未来月球基地该如何屏蔽空间辐射？

在航空航天领域，人类对月球的探索至关重要却又充满艰难险阻。从上世纪的阿波罗载人登月计划，到如今的嫦娥六号从月球背面采样返回和阿忒弥斯I期任务的顺利实施，甚至是不远的未来建立国际月球科研基地；每一次的探月任务都伴随着多种挑战和风险，牵动着无数科学家、工程师和科学爱好者的心弦。

然而探月工程的一大潜在风险是空间高能粒子辐射；它的危害其实离我们很近，且可能会来的防不胜防。宇航员在深空旅途和月球表面会面临两种辐射来源。一是作为持续性背景辐射的银河宇宙射线（GCR），其粒子的速度可达到近光速的量级，但是流量的变化比较缓慢，受太阳系磁场的调制和太阳活动的变化反向相关。二是间或发生，但是通量更高的太阳高能粒子（SEP），由太阳耀斑爆发或激波加速产生，其发生频率和太阳活动正向相关，但是对于其发生时间和强度的预测还很难做到。

1972年的4月和12月，是人类最后两次登陆月球表面。就在这两次阿波罗任务的空隙间，1972年的9月，发生了极端强烈太阳风暴事件，产生了一些列X级的耀斑和日冕物质抛射，引发了极强的地磁暴，而太阳加速产生的高能粒子也可造成个卫星系统的故障甚至是永久性损毁。如果在此期间，有宇航员在月球表面漫步，那么所承受的高能粒子辐射可能会直接导致宇航员辐射中毒；在没有医疗条件的月球上，有直接致命的危险。虽然阿波罗登月的宇航员幸运的躲掉了这个事件，我们在进一步的探月任务中，尤其是对于长远的月球基地来说，对月球辐射环境的认知与对辐射的预防是一个必须重视的问题。

通过大量的数据分析和模型验证的准备工作，我们运用高能粒子传输的蒙特卡洛模型研究了空间高能粒子与月球表面作用的过程，并进而预测高能粒子到达在月球表面（及有月壤屏蔽的月球基地中）的宇航员体内的有效辐射剂量。

一方面，我们发现入射到月表的银河宇宙射线粒子可以和月壤作用产生大量的次级粒子，在地下半米左右次级粒子尤其是中子的流量达到了峰值；中子容易到达人体内部的辐射敏感器官并对其造成复杂的损害；因而对人体有害的辐射并非在月表最大，而是在一定的屏蔽深度。在屏蔽大于半米深度后的一般规则是“越深越好”；在屏蔽达到3米后，即使宇航员需要在月球基地连续工作十几年，辐射也基本不会对于宇航员的健康造成危害。

另一方面，太阳高能粒子的能量范围相对较低，不容易产生高能的次级粒子，可以更加有效被月壤屏蔽，一般几十公分的屏蔽就足够；但是在对于进行舱外活动没有防护的宇航员来说，个别太阳高能粒子事件会造成无法挽回的危害。因而，对于太阳爆发事件的准确预报可以使宇航员提前做好准备，有效做好屏蔽防护。

结合空间高能粒子的模型及其随时间的演化，我们进一步给出了在月球表面和地下不同深度处的宇航员受限于辐射剂量的“值勤表”，如图所示。可见在3米左右的月壤屏蔽下，空间辐射不会对在月球长期（长达20年）值勤的宇航员构成辐射危害；而在月表或1米以内的屏蔽条件下，我们需要频繁的更换宇航员已保证他们所接受的辐射不会超过职业或者年度上限。我们的工作可服务于未来载人探月任务的计划执行和月球基地的辐射防护。

原文于2024年7月24号发表在国际权威学术期刊Nature Astronomy上，题目为Guidelines for radiation-safe human activities on the Moon（https://www.nature.com/articles/s41550-024-02287-8）。 论文由中国科学技术大学的Dobynde博士和郭静楠教授合作完成。该成果获得了中科院行星科学先导B项目（XDB41000000）和中国科学院重点部署项目的资助（ZDBS-SSW-TLC00103），以及国家自然科学基金面上项目（42074222, 42188101 and 42130204）支持。