火星表面輻射環境分析

李衍存，鄭玉展，郝志華，王建昭，呼延奇，曲少杰，蔡震波

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

0 引言

火星表面的輻射環境，是空間中的太陽宇宙射線和銀河宇宙射線，通過與火星大氣和表面土壤的相互作用，在表面形成的輻射環境?；鹦侨蛐源艌鲚^弱（≤5 nT）[1]，對太陽宇宙射線（SCRs）、銀河宇宙射線（GCRs）等無法形成屏蔽，因此火星表面輻射環境比地球的更惡劣。對于載人登陸火星任務，較大的輻射劑量將嚴重影響航天員的身體健康。

針對火星表面輻射環境，國外在分析方法和實測數據方面均開展了詳細研究。ESA 開發了dMEREM 和eMEREM模型[2]，分別采用蒙特卡羅方法和快速工程方法，給出火星表面輻射環境。NASA 的Simonsen 等采用HZETRN 軟件分析了太陽活動高年條件下的火星表面輻射環境[3]。2012年，“火星科學實驗室”“好奇號”上的輻射評估探測器（Radiation Assessment Detector,RAD）對火星表面的輻射環境進行了探測[4]。以上分析和探測的均為火星表面輻射環境，未考慮輻射環境在火星表面不同高度上的分布情況。由于火星存在稀薄大氣，國際上進行了火星表面低空飛行器的相關研究[5]；研究火星輻射環境在不同高度上的分布情況，可為火星表面低空飛行器等的輻射分析提供數據。

本文以火星表面大氣和土壤作為輸入，以太陽宇宙射線和銀河宇宙射線作為初始粒子源，通過輸運分析的方法，獲得火星表面輻射環境，并研究其特點。

1 火星表面輻射環境分析

1.1 分析方法

建立火星大氣和火星土壤的模型，采用粒子輸運軟件GEANT4[6]進行分析，獲取空間高能粒子在火星大氣、土壤中運動時產生的次級粒子、反照粒子情況，如圖1所示。

按照MOLA 高度分析，火星大氣高度上限設定為125 km，下限設定-3 km，共128層，每層厚度為1 km?；鹦峭寥篮穸劝凑湛臻g高能粒子環境進行設定。目前分析中，空間粒子質子最大能量取100 GeV，采用GEANT4分析可以得到，其在火星土壤中的射程為372 m，因此火星土壤的厚度設定為400 m，略大于質子射程，以確保質子可完全沉積到土壤中；土壤共40層，每層厚度10 m。

空間高能粒子主要是質子、α 粒子以及其他重離子，這些高能粒子與大氣和土壤相互作用時，會與其中的原子發生非彈性碰撞，產生新的粒子，包括伽馬光子、中子、電子等。統計所有粒子的通量，可以獲得火星表面綜合輻射環境。

圖1 火星表面輻射環境輸運分析模型Fig.1 Transport analysis model for Mars’surface radiation environment

1.2 火星表面大氣和土壤環境

1）大氣環境

用于輻射環境分析的大氣環境參數包括成分和密度，這兩項參數可從火星大氣模型中獲取。目前國際上常用的火星大氣模型為美國的Mars-GRAM[7]、歐洲的MCD[8]，兩個模型均在各自主導的火星著陸探測任務中有工程應用?；鹦谴髿庵饕煞譃槎趸迹?5.3%）、氮氣（2.7%）、氬（1.6%），以及極少量的氧（1.5%）和水蒸氣（0.03%）?；趦蓚€火星大氣模型，考慮火星表面不同緯度等因素，獲得了不同條件下火星大氣密度與高度的關系數據，最終將兩個模型結果的平均值作為大氣參數的標稱值，如圖2所示。

圖2 不同條件火星大氣密度與MOLA 高度的關系Fig.2 Relationship between Mars atmosphere density and MOLA altitude based on different models

2）土壤環境

用于輻射環境分析的土壤環境參數包括土壤成分和密度。目前對于火星土壤化學成分含量的認識主要來自“海盜號”（Viking Lander 1,Viking Lander 2）上的X 射線熒光譜儀（XRF）[9]、“火星探路者號”（Mars Pathfinder）上α 粒子質子X 射線譜儀（APXS）[10]、“勇氣號”（Spirit）[11]和“機遇號”（Opportunity）[12]上的α 粒子X 射線譜儀（APXS）以及“好奇號”（Curiosity）[13]上的化學相機（ChemCam）等任務載荷的探測結果，詳見表1。表1結果顯示火星全球表層土壤成分大致均一，故選擇表1每行數據的平均值作為分析輸入參數。

表1 火星表面土壤成分（重量百分比）Table1 Mars’surface soil composition(wt%) 單位：%

火星表面土壤密度可以通過在火星表面實地測量，或測量雷達信號在火星表面的相對損耗角正切值得到。Viking 1[14]通過多次實地測量，確定土壤密度約為1～1.6 g/cm3。蘇聯利用Mars-3和Mars-5 上3.8 cm 和3.4 cm 的雷達信號[14]測量得到土壤密度約為（1.37±0.33）g/cm3。兩者測量數據基本一致，考慮到雷達信號測量方法可以深入火星表面1 m[15]，而空間高能帶電粒子可以入射到火星表面一定深度，在仿真分析時土壤密度采用蘇聯的測量數據1.37 g/cm3。

1.3 銀河宇宙射線和太陽宇宙射線模型

銀河宇宙射線采用CREME 96模型[16]，如圖3(a)所示。考慮到最惡劣情況，太陽宇宙射線采用1989年10月事件模型[17]，如圖3(b)所示。

太陽宇宙射線中的高能粒子來源于太陽，粒子通量與太陽距離r近似滿足1/r2關系。火星與太陽距離約為地球與太陽距離的1.5倍，因此火星附近的太陽宇宙射線通量比地球低。然而，ESA 環境手冊[18]指出，從工程設計的角度，對于大于1 AU 的位置，太陽宇宙射線模型建議按照地球附近的太陽宇宙模型進行分析，本文分析時采用該推薦意見。

圖3 宇宙射線粒子通量Fig.3 Particle fluenceof cosmic rays

2 分析結果與驗證

2.1 分析結果

火星表面輻射環境分析結果見圖4，圖4(a)和圖4(b)分別給出了銀河宇宙射線和太陽宇宙射線在火星表面形成的各種粒子的微分能譜。銀河宇宙射線在空間長期存在，在火星表面形成的輻射環境也長期存在，如圖4(a)所示，以單位時間的粒子通量表示。太陽宇宙射線只有在太陽爆發時才存在，本文中采用的是1989年10月太陽爆發事件模型，模型中該事件持續時間為10月19日至10月30日；圖4(b)給出太陽宇宙射線在火星表面形成的輻射環境。

圖4 火星表面輻射環境分析結果Fig.4 Mars’surface radiation environment analysis result

火星表面輻射環境中存在兩類粒子。第一類是質子（H）、氦離子（He）等原子序數為1～92的帶電粒子，此類粒子包含兩部分：一是經過火星大氣后發生能量衰減的初級宇宙射線粒子；二是初級宇宙射線粒子與火星大氣發生相互作用產生的次級重帶電粒子。第二類是伽馬光子（gamma）、中子（neutron）、電子（e-）等粒子，此類粒子是初級宇宙射線粒子與火星大氣和土壤發生相互作用產生的。

2.2 結果驗證

2011年11月26日，NASA 發射了“火星科學實驗室”，在其上的“好奇號”火星車配置了輻射評價探測器（radiation assessment detector，RAD）[19]，可測量火星表面的粒子信息、輻射劑量等。表2給出了銀河宇宙射線在火星表面形成的伽馬光子和中子微分通量。產生的輻射劑量分析值為0.206 mGy/d，RAD實測值是0.210 mGy/d[4]。可見，本文分析方法得到的結果與實測數據接近，伽馬光子和中子通量偏差不超過50%，輻射劑量偏差不超過5%。其中輻射劑量是由表面各種粒子造成，包括伽馬光子、中子、電子、質子和氦離子等帶電粒子。伽馬光子和中子造成的劑量較低，以中子為例，中子僅占火星表面輻射劑量的7%[19]，因此兩種粒子通量的分析值和實測值的差異對輻射劑量分析值和實測值的差異貢獻較小。

表2 銀河宇宙射線在火星表面產生的伽馬光子和中子微分通量Table 2 Differential flux of γ-ray and neutron generated by GCR on the Mars’surface

2.3 火星表面粒子通量特點

對圖4中火星表面各種粒子的微分能譜數據按照能量進行積分，可以得到各種粒子的總通量。表3和表4分別給出了銀河宇宙射線、太陽宇宙射線（1989年10月太陽爆發事件）的初級粒子通量及在火星表面形成的粒子通量。

表3 銀河宇宙射線在火星表面形成的粒子總通量Table 3 Total flux of particles generated by GCR on the Mars’surface

表4 太陽宇宙射線在火星表面形成的粒子總通量Table 4 Total flux of particles generated by SCR on the Mars’surface

1）重離子通量變化情況

由表3和表4可以看出，銀河宇宙射線和太陽宇宙射線的重離子到達火星表面后，通量分別降低了53.0%～73.7%、99.7%～99.8%。太陽宇宙射線重離子通量下降比例遠大于銀河宇宙射線重離子，這主要是因為二者的能譜結構不同造成的（見圖3）。銀河宇宙射線高能粒子通量比例大，而太陽宇宙射線低能粒子通量比例大。經過火星大氣后，絕大部分低能粒子被屏蔽，到達火星表面的主要是高能粒子，因此太陽宇宙射線通量下降比例遠大于銀河宇宙射線。

2）伽馬光子、中子和電子通量變化情況

銀河宇宙射線形成的伽馬光子、中子的通量范圍為（0.161～0.188）cm-2·s-1，電子的通量范圍為0.009 cm-2·s-1。太陽宇宙射線形成的伽馬光子、中子的注量范圍為（2.83×108～5.04×108）cm-2，次級電子的注量范圍為1.03×107cm-2。伽馬光子和中子的通量接近，電子通量比伽馬光子和中子的低了1個數量級左右。

伽馬光子和中子的通量接近，是因為兩者產生機制是相關的。宇宙射線初級粒子與大氣和土壤中的原子發生非彈性碰撞后產生次級中子，同時原子核處于激發態，退激發出伽馬光子，中子和伽馬光子產生在同一個過程中，導致兩者通量接近。電子的產生機制除了宇宙射線初級粒子與大氣的非彈性碰撞，還包括次級伽馬光子和中子與大氣原子的相互作用，但由于電子的射程遠低于比伽馬光子和中子，很容易發生衰減，導致電子通量低于伽馬光子和中子通量。

銀河宇宙射線產生的伽馬光子和中子的通量與銀河宇宙射線初級粒子通量接近，而太陽宇宙射線產生的伽馬光子和中子的通量比太陽宇宙射線初級粒子通量低了3～4個數量級左右。這是因為伽馬光子和中子主要是高能粒子與火星大氣分子的非彈性碰撞造成的，銀河宇宙射線粒子通量高能段比例比太陽宇宙射線大，因此銀河宇宙射線產生的次級粒子通量比例較大。

3）質子通量隨高度分布

質子是銀河宇宙射線中含量最多的粒子。圖5為分析出的銀河宇宙射線的質子通量隨高度分布情況?？梢钥吹剑煌芰抠|子的通量隨高度分布趨勢不一樣。

10 MeV 以下質子通量隨著高度下降而衰減；當高度下降到約40 km 高度后，粒子通量逐漸趨于平坦甚至有緩慢上升的趨勢。10 MeV 以下的質子能量低，其通量隨著大氣厚度增加衰減很快。此外，初級粒子通過與大氣發生非彈性碰撞，產生了次級低能質子，導致低能質子通量增加。火星大氣頂層向下40 km 的等效屏蔽面密度為0.24 g/cm2，即10 MeV 質子射程。從40 km 到火星表面，初級低能質子基本被屏蔽，火星表面的低能質子都是次級粒子。

圖5 銀河宇宙射線中的質子通量隨高度分布情況Fig.5 Relationship between GCR proton flux and Mars’altitude

20～200 MeV 質子通量從大氣頂層到40 km左右未發生明顯變化，當高度下降到40 km 左右后，質子通量呈上升的趨勢，這由于高能粒子與大氣通過非彈性碰撞產生了次級質子的原因。

400～1000 MeV 質子通量隨著高度下降而衰減，這是由于該能段的質子與大氣發生了非彈性碰撞，導致粒子通量降低。銀河宇宙射線中質子通量峰值出現在1000 MeV 左右。能量大于1000 MeV后，質子通量快速下降，產生的高能次級質子通量較低，對400～1000 MeV 質子通量補充較少，因此該能量范圍的質子通量隨著高度下降一直呈現衰減的趨勢。

3 火星表面航天員輻射劑量分析

本文的火星表面輻射環境可用于分析航天員在火星表面遭受的劑量，其中皮膚劑量當量可用于選擇載人火星任務著陸點。NCRP 98推薦的皮膚屏蔽厚度[20]為0.1 mm 生物軟組織，生物軟組織的密度為1 g/cm3[21]，由此得到皮膚屏蔽的等效面密度為0.01 g/cm2，與火星大氣的等效面密度(16～22)g/cm2[3]相比可以忽略。因此計算皮膚遭受的輻射劑量，可反映火星大氣對銀河宇宙射線和太陽宇宙射線的屏蔽效果，作為從輻射劑量角度選擇載人火星任務著陸點的參考。

根據ICRP 103[21]推薦的ICRU 球模型以及輻射品質因數，計算了火星表面不同位置處人體皮膚劑量當量，結果見圖6。NCRP 98推薦的皮膚劑量當量的年均限值為3 Sv[20]。從圖6中可以看出，在火星的幾處高山（例如海拔最高的奧林匹斯山），航天員皮膚輻射劑量較大，接近或達到了劑量限值；而在希臘平原（巨大的撞擊盆地），皮膚遭受的輻射劑量較小，約為劑量限值的1/10?；鹦潜砻娌煌恢锰幍妮椛鋭┝繀悼奢o助載人火星任務著陸點選取。綜合考慮輻射劑量、溫度、水冰含量等因素，埃律西昂平原（Elysium Planitia）和馬爾堤谷（Marte Vallis）適合作為載人火星任務著陸點[22]。

圖6 火星表面不同位置處人體皮膚輻射劑量當量Fig.6 Radiation dose equivalent on human skin at different positions on Mars’surface

4 結論

本文基于火星大氣和土壤數據，以及太陽宇宙射線和銀河宇宙射線初級輻射環境，采用粒子輸運方法，分析得到了火星表面輻射環境，包括經過火星大氣衰減后的宇宙射線初級粒子；以及初級粒子與火星大氣和土壤相互作用產生的次級粒子，如次級重離子、伽馬光子、中子、電子等。主要結論如下：

1）銀河宇宙射線和太陽宇宙射線重離子到達火星表面后，粒子通量分別降低了53.0%～73.7%、99.7%～99.8%。太陽宇宙射線重離子通量下降比例遠大于銀河宇宙射線重離子，這主要是因為太陽宇宙射線低能粒子通量比例大，經過火星大氣后低能粒子被衰減造成的。

2）銀河宇宙射線和太陽宇宙射線在火星表面形成的伽馬光子和中子通量接近，電子通量比伽馬光子和中子低1個數量級左右。銀河宇宙射線產生的伽馬光子和中子的通量與銀河宇宙射線初級粒子通量接近，而太陽宇宙射線產生的伽馬光子和中子的通量比太陽宇宙射線初級粒子通量低了3～4個數量級左右。

3）不同能量質子的通量隨高度分布趨勢不同。10 MeV 以下質子通量隨著高度的下降而衰減，當下降到約40 km 高度后，粒子通量逐漸趨于平穩甚至有緩慢上升的趨勢；20～200 MeV 質子通量從大氣頂層到40 km 左右未發生明顯變化，當高度下降到約40 km 后，質子通量呈上升的趨勢；400～1000 MeV質子通量隨著高度下降一直呈現衰減的趨勢。

4）火星表面伽馬光子和中子粒子通量的分析值與“好奇號”RAD實際測量值的偏差不超過50%，火星表面輻射劑量的分析值與RAD實際測量結果偏差不超過5%。

火星表面輻射環境研究可用于分析航天員在火星表面不同位置處遭遇的人體劑量，作為從輻射防護角度選擇載人火星任務著陸點的參考。從分析結果看，埃律西昂平原（Elysium Planitia）和馬爾堤谷（Marte Vallis）是較好的選擇。