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宇宙射线对人体健康的影响

时间:2019-07-26 12:36:33 浏览量:
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宇宙射线是快速通过太空的高能粒子(实际上不是射线)。它们无处不在,并且每秒有几十个满贯进入人体。这些宇宙射线能量很低,除了罕见的基因突变以外,不会导致任何严重健康问题。实际上,宇宙射线是进化的驱动力之一。人体每年受宇宙射线影响的辐射量大约为2.4 mSv(毫西弗)。相比较而言,短时间内要有大约1西韦特(Sievert)的辐射才会导致恶心,而造成死亡要达到2-6西韦特。

宇宙射线对人体健康的影响宇宙射线对人体健康的影响

宇宙射线对健康的影响会在高海拔产生变化,辐射量在海报高度15公里以上会以指数方式增加,然后迅速下降。正因为此,飞行员、空中乘务员和空军试飞员等在高海拔空间滞留较长时间的人受到的宇宙射线影响比地面上的人高几十倍。美国辐射保护和测量委员会建议的职业限制是不高于1-4 Sv。地球大气层里的宇宙辐射量很低,只有到达太空高度才会变成问题。

国际空间站 — 地球表面之上的350公里处,宇航员经历的宇宙射线影响比地面上的人多数百倍。地球大气层是一个有效的绝缘子,以至于几乎没有粒子到达地面,并且大多数人只是暴露于高层大气中碰撞产生的二次辐射。在空间站里,宇航员暴露于初级辐射。然而,在太空停留一年以上的人并不会因宇宙辐射影响而生病,并且看起来能待无限长的时间。

暴露于宇宙射线最多的人是在地球和月球,或地球和其他星球之间旅行的人。地球主要被其磁气圈屏蔽,这是由地球表面向各个方向延伸约7万公里的巨大磁场。离开这个磁场,就会暴露于银河宇宙线,这也是最强大的射线之一,通常会被地球磁场屏蔽。因此,阿波罗宇航员报告说眼球看到闪光,这有可能是银行宇宙射线。目前,还不知道长期暴露于这些射线(如执行火星任务)的影响。

虽然当宇宙射线到达地球的时候,会有大气层来阻挡住部分的辐射,但射线流的强度依然很大,很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说,现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击,就有可能失效,给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

还有科学家认为,长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为,温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首,宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为,宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出,由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来,形成的带电离子可以引起水滴的凝结,从而可增加云层的生长。也就是说,当宇宙射线较少时,意味着产生的云层就少,这样,太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点,即太阳活动变得更剧烈时,低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转,随着太阳活动加剧,太阳风也增强,从而使到达地球的宇宙射线较少,因此形成的云层就少。此外,在高层空间,如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高,这些带电离子就有可能相互碰撞,从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子,保持的时间相对较长,因此足以引起新的云层形成。

此外,几位美国科学家还认为,宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为,某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层,并且增加地球环境的放射性,导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面,这些射线又有可能促使新的物种产生突变,从而产生出全新的一代。这种理论同时指出,某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看,宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。

今天,人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的,但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系;它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。

宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域,许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在,人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为,宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此,一部分科学家认为,宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻,“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流,射向宇宙空间;另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。

不管最终的定论将会如何,科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线,罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释:

“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定, 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息:射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅,当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。”

直接探测法——1014eV以下的宇宙射线,通量足够大,可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器,直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载,以避免大气层吸收宇宙射线。

间接探测法——1014eV以上的宇宙射线,由于通量小,必须使用间接测量,分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。 当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,称为簇射极大,在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收,使次级粒子的数目逐渐下降,这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物,空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源,海拔20公里处辐射最强,100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。

空气簇射的成份主要以轻子居多,重子最少。探测空气簇射有三种方式:地面(及地下)阵列、契伦可夫望远镜、萤光望远镜。

地面(及地下)阵列通常需要多个带电粒子探测器组成,分布于广大平坦的区域,次级粒子才能有充足的取样,可全年操作。契伦可夫望远镜可探测由次级粒子产生的契伦可夫光,萤光望远镜可探测带电粒子游离氮气产生的萤光,这两种望远镜只能在夜间操作且需避开城市光源,平均操作时间只有10%。

宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子,能量约从109eV to 1020eV以上。在靠近地球的太空中,每秒每平方公分约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子,及其它核种从氦核到铁核以上,甚至微量的镧系元素。人造粒子加速器其最高能量约为1013eV。右图显示了宇宙射线的能谱,横跨12个数量级的能量。能谱上有两个有重要物理意义的转折点,1015eV称为膝点(knee),3′1018eV称为踝点(ankle)。极高能宇宙射线(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。为什么会有这么高的能量?它们的来源在那里?它们是什么粒子?这些都是宇宙射线物理学家的研究课题。

UHECR的研究经费在美国超导对撞机(Superconducting Super Collider)计划终止后快速增加,并成为天文粒子物理学研究的三大主流之一(另两项为早期宇宙与微波背景、微中子与暗物质)。

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编辑:时雨
关键词: 宇宙射线
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