此工作得到了ESA的关注和专题报道 https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/Giant_solar_eruption_felt_on_Earth_Moon_and_Mars 图片版权：ESA
摘要：人类正在考虑在不远的未来重返月球并最终登陆火星。然而，对于载人航天来说，我们仍然面临着一个重大的障碍“太空辐射危害”；特别是对于去往月球或火星基站并长期停留的宇航员来说，空间辐射对健康的危害几乎是一个不可避免的风险。极端情况下，突发的太阳爆发产生的太阳高能粒子（SEP）可能会使月球、火星附近或表面的辐射水平达到警戒的危险范围。最新的月球及火星的表面和轨道辐射探测数据加深了我们对这两个行星体辐射环境及其受SEP事件影响的认知。这里我们着重分析了2021年10月28 日的一次SEP事件，其能量足以引发地球表面的宇宙射线探测器测的流量增大（故而被称为所谓的GLE事件）；同时，月球表面的嫦娥四号以及火星表面的好奇号也同时探测到了此太阳高能粒子事件。这是首个在三个行星体表面探测到的 GLE 事件。我们结合了测量和建模方法，研究了未来人类在月球和火星上面临的SEP引发的潜在辐射风险。
图1显示的是黄道面视图，包含地球、月球、火星、以及ESA的Bepi-Colombo、Solar Orbiter和美国的Parker Solar Probe、STEREO-A卫星的位置。2021年10月28 日，所有这7个观测者都探测到了与耀斑和日冕物质抛射相关的太阳高能粒子(SEP)。由STEREO-A和SOHO的遥感观测（白光日冕仪图像）我们得出日冕物质抛射（CME）的三维结构，其在黄道面的投影由橘黄色影区域标出。由激波加速的 SEP粒子由三角形箭头表示，其传播大致沿着空间磁场的方向，其颜色的深浅表示越靠近激波中心的SEP通量水平较高。可见，即使火星在太阳爆发事件的背面，地球、月球和火星均可能与潜在的激波加速源有直接的磁场连接性。由于带电粒子更倾向于沿着空间磁场传播，这种连接可实现最有效的SEP空间传输。然而，当太阳高能粒子到达三个行星体后，它们接下来的命运以及引发的辐射效应并不相同。
我们的地球由其内部发电机而驱动的磁层可以屏蔽大多数能量较低的空间带电粒子，因而只有一部分粒子能够通过磁场较弱的高纬度极地地区进入到大气层。之后，大气也可以“消耗掉”这些SEP粒子的大部分能量，同时产生一些次级粒子。在极端情况下，强大的太阳喷发可产生能量足够高（大于约500MeV）的SEP质子，其通过大气时产生的次级粒子可以在地球表面上触发表面探测器的流量增大，故而被称为地面增强(GLE) 事件。自 1942 年以来已经使用地面监测器观测到了 73 起事件。这里我们研究的是最近的一个事件，即GLE73（2021年10月28 日）。在地球处，我们展示了该事件触发的地面中子监测仪的测量结果，以及一系列近地航天器（ACE、Wind、SOHO 和 GOES）测量的质子通量和德国Eu:CROPIS卫星加载的辐射探测仪(RAMIS)在地球极区上空测量的辐射剂量。
相比地球，我们的月球没有磁层或大气层，因此SEP粒子可以轻松到达月球表面，并与月球土壤相互作用，产生所谓的次级“反照”辐射；未来月球上的宇航员将直接暴露在这种辐射环境中。当前的GLE73事件是中国嫦娥四号自2019年着陆以来探测到的最大的SEP事件；我们分析了其加载的月球中子和辐射剂量仪测量（LND）的数据。在月轨处，美国宇航局月球勘测轨道飞行器（LRO）上的宇宙射线辐射效应望远镜（CRaTER）也同时观测到了这个事件。数据表明，此次事件在月球表面或轨道引发的辐射剂量仍在安全范围内。为了评估SEP事件在月表引发辐射风险的概率，我们对过去的GLE事件在月面的辐射剂量进行了模拟计算。结果表明，如果宇航员没有任何屏蔽保护，66年期间的67个SEP事件中，有12次事件（约平均每5.5年一次）可能超过了所谓的急性辐射综合症（ARS）剂量水平。ARS 是大量消耗特定组织中未成熟的实质干细胞的结果；高于0.7Gy的剂量水平可能会通过破坏骨髓而诱发ARS，进而导致感染和出血；而高于10Gy的剂量水平则使生命体极不可能存活并在2周内导致死亡。我们估计1972年8月发生的一次事件（阿波罗16号和17号任务之间）在月表引发的辐射剂量可能已经达到了这一致命水平。
对比之下，火星介于月球和地球之间。与月球一样，它也缺乏全球性的内在磁层，然而却有一层稀薄的大气层，可以通过原子和核相互作用 “吸收”部分高能粒子；这个过程可以阻止大部分低能质子（小于约150MeV）并减缓更高能粒子的速度。此次GLE73事件被轨道上的ESA ExoMars 微量气体轨道飞行器(TGO)上的Liulin-MO 剂量计和火星表面的NASA 火星科学实验室（MSL）上的辐射评估探测器 (RAD) 观测到。对比两组测量结果发现，本次事件的轨道辐射水平比火表高出了约30倍。这表明火星大气虽然稀薄，其对SEP诱发的辐射有很强的吸收作用。相比而言，火星大气对背景的银河宇宙射线（GCR）的屏蔽却并不明显。这主要是因为SEP的能量范围比GCR要偏低很多，而大气对低能粒子的屏蔽作用相对更加明显。我们也对过去的GLE事件在火星表面引发的辐射进行了模拟计算，发现它们都不会超过 ARS 阈值。然而，如果这些极端SEP事件发生在前往火星的途中或在火星轨道上，其引发的辐射危害仍是未来深空探火任务的一大风险。
项目支持：
该成果发表于Geophysical Research Letter上（2023年8月2日发表），论文第一/通讯作者为中国科学技术大学的郭静楠教授；主要合作者包括李晓磊博士，汪毓明教授以及德国、保加利亚、美国的研究人员。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB41000000）、国家自然科学基金（42074222, 42188101, 42130204），以及民用航天技术预先研究项目（D020104）的支持。这篇文章的结果也被ESA作为专题报道：https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/Giant_solar_eruption_felt_on_Earth_Moon_and_Mars。
论文信息：
Guo Jingnan, Li, X., Zhang, J., Dobynde, M. I., Wang, Y., et al. (2023). The first ground level enhancement seen on three planetary surfaces: Earth, Moon, and Mars, Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103069.https://doi.org/10.1029/2023GL103069
（地球和空间科学学院、科研部）
