宇宙射線

韓大洋 羅瀾 郭建廣

當(dāng)夜幕降臨，我們仰望星空時(shí)，遙遠(yuǎn)的宇宙靜謐深邃。然而，宇宙中每時(shí)每刻都發(fā)生著能量爆發(fā)，在人們看不到的地方，宇宙射線作為巨大質(zhì)量星體的能量載體，能穿過(guò)星系介質(zhì)進(jìn)入銀河系，沖向地球。

宇宙射線構(gòu)成

1912年，物理學(xué)家維克托·赫斯乘熱氣球探測(cè)到電離室內(nèi)的電流隨海拔升高而變大，起初他認(rèn)為輻射來(lái)源于太陽(yáng)，但當(dāng)他在夜間仍能探測(cè)到高空的電流示數(shù)時(shí)，得出結(jié)論：有一種來(lái)自地球外部空間的高穿透力射線進(jìn)入大氣層，從而產(chǎn)生了高空電流，這就是宇宙射線。

宇宙射線本質(zhì)上是來(lái)自宇宙空間的高能帶電粒子，其中主要包括約87%的質(zhì)子和12%的α粒子。在宇宙射線沖向地面的過(guò)程中，需要穿過(guò)稠密的大氣層，進(jìn)而與大氣分子和原子微粒發(fā)生碰撞，使得它們的速度大大降低，所以當(dāng)它們到達(dá)地面時(shí)能量變?nèi)酰瑢?duì)地球生物已無(wú)影響。

宇宙射線聯(lián)系著宏觀宇宙和微觀粒子世界，解析宇宙射線不僅能了解它攜帶的宇宙形成、天體演化等宇宙起源奧秘，還能捕捉可能面臨的空間天氣災(zāi)害的蛛絲馬跡。我國(guó)羊八井宇宙線觀測(cè)站就可以利用宇宙射線作為太陽(yáng)活動(dòng)和空間天氣的“晴雨表”，進(jìn)而開展空間天氣、空間探測(cè)等領(lǐng)域的研究應(yīng)用，為大氣科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域提供綜合研究平臺(tái)。

位于青藏高原海拔4410米最大的古冰體遺跡海子山上，有一個(gè)名為“拉索”、占地面積達(dá)1.36平方千米的巨大“圓盤”，能夠“接住”從太空撒向地球的帶電粒子。“拉索”全稱“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（LHAASO），因所處海拔高，空氣稀薄，能減少大氣對(duì)宇宙射線的影響。2021年5月，“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)超高能宇宙加速器，并記錄到能量達(dá)1.4拍（拍=千萬(wàn)億）電子伏特的伽馬光子，這是人類迄今觀測(cè)到的最高能量光子。

宇宙射線的發(fā)現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)宇宙打開了一扇新的大門。有科學(xué)家認(rèn)為，強(qiáng)烈的宇宙射線輻射導(dǎo)致恐龍滅絕，引起生物遺傳物質(zhì)變異，直接影響物種的進(jìn)化方向。也有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙射線通過(guò)能量的注入影響云和雷電的形成，進(jìn)而影響地球氣候甚至造成全球變暖。除了來(lái)自宇宙深處的射線外，太陽(yáng)也是一個(gè)巨大的輻射源。在結(jié)束了第24個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周之后，太陽(yáng)也開始慢慢舒展筋骨，展現(xiàn)它的“威力”。

讓人意外的是，隨著太陽(yáng)活動(dòng)的不斷加劇，人類測(cè)量到的輻射強(qiáng)度反而下降。自20世紀(jì)60年代起，芬蘭奧盧大學(xué)就通過(guò)架設(shè)在地面的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測(cè)空氣中的中子，它們是由包括宇宙射線和太陽(yáng)高能射線與地球大氣碰撞之后所產(chǎn)生的“碎片”，也就是人們?nèi)粘＝佑|到的宇宙輻射。伴隨著每一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期，太陽(yáng)發(fā)生爆發(fā)的次數(shù)由多到少再轉(zhuǎn)多，而地面監(jiān)測(cè)到的輻射劑量則呈現(xiàn)與太陽(yáng)活動(dòng)周期相反的規(guī)律，也就是說(shuō)太陽(yáng)活動(dòng)越頻繁、強(qiáng)度越大，到達(dá)地面的輻射反而越少。這種現(xiàn)象又該如何解釋呢？

太陽(yáng)本身具有極強(qiáng)的磁場(chǎng)，其影響范圍遍及整個(gè)太陽(yáng)系，而對(duì)于來(lái)自其他星系的宇宙射線而言，太陽(yáng)磁場(chǎng)就是一張防護(hù)效果極佳的“保護(hù)罩”，能將這些外來(lái)能量阻擋在太陽(yáng)系之外。隨著太陽(yáng)活動(dòng)的減弱，磁場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)降低了，這就給外來(lái)宇宙射線趁虛而入的機(jī)會(huì)，所以太陽(yáng)活動(dòng)較弱的時(shí)候，到達(dá)地球的輻射反而更強(qiáng)。

在地球之外的外太空，情況更復(fù)雜。距離地球約38萬(wàn)千米的月球，空間輻射環(huán)境也異常復(fù)雜。1972年8月發(fā)生了人類有記錄以來(lái)最強(qiáng)的太陽(yáng)質(zhì)子事件，速度極快的帶電粒子飛離太陽(yáng)，恰逢“阿波羅16號(hào)”和“阿波羅17號(hào)”探月任務(wù)期間，據(jù)事后計(jì)算模擬，如果當(dāng)時(shí)宇航員剛好在月球表面活動(dòng)，將直接暴露在高能質(zhì)子的轟擊之下，其輻射劑量已達(dá)到致死等級(jí)。

與月球表面相比，在太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)的航天員面臨的輻射環(huán)境更加惡劣，就連空間站、衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡等長(zhǎng)期駐留在太空的人造航天器，都會(huì)在輻射的影響下出現(xiàn)儀器性能的老化、材料結(jié)構(gòu)變化，甚至引發(fā)故障。

據(jù)人類太空活動(dòng)長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)分析，在太陽(yáng)活動(dòng)平靜的背景下，航天員在空間站駐留半年時(shí)間將受到約100毫西弗劑量的輻射，這是普通人每年所受輻射劑量的100倍。在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)的極端情況下，這一數(shù)值會(huì)在此基礎(chǔ)上增加10～20倍。2003年的“萬(wàn)圣節(jié)太陽(yáng)風(fēng)暴”期間，國(guó)際空間站臨時(shí)關(guān)閉了飛船工作站和機(jī)械臂，宇航員終止一切任務(wù)，進(jìn)入位于空間站尾部的防護(hù)艙中緊急避險(xiǎn)。

人們較常見的一種輻射是搭乘飛機(jī)出行時(shí)可能遇到的航空輻射。通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)與測(cè)量，在民航客機(jī)巡航的8000～12 000米高度，輻射劑量是地面的10～30倍，意味著隨著飛行高度的升高，航空輻射也正在悄悄靠近。

宇宙射線以及與大氣碰撞后產(chǎn)生的中子同樣是這些輻射的源頭。1956年3月23日，一架從巴黎飛往舊金山的航班遭遇了極端情況，數(shù)小時(shí)飛行累計(jì)的輻射劑量高達(dá)3毫西弗，超過(guò)普通幼兒年承受輻射劑量上限的3倍。

目前，中國(guó)氣象局中俄聯(lián)合體全球空間天氣中心已開始運(yùn)行，對(duì)全球范圍內(nèi)可能影響航空運(yùn)行以及航天活動(dòng)的太陽(yáng)爆發(fā)、電離層等空間天氣過(guò)程提供空間天氣服務(wù)。未來(lái)，人們?cè)诔鲂袝r(shí)便能實(shí)時(shí)通過(guò)定制化的“航空空間天氣指數(shù)”來(lái)完善出行安排。（據(jù)《中國(guó)氣象報(bào)》）