航空辐射与空间天气丨Calling太空

编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

“坐飞机会受到辐射吗？”这是很多人都很关心的问题，目前大多数国家都将空勤人员列入职业受照人群进行辐射剂量管理，航空辐射剂量的大小除了与航线有关外，也与空间天气的状况有关，本文将分析航空辐射产生的原因，以及空间天气对航空辐射的影响。

1. 航空辐射简介

早在1911年，奥地利物理学家赫斯（Hess，1883-1964年）就通过探空气球发现了宇宙射线。但宇宙射线对航空飞行人员的影响一直缺乏系统的研究，直到1991年，国际辐射防护委员会（ICRP）建议将空勤人员列入职业受照人群，这一问题才引起重视。

2002年6月1日, 我国颁布实施了《空勤人员宇宙辐射控制标准》，其中规定：空勤人员职业照射有效剂量不得超过20mSv/年, 女性空勤人员从发现妊娠之日起，在孕期余下的时间内应采取补充的控制措施，使其腹部表面（下躯干）累积接受的剂量不超过1mSv。

2. 航空飞行高度的辐射环境

航空辐射是由宇宙射线造成的，宇宙射线包括来自太阳系以外的银河宇宙线和太阳爆发产生的太阳宇宙线（也称为太阳质子事件）。宇宙射线中的粒子被称为初级粒子，主要是质子、少量的氦和极少的其它重核离子。由于地球覆盖着厚厚的大气，初级粒子撞击大气的原子核后产生一些质子、中子、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，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”。航空飞行高度的辐射剂量主要是由次级粒子产生，其中中子产生的剂量占总剂量的50%以上。

图1  宇宙射线进入大气层引起“空气簇射”示意图

（图片来自https://phys.org/newman/gfx/news/hires/15-scientistspr.jpg）

宇宙辐射剂量的大小首先是跟高度有关，在海平面高度宇宙辐射产生的剂量大约为0.03μSv/h（注：1mSv＝1000μSv），大概占地面天然辐射剂量的15%（其余由岩石、土壤、空气等所含的放射性物质产生）。而在8～12km的航空飞行高度，宇宙辐射剂量达到1～6μSv/h。协和号超音速飞机的巡航高度为18000米，几乎是普通飞机的2倍，它受到的宇宙辐射剂量是普通飞机的2～3倍。

图2  协和号超音速飞机

（图片来自http://a1.att.hudong.com/40/19/01300000244643122567192664556.jpg）

由于宇宙射线的成份主要是带电粒子，它们必然要受到地球磁场的影响而向两极方向偏移，所以赤道附近的宇宙射线强度较两极低，相同高度极区的辐射强度比赤道处大约高一倍以上。，因此穿越和靠近极区的航线上受到的辐射剂量相对较高。

航空辐射除了与航线有关外，还与空间天气的状况有关，太阳爆发引起的地面宇宙线增强事件会导致航空辐射的突然增强，而长期的航空辐射变化则与太阳活动水平有关。

3. 地面宇宙线增强事件对航空辐射的影响

地面宇宙线增强事件（GLE）经常发生在强太阳爆发活动期间，GLE事件发生时，分布在全球的地面宇宙线观测站会同时观测到宇宙线强度突然增强的现象。GLE事件是由太阳质子事件引起的，大多数太阳质子事件中高能粒子的最高能量在500MeV以下，地面的宇宙台站几乎观测不到响应，对航空高度辐射环境的影响也很小，只有个别事件的粒子中包含较多能量超过500MeV的高能粒子，才会引起GLE事件。

图3  2005年1月20日的GLE事件

人类有观测以来，最强的GLE事件发生在1956年2月23日，根据估算，该事件期间乘坐一次从巴黎飞往旧金山的航班受到的辐射剂量为3mSv，差不多是正常情况下剂量的50倍，最近一次强GLE事件发生在2005年1月20日，该事件是1956年之后近50年内最强的一次，根据文献给出的估计，该事件期间巴黎飞往旧金山航线上受到的剂量为0.36mSv。而人类已知的最强太阳高能粒子爆发事件是发生在1856年的卡林顿事件，据估算该事件期间一架普通商业客机飞越极地8小时旅行受到的剂量将达到20mSv，该剂量是ICRP建议普通公众每天暴露于辐射的剂量限值的20倍。

4. 太阳长期活动水平下降对航空辐射的影响

强GLE事件只是小概率事件，在太阳平静期间，航空辐射主要来自银河宇宙线的贡献。银河宇宙线来自太阳系以外，它们的起源仍是未解之谜，目前普遍认为它们可能来自超新星爆发，或来自遥远的活动星系。银河宇宙线的强度主要受太阳活动的影响，太阳活动水平增加时，由于太阳磁场和太阳风增强的影响，到达地球的宇宙辐射会降低。反之，如果太阳活动水平下降，宇宙辐射则会增强。

目前人类还无法预测太阳活动水平的长期变化，但从太阳活动历史观测数据看，太阳活动除了11年的周期变化，可能还存在更大时间尺度上的周期变化，有研究学者认为，从人类进入航天时代以来，太阳活动一直处于比较活跃的太阳活动极大期，持续时间已经超过了历史上的平均极大期时间，应该很快会结束，未来60年有可能逐步进入极小期，太阳长期活动水平可能下降，而宇宙辐射强度则可能会超过人类有观测以来的水平，如果实际情况确实如此，现有的航空辐射安全标准和评估防护方法可能都得重新制定。 

图4  太阳黑子数历史观测数据

(图片来自https://www.skybrary.aero/images/thumb/f/f2/MSSN_2.jpg/500px-MSSN_2.jpg)

来源：中国科学院国家空间科学中心 

温馨提示：近期，微信公众号信息流改版。每个用户可以设置 常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过“中科院之声”的文章，你一定要进行以下操作：进入“中科院之声”公众号 → 点击右上角的 ··· 菜单 → 选择「设为星标」