火星表面辐射环境分析

李衍存，郑玉展，郝志华，王建昭，呼延奇，曲少杰，蔡震波

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引言

火星表面的辐射环境，是空间中的太阳宇宙射线和银河宇宙射线，通过与火星大气和表面土壤的相互作用，在表面形成的辐射环境。火星全球性磁场较弱（≤5 nT）[1]，对太阳宇宙射线（SCRs）、银河宇宙射线（GCRs）等无法形成屏蔽，因此火星表面辐射环境比地球的更恶劣。对于载人登陆火星任务，较大的辐射剂量将严重影响航天员的身体健康。

针对火星表面辐射环境，国外在分析方法和实测数据方面均开展了详细研究。ESA 开发了dMEREM 和eMEREM模型[2]，分别采用蒙特卡罗方法和快速工程方法，给出火星表面辐射环境。NASA 的Simonsen 等采用HZETRN 软件分析了太阳活动高年条件下的火星表面辐射环境[3]。2012年，“火星科学实验室”“好奇号”上的辐射评估探测器（Radiation Assessment Detector,RAD）对火星表面的辐射环境进行了探测[4]。以上分析和探测的均为火星表面辐射环境，未考虑辐射环境在火星表面不同高度上的分布情况。由于火星存在稀薄大气，国际上进行了火星表面低空飞行器的相关研究[5]；研究火星辐射环境在不同高度上的分布情况，可为火星表面低空飞行器等的辐射分析提供数据。

本文以火星表面大气和土壤作为输入，以太阳宇宙射线和银河宇宙射线作为初始粒子源，通过输运分析的方法，获得火星表面辐射环境，并研究其特点。

1 火星表面辐射环境分析

1.1 分析方法

建立火星大气和火星土壤的模型，采用粒子输运软件GEANT4[6]进行分析，获取空间高能粒子在火星大气、土壤中运动时产生的次级粒子、反照粒子情况，如图1所示。

按照MOLA 高度分析，火星大气高度上限设定为125 km，下限设定-3 km，共128层，每层厚度为1 km。火星土壤厚度按照空间高能粒子环境进行设定。目前分析中，空间粒子质子最大能量取100 GeV，采用GEANT4分析可以得到，其在火星土壤中的射程为372 m，因此火星土壤的厚度设定为400 m，略大于质子射程，以确保质子可完全沉积到土壤中；土壤共40层，每层厚度10 m。

空间高能粒子主要是质子、α 粒子以及其他重离子，这些高能粒子与大气和土壤相互作用时，会与其中的原子发生非弹性碰撞，产生新的粒子，包括伽马光子、中子、电子等。统计所有粒子的通量，可以获得火星表面综合辐射环境。

图1 火星表面辐射环境输运分析模型Fig.1 Transport analysis model for Mars’surface radiation environment

1.2 火星表面大气和土壤环境

1）大气环境

用于辐射环境分析的大气环境参数包括成分和密度，这两项参数可从火星大气模型中获取。目前国际上常用的火星大气模型为美国的Mars-GRAM[7]、欧洲的MCD[8]，两个模型均在各自主导的火星着陆探测任务中有工程应用。火星大气主要成分为二氧化碳（95.3%）、氮气（2.7%）、氩（1.6%），以及极少量的氧（1.5%）和水蒸气（0.03%）。基于两个火星大气模型，考虑火星表面不同纬度等因素，获得了不同条件下火星大气密度与高度的关系数据，最终将两个模型结果的平均值作为大气参数的标称值，如图2所示。

图2 不同条件火星大气密度与MOLA 高度的关系Fig.2 Relationship between Mars atmosphere density and MOLA altitude based on different models

2）土壤环境

用于辐射环境分析的土壤环境参数包括土壤成分和密度。目前对于火星土壤化学成分含量的认识主要来自“海盗号”（Viking Lander 1,Viking Lander 2）上的X 射线荧光谱仪（XRF）[9]、“火星探路者号”（Mars Pathfinder）上α 粒子质子X 射线谱仪（APXS）[10]、“勇气号”（Spirit）[11]和“机遇号”（Opportunity）[12]上的α 粒子X 射线谱仪（APXS）以及“好奇号”（Curiosity）[13]上的化学相机（ChemCam）等任务载荷的探测结果，详见表1。表1结果显示火星全球表层土壤成分大致均一，故选择表1每行数据的平均值作为分析输入参数。

表1 火星表面土壤成分（重量百分比）Table1 Mars’surface soil composition(wt%) 单位：%

火星表面土壤密度可以通过在火星表面实地测量，或测量雷达信号在火星表面的相对损耗角正切值得到。Viking 1[14]通过多次实地测量，确定土壤密度约为1～1.6 g/cm3。苏联利用Mars-3和Mars-5 上3.8 cm 和3.4 cm 的雷达信号[14]测量得到土壤密度约为（1.37±0.33）g/cm3。两者测量数据基本一致，考虑到雷达信号测量方法可以深入火星表面1 m[15]，而空间高能带电粒子可以入射到火星表面一定深度，在仿真分析时土壤密度采用苏联的测量数据1.37 g/cm3。

1.3 银河宇宙射线和太阳宇宙射线模型

银河宇宙射线采用CREME 96模型[16]，如图3(a)所示。考虑到最恶劣情况，太阳宇宙射线采用1989年10月事件模型[17]，如图3(b)所示。

太阳宇宙射线中的高能粒子来源于太阳，粒子通量与太阳距离r近似满足1/r2关系。火星与太阳距离约为地球与太阳距离的1.5倍，因此火星附近的太阳宇宙射线通量比地球低。然而，ESA 环境手册[18]指出，从工程设计的角度，对于大于1 AU 的位置，太阳宇宙射线模型建议按照地球附近的太阳宇宙模型进行分析，本文分析时采用该推荐意见。

图3 宇宙射线粒子通量Fig.3 Particle fluenceof cosmic rays

2 分析结果与验证

2.1 分析结果

火星表面辐射环境分析结果见图4，图4(a)和图4(b)分别给出了银河宇宙射线和太阳宇宙射线在火星表面形成的各种粒子的微分能谱。银河宇宙射线在空间长期存在，在火星表面形成的辐射环境也长期存在，如图4(a)所示，以单位时间的粒子通量表示。太阳宇宙射线只有在太阳爆发时才存在，本文中采用的是1989年10月太阳爆发事件模型，模型中该事件持续时间为10月19日至10月30日；图4(b)给出太阳宇宙射线在火星表面形成的辐射环境。

图4 火星表面辐射环境分析结果Fig.4 Mars’surface radiation environment analysis result

火星表面辐射环境中存在两类粒子。第一类是质子（H）、氦离子（He）等原子序数为1～92的带电粒子，此类粒子包含两部分：一是经过火星大气后发生能量衰减的初级宇宙射线粒子；二是初级宇宙射线粒子与火星大气发生相互作用产生的次级重带电粒子。第二类是伽马光子（gamma）、中子（neutron）、电子（e-）等粒子，此类粒子是初级宇宙射线粒子与火星大气和土壤发生相互作用产生的。

2.2 结果验证

2011年11月26日，NASA 发射了“火星科学实验室”，在其上的“好奇号”火星车配置了辐射评价探测器（radiation assessment detector，RAD）[19]，可测量火星表面的粒子信息、辐射剂量等。表2给出了银河宇宙射线在火星表面形成的伽马光子和中子微分通量。产生的辐射剂量分析值为0.206 mGy/d，RAD实测值是0.210 mGy/d[4]。可见，本文分析方法得到的结果与实测数据接近，伽马光子和中子通量偏差不超过50%，辐射剂量偏差不超过5%。其中辐射剂量是由表面各种粒子造成，包括伽马光子、中子、电子、质子和氦离子等带电粒子。伽马光子和中子造成的剂量较低，以中子为例，中子仅占火星表面辐射剂量的7%[19]，因此两种粒子通量的分析值和实测值的差异对辐射剂量分析值和实测值的差异贡献较小。

表2 银河宇宙射线在火星表面产生的伽马光子和中子微分通量Table 2 Differential flux of γ-ray and neutron generated by GCR on the Mars’surface

2.3 火星表面粒子通量特点

对图4中火星表面各种粒子的微分能谱数据按照能量进行积分，可以得到各种粒子的总通量。表3和表4分别给出了银河宇宙射线、太阳宇宙射线（1989年10月太阳爆发事件）的初级粒子通量及在火星表面形成的粒子通量。

表3 银河宇宙射线在火星表面形成的粒子总通量Table 3 Total flux of particles generated by GCR on the Mars’surface

表4 太阳宇宙射线在火星表面形成的粒子总通量Table 4 Total flux of particles generated by SCR on the Mars’surface

1）重离子通量变化情况

由表3和表4可以看出，银河宇宙射线和太阳宇宙射线的重离子到达火星表面后，通量分别降低了53.0%～73.7%、99.7%～99.8%。太阳宇宙射线重离子通量下降比例远大于银河宇宙射线重离子，这主要是因为二者的能谱结构不同造成的（见图3）。银河宇宙射线高能粒子通量比例大，而太阳宇宙射线低能粒子通量比例大。经过火星大气后，绝大部分低能粒子被屏蔽，到达火星表面的主要是高能粒子，因此太阳宇宙射线通量下降比例远大于银河宇宙射线。

2）伽马光子、中子和电子通量变化情况

银河宇宙射线形成的伽马光子、中子的通量范围为（0.161～0.188）cm-2·s-1，电子的通量范围为0.009 cm-2·s-1。太阳宇宙射线形成的伽马光子、中子的注量范围为（2.83×108～5.04×108）cm-2，次级电子的注量范围为1.03×107cm-2。伽马光子和中子的通量接近，电子通量比伽马光子和中子的低了1个数量级左右。

伽马光子和中子的通量接近，是因为两者产生机制是相关的。宇宙射线初级粒子与大气和土壤中的原子发生非弹性碰撞后产生次级中子，同时原子核处于激发态，退激发出伽马光子，中子和伽马光子产生在同一个过程中，导致两者通量接近。电子的产生机制除了宇宙射线初级粒子与大气的非弹性碰撞，还包括次级伽马光子和中子与大气原子的相互作用，但由于电子的射程远低于比伽马光子和中子，很容易发生衰减，导致电子通量低于伽马光子和中子通量。

银河宇宙射线产生的伽马光子和中子的通量与银河宇宙射线初级粒子通量接近，而太阳宇宙射线产生的伽马光子和中子的通量比太阳宇宙射线初级粒子通量低了3～4个数量级左右。这是因为伽马光子和中子主要是高能粒子与火星大气分子的非弹性碰撞造成的，银河宇宙射线粒子通量高能段比例比太阳宇宙射线大，因此银河宇宙射线产生的次级粒子通量比例较大。

3）质子通量随高度分布

质子是银河宇宙射线中含量最多的粒子。图5为分析出的银河宇宙射线的质子通量随高度分布情况。可以看到，不同能量质子的通量随高度分布趋势不一样。

10 MeV 以下质子通量随着高度下降而衰减；当高度下降到约40 km 高度后，粒子通量逐渐趋于平坦甚至有缓慢上升的趋势。10 MeV 以下的质子能量低，其通量随着大气厚度增加衰减很快。此外，初级粒子通过与大气发生非弹性碰撞，产生了次级低能质子，导致低能质子通量增加。火星大气顶层向下40 km 的等效屏蔽面密度为0.24 g/cm2，即10 MeV 质子射程。从40 km 到火星表面，初级低能质子基本被屏蔽，火星表面的低能质子都是次级粒子。

图5 银河宇宙射线中的质子通量随高度分布情况Fig.5 Relationship between GCR proton flux and Mars’altitude

20～200 MeV 质子通量从大气顶层到40 km左右未发生明显变化，当高度下降到40 km 左右后，质子通量呈上升的趋势，这由于高能粒子与大气通过非弹性碰撞产生了次级质子的原因。

400～1000 MeV 质子通量随着高度下降而衰减，这是由于该能段的质子与大气发生了非弹性碰撞，导致粒子通量降低。银河宇宙射线中质子通量峰值出现在1000 MeV 左右。能量大于1000 MeV后，质子通量快速下降，产生的高能次级质子通量较低，对400～1000 MeV 质子通量补充较少，因此该能量范围的质子通量随着高度下降一直呈现衰减的趋势。

3 火星表面航天员辐射剂量分析

本文的火星表面辐射环境可用于分析航天员在火星表面遭受的剂量，其中皮肤剂量当量可用于选择载人火星任务着陆点。NCRP 98推荐的皮肤屏蔽厚度[20]为0.1 mm 生物软组织，生物软组织的密度为1 g/cm3[21]，由此得到皮肤屏蔽的等效面密度为0.01 g/cm2，与火星大气的等效面密度(16～22)g/cm2[3]相比可以忽略。因此计算皮肤遭受的辐射剂量，可反映火星大气对银河宇宙射线和太阳宇宙射线的屏蔽效果，作为从辐射剂量角度选择载人火星任务着陆点的参考。

根据ICRP 103[21]推荐的ICRU 球模型以及辐射品质因数，计算了火星表面不同位置处人体皮肤剂量当量，结果见图6。NCRP 98推荐的皮肤剂量当量的年均限值为3 Sv[20]。从图6中可以看出，在火星的几处高山（例如海拔最高的奥林匹斯山），航天员皮肤辐射剂量较大，接近或达到了剂量限值；而在希腊平原（巨大的撞击盆地），皮肤遭受的辐射剂量较小，约为剂量限值的1/10。火星表面不同位置处的辐射剂量参数可辅助载人火星任务着陆点选取。综合考虑辐射剂量、温度、水冰含量等因素，埃律西昂平原（Elysium Planitia）和马尔堤谷（Marte Vallis）适合作为载人火星任务着陆点[22]。

图6 火星表面不同位置处人体皮肤辐射剂量当量Fig.6 Radiation dose equivalent on human skin at different positions on Mars’surface

4 结论

本文基于火星大气和土壤数据，以及太阳宇宙射线和银河宇宙射线初级辐射环境，采用粒子输运方法，分析得到了火星表面辐射环境，包括经过火星大气衰减后的宇宙射线初级粒子；以及初级粒子与火星大气和土壤相互作用产生的次级粒子，如次级重离子、伽马光子、中子、电子等。主要结论如下：

1）银河宇宙射线和太阳宇宙射线重离子到达火星表面后，粒子通量分别降低了53.0%～73.7%、99.7%～99.8%。太阳宇宙射线重离子通量下降比例远大于银河宇宙射线重离子，这主要是因为太阳宇宙射线低能粒子通量比例大，经过火星大气后低能粒子被衰减造成的。

2）银河宇宙射线和太阳宇宙射线在火星表面形成的伽马光子和中子通量接近，电子通量比伽马光子和中子低1个数量级左右。银河宇宙射线产生的伽马光子和中子的通量与银河宇宙射线初级粒子通量接近，而太阳宇宙射线产生的伽马光子和中子的通量比太阳宇宙射线初级粒子通量低了3～4个数量级左右。

3）不同能量质子的通量随高度分布趋势不同。10 MeV 以下质子通量随着高度的下降而衰减，当下降到约40 km 高度后，粒子通量逐渐趋于平稳甚至有缓慢上升的趋势；20～200 MeV 质子通量从大气顶层到40 km 左右未发生明显变化，当高度下降到约40 km 后，质子通量呈上升的趋势；400～1000 MeV质子通量随着高度下降一直呈现衰减的趋势。

4）火星表面伽马光子和中子粒子通量的分析值与“好奇号”RAD实际测量值的偏差不超过50%，火星表面辐射剂量的分析值与RAD实际测量结果偏差不超过5%。

火星表面辐射环境研究可用于分析航天员在火星表面不同位置处遭遇的人体剂量，作为从辐射防护角度选择载人火星任务着陆点的参考。从分析结果看，埃律西昂平原（Elysium Planitia）和马尔堤谷（Marte Vallis）是较好的选择。