球。“當一艘船高速駛過水麪時，你可以看到船前方的波浪，”Richardson說，“同理，在快速日冕物質拋射前的衝擊波加速了它們之前的粒子。”

輻射（Radiation）是電磁波（electromagnetic waves）或粒子（particles）攜帶的能量。太陽高能粒子存在危害，因爲它們可以穿透皮膚，釋放的能量會在途中弄碎細胞和DNA。這種損害會增加生命後期癌症的風險，極端情況下會在短期內引起急性放射病。

地球上的我們可以免受這種傷害：磁層（magnetosphere）可以偏轉大多數太陽粒子，大氣層可以減弱所有通過的粒子。國際空間站的軌道也在地球保護範圍內，而且船體本身也有助於保護機組人員免受輻射。

藍色表示的是地球的磁泡，稱爲磁層。磁層可以自然防禦太空輻射，使大部分帶電的太陽粒子偏離地球。

Credits: Andøya Space Center/Trond Abrahamsen

但是，地球磁層外的探險者依然面對強烈的太空輻射。“無論是在軌道、運輸途中、還是行星表面，都存在着輻射的危險，”NASA人類太空飛行計劃的戈達德工程師Ruthan Lewis說，“從防禦技術到封閉性保護，我們在宇航員所處的每個環境中都在考慮這個問題。”

太空救生員

在休斯頓的約翰遜航天中心，一個充滿電腦屏幕和閃爍燈光的房間裏，科學家們每天輪班工作，爲太空站宇航員監測太空天氣狀況，他們被稱爲太空環境官員（space environment officers）。這些科學家是太空的救生員：他們要時刻注意空間輻射的漲落。

每天， 約翰遜空間輻射分析小組的科學家要檢查國家海洋和大氣管理局空間天氣預報中心的空間天氣預報。他們負責警告任務控制小組潛在的太陽活動。如果太陽高能粒子活躍並且空間站恰好在地球磁層的保護外，他們可能會建議推遲需要離開安全站點的活動。無論宇航員在哪兒，團隊都會密切關注他們處於的太空環境。

約翰遜的科學家Kerry Lee 表示，“我們的策略是利用任何可用的質量。”機組人員和輻射之間的質量越大，危險粒子在到達機組人員之前就越有可能把能量用光。在月球上，宇航員可以利用附近的天然屏蔽材料，比如將月球土壤或風化土堆積在他們的避難所上。但是在航天器設計方面，依靠這種保護會很昂貴，因爲更多的質量需要更多的燃料才能發射。

約翰遜團隊正致力於開發無需添加更多材料的屏蔽方法。“我們不太可能專門帶屏蔽輻射的質量上飛船，”Lee說，“我們帶的每件物品必須是多用途的。”

他們爲獵戶座飛船上的宇航員設計了一個計劃，可以通過已有的物品建立一個臨時避難所，包括存儲單元、食物和水。如果發生與阿波羅時代一樣強大的太陽爆發，飛船上的工作人員可以安然無恙。

獵戶座飛船副衛生和醫療技術負責人Jessica Vos（前）和宇航員Anne McClain（後）在航天器中中展示輻射防護計劃。在太陽高能粒子活動期間，船員將使用積載袋（stowage bags）來建立一個防輻射棚。

Credits: NASA

NASA的其他團隊也在爲應對輻射挑戰研究解決方案，比如開發背心和設備以增加質量，還有可以偏轉輻射的帶電平面。

太陽高能粒子

爲保護宇航員，科學家需要知道太陽粒子風暴什麼時候發生。但粒子難以預測，我們並未完全瞭解太陽湍流爆發的本質。

“理想情況下，你可以觀察太陽上的一個活躍區域，看它是如何演變的，並試着預測它何時爆發，”Richardson解釋道，“但問題是，即使你可以預測耀斑和日冕物質拋射，實際上只有一小部分太陽活動會產生對宇航員有害的粒子。”

而且，就算我們知道太陽高能粒子何時爆發，因爲受磁場影響，我們也很難預測它們的去向。磁場線是帶電粒子的高速公路，但隨着太陽旋轉，磁場線呈螺旋狀。場線中的扭結會迫使一些粒子“下高速”，所以它們可能在太陽系的任何一個角落。

“要達到地球上的天氣預報的精確度，我們還有很長的路要走，”戈達德社區協調建模中心（CCMC）的科學家Yari Collado-Vega說道，“我們還需要更多關於太陽的數據集。”

1972年8月7日，加州的大熊湖太陽天文臺（Big Bear Solar Observatory）捕捉到了太陽耀斑。這個特殊的耀斑因形狀被稱爲“海馬耀斑（seahorse flare）”，引發了一場強烈的太陽高能粒子事件。

Credits: NASA

預測太陽高能粒子的模型還處於開發的早期階段。科學家利用更輕、更快、更早到達的電子來預測隨後更重、更加危險的質子洪流。

科學家們靠NASA太陽物理學（heliophysics）任務來推進他們的太空天氣預報模型。飛行器處於太陽和地球之間不同的位置，有利於相關研究。NASA的派克太陽探測器（Parker Solar Probe）於2018年發射，離太陽非常近，將在太陽高能粒子誕生的地方跟蹤它們，有助於瞭解太陽爆發是如何加速粒子的。

時機也是一個因素：太陽經歷11年的高低活動週期。在太陽活動最頻繁的時期，大量太陽黑子以及高磁張力區域已經蓄勢待發。相反，在不活躍的時候，幾乎沒有太陽黑子，爆發也很少見。

在科學家們不斷改進他們模型的同時，NASA的太陽物理航天器能夠爲宇航員提供“警報解除”的信號。如果太陽上沒有活躍的太陽黑子，他們可以確信不會發生太陽風暴。

隔壁星系的輻射

第二種空間輻射比太陽高能粒子傳播得更遠。銀河宇宙射線（Galactic cosmic rays），來自銀河系其他地方、很久之前爆炸恆星的粒子，不斷以接近光速的速度轟擊太陽系。如果太陽高能粒子是一場突如其來的傾盆大雨，銀河宇宙射線更像是一場持續的細雨，但毛毛雨也會令人討厭。

宇宙射線往往比最高能的太陽粒子更強大。可以防禦太陽高能粒子的太空船無法對付宇宙射線，因此宇宙射線是一個嚴重的問題。特別是對於長途飛行任務，比如前往火星，單程就需要6至10個月。

太陽高能粒子確實很難預測，但銀河宇宙射線卻穩定得多。在一秒鐘內，大約90個宇宙射線擊中一個高爾夫球大小的空間。（對比之下，在太陽高能粒子活動期間，同體積大約有1000多個粒子。）這個速率有助於確定輻射的強弱以及任務持續時間。NASA會追蹤每位宇航員的個人劑量，以確保他們不會超出終身所能接受輻射的極限。

宇宙射線由重元素（氫以外的元素）組成，如氦、氧、鐵，這些粒子撞擊原子時會將其撞開，引發更多粒子，這種情況被稱爲二次輻射，進一步增加了宇宙射線帶來的健康隱患。

宇宙射線的出現也與太陽週期有關。在太陽活動相對平靜時，宇宙射線很容易滲入太陽磁場；而在太陽活動高峯，較強的太陽磁泡會阻擋相當一部分宇宙射線。

這張圖顯示了太陽系以及太陽遠遠超出太陽系的磁泡（日光層，heliosphere）。明亮的條紋代表宇宙射線。在太陽活動高峯，隨着日光層的增強，它會阻擋更多宇宙射線。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

目的地：先月球，後火星

登月將幫助NASA收集關鍵數據、開發必要的工具和策略，以便未來可以安全地將人類探險者送往火星。前往火星要需要更久，船員也將面臨更多的輻射。此外，不像地球，火星沒有磁場來轉移輻射。

“我們登上月球的原因之一是爲火星做準備，”Lewis說。持續的月球探測將有助於確定我們是否擁有必要的技術，能在長期太空旅行中保護宇航員。“我們做了很多次模擬，現在開始進行實驗了。”

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