太空辐射
太空充斥着有害的电磁辐射。正如第1章谈到的,紫外线、X射线和伽马射线的高能光子可以直接破坏DNA和其他生物组织。虽然运载工具可以提供一些保护,但跟在地球上相比,你受到的辐射会更严重。当你在另一个星球上行走时,情况尤其严峻,因为宇航服的保护作用通常比不上航天器和太空居住地。
宇宙射线
除了高能光子,宇宙射线——弥漫太空的高速粒子[6],也会造成破坏。奥地利物理学家维克多·赫斯(Victor Hess,1883—1964)在1912年首次发现了宇宙射线。1926年,美国物理学家罗伯特·A.密立根(Robert A. Millikan,1868—1953)将其命名为“宇宙射线”。后来人们发现宇宙射线其实是由粒子组成的,但“射线”这个误称还是保留下来,让人感到极为困惑。宇宙射线常被称为银河宇宙射线,因为它来自太阳系之外。观察表明,银河宇宙射线的85%是质子,14%是氦原子核(又称α粒子),剩下1%差不多都是自然形成的其他原子核和电子。
宇宙射线的速度和质量决定其能量大小以及它与宇宙中其他物体发生相互作用时产生的影响。运动物体具有的能量被称为动能。但与台球不同的是,原子、离子和电子不是实心的,所以当碰到其他粒子时,它们不会像台球那样撞上然后弹开。与光子一样,宇宙射线同时具有粒子和波的属性。如第1章所说,这让粒子之间的相互作用变得复杂。
来自太阳系以外的宇宙射线是近地空间中最强大的抛射体之一。发光的恒星、爆发的恒星、相撞的恒星、中子星和黑洞等恒星相撞的残留物,还有其他有待确定的来源都可以产生宇宙射线。它的强度通常远远大于太阳风粒子(太阳持续喷射的气体)。因此,太阳风粒子不算是宇宙射线。然而,太阳喷发的有些高能粒子确实被归为宇宙射线,且强度极高,极其危险。地球磁场会捕获太阳风和一些太阳宇宙射线,但有时候这些粒子会从地球磁场,尤其是两极附近泄漏出去,使空气发光,这就是极光。
大多数银河宇宙射线的能量太高,以至于会穿过范艾伦辐射带,逃脱地球磁场。幸运的是,地球大气层可以阻止它们到达地球表面,但能量最高的宇宙射线除外。拦截过程是这样的:宇宙射线撞击空气中的气体,使这些气体分解成更小的粒子,以高速飞向地球;很快,许许多多这样的粒子继续与空气中的其他粒子相撞,从而形成粒子簇;最初入射的这些外太空高能粒子(正式的名称是初级宇宙射线)会把部分能量传递给地球大气层的粒子,这个过程会产生次级宇宙射线簇射(见图
7.1),并一直持续下去,直到有些粒子击中地球及其上面的东西或人[7]。由于每次碰撞都会带走入射粒子的一部分动能,所以到达地面的次级宇宙射线的能量比引发簇射的初级宇宙射线要低得多。
图片来源:西蒙·索迪(Simon Swordy,芝加哥大学)、美国国家航空航天局
我们来看看高能粒子对太空生活的影响。这些粒子携带的能量通常大到足以穿透国际空间站、其他航天器和居住地那几厘米厚的外壳[8]。谈及对人体的伤害,你在航天器里或者太空行走时,每秒会有大约5 000个粒子穿过你的身体。大多数粒子在穿过人体时会破坏人体细胞。跟质量最小的氢核和电子相比,铁、镍等质量更大的宇宙射线粒子会造成更大的伤害。事实上,速度最快的铁原子核宇宙射线,其能量相当于一枚以100千米/时的速度被投掷出去的篮球。这些撞击都会损伤细胞:有些会死亡,有些会被破坏。人体会试图修复或更换这些受损细胞。新的研究表明,长时间暴露在银河宇宙射线之下的宇航员患痴呆症的风险会增加。[9]
辐射对人体的影响
人类接触危险剂量的辐射(包括大气层较高位置和外太空的初级宇宙射线)只有一个世纪多一点。严重的辐射暴露一直局限在相对较少的人身上。这些人除了宇航员之外,还包括和平及战争时期的核爆炸、核燃料相关的核事故、放射性矿石提炼、切尔诺贝利和福岛核电站灾难以及实验室辐射(尤其在人类了解放射性物质的危害性之前)的受害者。
因此,关于辐射对人体的影响,我们的科学和医学理解尚不完整。
已经确定的是,人体各个系统和器官对穿过人体的地球或太空辐射具有不同的敏感度。下面10个人体器官系统按照辐射敏感度从大到小排列:
✦ 造血器官,包括淋巴结、胸腺、脾脏和骨髓。
✦ 生殖器官。
✦ 消化器官。
✦ 循环系统。
✦ 皮肤。
✦ 骨骼。
✦ 呼吸系统。
✦ 泌尿系统。
✦ 肌肉和结缔组织。
✦ 神经系统。
有趣的是,作为人体里可以说最复杂的系统,由大脑、脊髓和周围神经构成的神经系统反而对辐射不那么敏感。之所以如此,一个原因是神经系统的细胞分裂和细胞替代相对较慢(至少成年人是如此),所以相对于其他器官,在辐射进入人体时,神经系统细胞处于繁殖周期中最脆弱阶段的概率较小。青少年神经系统的更新速度远超成年人,所以他们很可能比成年人对太空辐射更加敏感。
下面让我们看看辐射对人体的影响,下面是短期高剂量辐射的十大影响:
✦ 皮肤发红(红斑)。
✦ 疲劳。
✦ 腹泻(由于胃肠道内膜破裂)。
✦ 恶心。
✦ 呕吐。
✦ 皮肤水疱。
✦ 脱水。
✦ 脱发。
✦ 精子和卵细胞损伤。
✦ 死亡。
受到辐射的人不会出现上述所有症状,而且对于受到同一辐射的两个人,他们的反应也未必完全相同。症状的严重程度通常取决于辐射时间和强度。如你所知,辐射剂量越高,其影响就会越早显现。假设你在一次严重的辐射事件中幸存下来,那些没有得到及时修复或去除的基因物质变异(意外变化),可能在几年甚至几十年后才会出现在你或者你的后代的身上。下面是严重辐射的延迟反应。
✦ 灰白头发。
✦ 白内障。
✦ 20多种癌症(即恶性肿瘤)。
✦ 良性肿瘤增大。
✦ 生殖器官受损。
✦ 受到太空辐射的性器官所孕育的后代受损。
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