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太空旅行和宇宙輻射

太空旅行和宇宙輻射

林家輝
2022年7月

隨著科技發展,商業太空旅行不再是遙不可及的事。也許有一天,你我都有機會成為太空人。在闖進太空之前, 先讓我們了解一下宇宙輻射對太空人的影響。
在地面上, 地球的磁場和大氣層保護我們,免受太陽粒子或其他來自遙遠超新星的高能量粒子(下稱:宇宙輻射)直接照射。隨著太空船升空,大氣層愈來愈稀薄,地球磁場逐漸減弱,太空人便須依靠太空船的輻射防護物料保護。然而,在重量和燃料限制下,太空船沒有辦法安裝大量的輻射防護物料,例如高密度金屬鉛。再者,面對太空高能輻射,鉛防護層都只能有限度地減弱輻射,無法完全隔絕,因此太空艙內的輻射水平會比地球表面高出數倍至數十倍。另外,在太空艙外進行太空漫步的時候,基於靈活度的考慮,太空衣的輻射防護物會較少,太空人會進一步承受更多的輻射量。 
在六七十年代, 阿波羅任務的總任務時間、月球表面任務時間以及太空人的平均輻射劑量均被美國太空總署記錄(詳見表一)[1]。從六次成功登陸月球的公開數據可見,一個太空人執行十日太空任務和五十小時月球表面任務的輻射劑量平均是5.4毫希,毫希是有效輻射劑量的單位,用作評估輻射對人體的影響。值得注意的是太空人在不同任務所承受到的輻射劑量都不一樣。以阿波羅十四為例,雖然月球表面任務時間不是最長,但任務中太空人的平均輻射劑量尤高,達到11.4毫希。阿波羅登月任務的輻射劑量仍未算最高,表二列出其他太空任務的輻射劑量,當中在天空實驗室四號逗留八十七日的太空人的輻射劑量,較阿波羅十四太空人的輻射劑量高出十五倍。
雖然宇宙輻射對人體影響的研究數據不多,但宇宙輻射比普遍人工產生的輻射穿透力更強,對人體的影響可能更大。因此科學家需要繼續努力研究更多方法去保護太空人的安全。
任務 總任務時間 月球表面任務時間 平均輻射劑量
阿波羅 十一 08日03小時 13分鐘 21小時 38分鐘 1.8毫希
阿波羅 十二 10日04小時 31分鐘 31小時 31分鐘 5.8毫希
阿波羅 十四 09日01分鐘 33小時 31分鐘 11.4毫希
阿波羅 十五 10日01小時 11分鐘 66小時 54分鐘 3.0毫希
阿波羅 十六 11日01小時 51分鐘 71小時 02分鐘 5.1毫希
阿波羅 十七 12日13小時 51分鐘 74小時 59分鐘 5.5毫希
平均值 10日4小時06分鐘 49小時56分鐘 5.4毫希
表一
任務 任務細節 輻射劑量
太空穿梭機41-C 在地球上方460 公里環繞8 日 5.59毫希
天空實驗室 四號 在地球上方473 公里環繞87 日 178毫希
國際太空站 在地球上方353 公里環繞 6 個月 160毫希
表二
1971 年 1 月 31 日,363 英尺高的阿波羅十四號運載火箭從肯尼迪太空中心的 39A 發射台升空。
圖一  1971 年 1 月 31 日,363 英尺高的阿波羅十四號運載火箭從肯尼迪太空中心的 39A 發射台升空。
(圖片來源:https://www.nasa.gov/image-feature/liftoff-of-apollo-14)
登月艙太空人Buzz Aldrin 在月球上進行阿波羅十一號艙外活動的照片。
圖二  登月艙太空人Buzz Aldrin 在月球上進行阿波羅十一號艙外活動的照片。
(圖片來源:https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_872.html)
天空實驗室四號指揮官 Gerald Carr 開玩笑地展示了零重力下的重量訓練,他用一隻手指平衡著倒立的同行太空人William Pogue。
圖三  天空實驗室四號指揮官 Gerald Carr 開玩笑地展示了零重力下的重量訓練,他用一隻手指平衡著倒立的同行太空人William Pogue。
(圖片來源:https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_568.html)
天空實驗室四號指揮官 Gerald Carr在 1974 年 2 月 3 日進行任務最後一次的太空漫步期間拍攝了這張照片。
圖四  天空實驗室四號指揮官 Gerald Carr在 1974 年 2 月 3 日進行任務最後一次的太空漫步期間拍攝了這張照片。
(圖片來源:https://www.nasa.gov/audience/foreducators/spacesuits/historygallery/sky-feb74.html )