1700037977
辐射可以用几种不同的方法来测量：放射性水平或物质释放的电离辐射的量，用居里（Ci）或贝克勒尔（Bq）来计量；照射量或通过的辐射量，用伦琴（R）或库仑/千克（C/kg）计量；吸收剂量，或一个人所吸收的辐射量，用辐射吸收剂量（rad，拉德）或戈瑞（Gy）计量；剂量当量，它将一个人所吸收的辐射量与辐射的医疗效果结合在一起，用人体伦琴当量（rem，雷姆）或希沃特（Sv）来衡量。虽然不是在所有情况下都准确，但一般1伦琴（辐射量）=1 拉德（吸收剂量）=1雷姆或1000毫雷姆（剂量当量）。参照美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）给出的标准，牙科或胸部X光透视的剂量约为10毫雷姆。CT全身扫描是1000毫雷姆。游览高海拔的丹佛两天，你会接触到1毫雷姆。横穿大陆的飞行通常少于5毫雷姆。每人每年的平均剂量约为600毫雷姆，其中大部分是无法避免的自然本底辐射。[9]
1700037978
1700037979
美国职业安全与健康管理局规定，从事与辐射有关工作的美国工作人员的全身辐射剂量上限为每年5000毫雷姆（5雷姆）。非穿透性皮肤暴露的上限是15雷姆/年，手部暴露的上限是75雷姆/年。这么高的剂量通常是意外事故造成的。平均受辐射量最高的工种是国际航线的飞行员，他们每年会额外接收到500 毫雷姆的辐射。美国职业安全与健康管理局之所以要做出这样的规定，部分是因为接受超出底线以上的辐射量会增加患癌风险，而大多数医生认为只要处于最高限制之内，就是处于安全范围内。例如，5雷姆暴露只会使患癌症风险增加1%。当我们谈论太空生活和工作时，这些数字就显得微不足道了。宇航员在天空实验室居住数月后，接受了17.8雷姆的全身辐射剂量；“和平号”上的宇航员在一年内会受到21.6雷姆的辐射。[10] 这只是本底辐射，还没算上来自太阳的太阳风暴。
1700037980
1700037981
宇航员如果处在太阳耀斑或日冕物质抛射的路径上，理论上可能会受到致命剂量的辐射。到目前为止，我们还没有遭遇这种劫难，而且值得欣慰的是，我们可以预警。我们知道太阳存在一个大约11年的太阳磁活动周期，具有太阳活动的高峰和低谷。我们大致知道什么时候会出现更多的太阳风暴和恶劣的“太阳天气”。此外，在日冕物质抛射期间，从太阳冲出的物质需要1～3天才能到达地球，地面任务控制中心有足够的时间通知宇航员寻找特殊庇护所。然而，太阳耀斑大部分是光，到达地球只需8分钟，甚至可能瞬 间发生。当距离地球较近的太阳监测卫星探测到耀斑，并将信息以光速传递给我们的时候，X射线和紫外线已经到达。尽管如此，宇航员还是可以在耀斑经过的时候，通常在一小时内，跑到或飘到庇护所。庇护所有可能是ISS或太空基地里一个防护更加完备的地方。
1700037982
1700037983
一旦我们冒险越过磁层的保护罩，事情就会变得更加凶险。在月球、火星，或者去火星的漫长旅途中，宇航员就像一个个活靶子，一击即中。同样，预警能力使风险大大降低。宇航员需要将太空基地或飞船的一部分作为类似防空洞的庇护所，一个有着额外保护的地方，一旦警报来了就迅速跑到那里。请注意，防护意味着材料，材料意味着质量，而质量意味着更多的燃料和金钱。理想情况下，我们希望太空基地和飞船都有全面的辐射防护。但是在太空旅行的早期，我们可能只能设置一个小的防护室。这个地方可能覆有一层厚厚的金属，甚至覆有一层水。它们可以很好地吸收太阳粒子辐射。在火星任务中，飞船的食品储藏室就可用作防护室。
1700037984
1700037985
有好几次死里逃生。1972年8月的太阳风暴如今已经成为传奇。这场风暴发生在两次阿波罗计划之间，也就是阿波罗16号乘组人员离开月球后数月以及阿波罗17号着陆前数月。弗朗西斯·库奇诺塔（Francis Cucinotta）在约翰逊航天中心担任NASA的辐射健康官员多年。据他估计，当时在月球上的任何宇航员都会受到400雷姆的辐射。[11] 大约有半天的时间流量超过45雷姆/小时，峰值达到241雷姆/小时。这样的辐射水平相当巨大，450雷姆是LD50（半数致死剂量），即短时间暴露于该水平的人中，有50%会死亡。你需要骨髓移植才能活下来。任何超过50雷姆的辐射剂量都可能引发恶心和呕吐。在150雷姆的水平下，你可能会出现腹泻、不适和食欲不振。300雷姆时，你很可能会体内出血并脱发。LD100（绝对致死剂量）是600雷姆，在这种辐射水平下，没人能存活。月球着陆器的铝制外壳可以为阿波罗宇航员提供一些保护，将他们可能的辐射暴露量从400雷姆减少到40雷姆，这是白血病和严重头痛之间的差别。
1700037986
1700037987
火星离太阳的距离比地球远得多，但由于缺乏厚厚的大气层和磁层，可以预期火星表面的太阳辐射仍然是致命的。火星上的人们需要时时刻刻的保护以免受四周的太阳辐射，而且当严重的太阳耀斑来袭时，还需要一个特殊的风暴庇护所。多久一次？所谓X级别的最具能量的大型耀斑，每年大约发生10次。在火星上跳华尔兹的时候，你得时刻关注着太空气象站发布的信息，以免自己受到这些太阳耀斑的影响。天文学家推测，大约1000年前的一次极端的太阳活动烤焦了火星。如果如此大规模的太阳活动再次发生，火星上那些没有躲到地下深处的熔岩管或其他地下掩体里的人，将会死亡或严重患病。[12] NASA“专家号”（MAVEN）火星大气探测器提供的数据显示，2017年9月11日的一次太阳活动，在火星上引发了一场全星球极光，亮度比以往任何时候看到的都要高出25倍以上，火星表面的辐射水平也提高了1倍。而且这是在11年太阳活动周期的平静期发生的。
1700037988
1700037989
前面我曾指出地球上每人每年的平均辐射剂量大约为600毫雷姆。根据“火星奥德赛”（Mars Odyssey）探测器的数据，在火星上这一数值可能高达8000毫雷姆。但这是你一天中大部分时间都在户外的情况下。在月球上，我们知道阿波罗14号的宇航员在9天任务期间接受了大约1150 毫雷姆，其中有33小时是在月球表面度过的。换句话说，到月球上旅行一周，接收到的辐射剂量大约是地球上一年遭受的自然本底辐射的2倍。不理想，但也不致命。如果你住在月球或火星上，可能就会知道其中的风险，对足以引发辐射病的太阳爆发保持警惕，并采取日常预防措施。也就是说，超出地球安全范围的太阳辐射风险真实存在但尚可控制，就好比一位生活在阳光明媚的澳大利亚的放射科技师，皮肤白皙却拒绝涂防晒霜。
1700037990
1700037991
1700037992
1700037993
1700037994
太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036955]
1700037995
太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 宇宙射线
1700037996
1700037997
可惜的是，对于宇宙射线，目前还没有告警或保护措施。这些原子大小的子弹会每周7天、每天24小时从各个方向不间断地射向你。宇宙射线来自太阳系以外的外太空，由遥远的恒星在爆炸时产生，主要由质子和较重的原子核组成，以接近光速的速度移动。与太阳辐射不同的是，宇宙射线不会成批出现，不会强烈到让你立刻生病或死亡，宇宙射线只是在慢慢地侵蚀你的大脑。
1700037998
1700037999
在地球和ISS上，大多数宇宙射线都无法伤害到我们。这些宇宙射线也被称为银河宇宙射线或高能重粒子（HZE）。偶尔会有一些粒子窜入大气层，撞击到上层大气，产生二级和三级粒子的级联。通常发生的情况是，宇宙射线与氮和氧（大气中含量最丰富的两种原子）发生碰撞，将它们撞开，释放出中子、电子，以及更奇特的物质，如µ介子、π介子、α粒子，甚至X射线。但是这些粒子一路上要穿越厚厚的大气层，所以辐射还没有到达地球表面就衰减或被吸收了。事实上，直到1912年，奥地利物理学家维克多·弗朗茨·赫斯（Victor Franz Hess）才通过高空气球携带静电计探测到了宇宙射线。我前面提到过，与普通人群相比，飞行员乃至空乘人员受到的辐射更多。其中大部分是宇宙射线。
1700038000
1700038001
阿波罗宇航员亲眼见到了宇宙射线的效果……就是字面上的见到。经常会有宇宙粒子穿过他们的眼窝，产生闪光。后来这种现象被称为宇宙射线可视现象。其中的生物学过程还不清楚。宇宙射线有可能撞到了视神经，或者穿过凝胶状玻璃体，产生了亚原子粒子级联，就像大气中所发生的事情一样。阿波罗宇航员在前往月球的途中穿过了磁层，他们每3～7分钟就能感觉到一次闪光。[13] 宇航员对这些闪光的描述各式各样，说明可能发生了各式各样的物理相互作用。据报道，闪光的形状有斑点、小点、星星、直线、条纹、彗星、水渍或云等。以上顺序按照出现频率由大到小排列。闭上眼睛也没用。宇航员报告说，即使在他们闭上眼睛要睡觉的时候也会出现闪光。
1700038002
1700038003
当然，眼睛只是身体的一小部分。宇宙射线可视现象的存在意味着整个身体在昼夜不停地受到宇宙射线的轰击；每秒钟有成千上万的射线穿过你的身体。芝加哥大学物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）说，你在星际空间的每一年，都会有1/3的DNA被宇宙射线切割。[14] 这种伤害太大了，人体自身的DNA修复机制已经无法控制。我们还必须记住，我们不是独自去往太空的。我们携带着数以亿计的细菌、病毒和真菌，它们以微生物群的形式存在，在维持健康方面发挥着重要作用。例如，肠道里的微生物群有助于消化食物。宇宙射线可能杀死它 们，或以其他方式导致我们的微生物产生突变，带来未知的风险。飞船或基地外面只有包裹非常厚的屏蔽层或某种微型磁层（我将在下面讨论），才能阻止这些宇宙射线在太空中穿过你的身体。这不仅对太空飞行有重大影响，对太空生活也有重大影响。在月球、火星以及我们磁层以外的任何其他地方建立基地，无论离太阳有多远，如果没有适当的防护，我们都会被宇宙射线淹没。当你身处外太空时，只能与眼中的闪光相伴，而这些闪光会造成无法估量的伤害，更不用说这种辐射暴露带来的其他后果。与科幻小说中最愚蠢的说法刚好相反，宇宙射线不会使你成为超人。
1700038004
1700038005
啮齿类动物和太空辐射相互关系的研究结果一直处于模棱两可的状态。加州大学爱尔文医学院（Irvine School of Medicine）的放射肿瘤学教授查尔斯·利莫里（Charles Limoli）领导了一项由NASA资助的研究，将实验室小鼠暴露在辐射下，辐射水平相当于为期6个月的火星单程旅行中的预期辐射水平。他的团队发现，辐射会造成严重的长期脑损伤，包括认知障碍和痴呆，这是大脑炎症和啮齿类动物神经元受损的结果。[15] 小鼠脑细胞中的树突和棘突急剧减少，就像一棵失去了叶子和树枝的树，扰乱了神经元之间的信号传递。辐射还会影响大脑中通常会抑制不愉快的、将会导致压力联想的部分。这一过程被称为“恐惧消退”，如果这一过程失效，就会导致焦虑。2016年，利莫里在其研究期间对我说：“这对那些花两三年时间往返火星的宇航员来说，可不是什么好消息。”[16]
1700038006
1700038007
然而，人们在动物实验中常常发现，实验中 的辐射吸收剂量率在每分钟0.05～0.25戈瑞——远高于人类火星任务的预期。按照人们的预期估计，6个月任务的总剂量为1 戈瑞或100拉德，随时间均匀分布。科学家不可能将小鼠放到真实的太空栖息地并让它们在太空辐射下持续暴露6个月。取而代之，小鼠在布鲁克海文国家实验室NASA太空射线实验室（NASA Space Radiation Laboratory at Brookhaven National Laboratory）遭到了来自粒子加速器的猛烈的辐射轰击，然后观察了6个月。辐射剂量率真的很重要。在1小时内喝6瓶啤酒可能会让你喝醉，但6小时喝6瓶啤酒也许就不会。相同的辐射暴露，不同的辐射率。各项研究需要进行更好的设计，来真正测试宇航员到达火星时是神志清醒还是“因辐射而晕头转向”。
1700038008
1700038009
其他研究人员发现，在模拟空间环境中，质子辐射会导致小鼠出现注意力缺陷和任务表现不佳，[17] 而高能重粒子会导致与阿尔茨海默病相关的β淀粉样蛋白斑块增长。[18] 我们从临床研究中发现，接受某些种类脑癌放疗的人可以治愈，但他们的认知功能明显下降。描述这个现象的术语是辐射引起的认知衰退。在所有接受头部放射治疗并存活至少6个月的癌症患者中，有一半以上的患者会出现进行性认知障碍，尤其是在处理速度（快速思考）和记忆力方面。[19] 但是，这一结果仍然不能直接应用到太空中，因为患者只是在几个月的时间里接受强烈的辐射，而在太空中，火星之旅过程中暴露在辐射下的时间跨度接近3年。
1700038010
1700038011
1700038012
1700038013
1700038014
一位接受过伽马刀手术的患者8年后的头部CT影像
1700038015
1700038016
接受放射治疗以缩小脑瘤或畸形物的病人，由于意外的辐射损伤周围脑组织，常常会出现进行性认知障碍。如图，一名39岁的妇女在接受伽马刀治疗8年后，出现脑水肿（肿胀）和脑萎缩（缩小）。在往返火星的旅途中暴露在宇宙射线下，有可能造成类似的伤害。
1700038017
1700038018
1700038019
1700038020
早在20世纪90年代，前文提到的NASA辐射健康官员弗朗西斯·库奇诺塔，就率先对宇航员暴露在不安全的宇宙射线中提出了警告。库奇诺塔在NASA工作了30 多年后离开，前往拉斯维加斯的内华达大学任教。2017年，他公布了一项基于癌症模型的研究，揭示了宇宙射线如何将其损害扩大到其他健康的非靶“旁观”细胞，从而使癌症风险加倍。[20] 由于该系列研究及其非确定性的结果，NASA不得不考虑将宇航员送往火星的道德问题。航天局提出知情同意书的方式，以便相关人员接受可能存在的风险。NASA相关资深人士认为，宇航员是健壮的人群，实际上他们愿意为此牺牲或缩短寿命。
1700038021
1700038022
美国国家科学院（National Academy of Sciences，NAS）是一个由美国顶尖科学家组成的团体。它根据NASA的请求，“制定了行为准则，并确定‘在现有健康标准不能完全满足’，或根据现有证据无法制定适当标准的情况下，指导长期探索任务的健康标准决策的原则”。美国国家科学院最终在2014年指出，“放松（或解除）当前的健康标准，允许进行某些长期探索任务，在道德上是不可接受的”。[21] 但是，美国国家科学院委员会基于收益—风险以及尊重自主选择的原则，给了NASA一条出路。收益—风险可能被人故意搞得含糊不清，因为根本就没有必要进入太空，而收益或价值则完全取决于我们所赋予它的东西。对自主选择的尊重让宇航员成为英雄，只要他们愿意，只要利益大于风险，就好比一个消防员冲进起火的大楼去救一个孩子。
1700038023
1700038024
1700038025
1700038026