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2012年8月，美國宇航局好奇號火星車著陸在蓋爾撞擊坑（Gale Crater），開始對火星的勘查工作。在過去8年多的任務(wù)期間，好奇號完成了20多公里的行程，逐漸攀升了400多米的海拔，遇到過沙塵暴，也經(jīng)歷過多次功能障礙和系統(tǒng)修復(fù)，兢兢業(yè)業(yè)的追尋著其身負(fù)的科學(xué)使命，包括：探測火星氣候及地質(zhì)，探測蓋爾撞擊坑內(nèi)的環(huán)境是否曾經(jīng)能夠支持生命，探測火星上的水，及研究日后人類探索的可行性等。其中測量火星表面的輻射環(huán)境對了解火星的宜居性至關(guān)重要，也幫助我們評估未來宇航員在火星上受到的輻射風(fēng)險(xiǎn)。

在地球上，來自于宇宙深空和太陽爆發(fā)的高能粒子輻射微乎其微。首先地球的磁場有效的屏蔽著空間的帶電高能粒子；其次地球有足夠厚的大氣，進(jìn)一步“消耗”著粒子的能量，“分解”著粒子的質(zhì)量，產(chǎn)生輻射危害很小的次級粒子。相對來說，人們企圖建立第二家園的火星缺乏全局的磁場屏蔽和足夠厚的大氣保護(hù)，高能粒子很容易穿透到火星表面產(chǎn)生輻射危害。好奇號火星車加載的高能粒子輻射探測器（RAD）在過去的3180多天里（火星上的一天比地球稍長一點(diǎn)，是24小時(shí)39分鐘），日夜開機(jī)，持續(xù)測量著火星表面的高能粒子輻射環(huán)境。

火星上的高能粒子既包含來自深空的高能粒子，也包含了高能粒子和火星環(huán)境作用產(chǎn)生的次級粒子。后者的很重要的一個(gè)組成部分是高能粒子進(jìn)入火星“地面”后產(chǎn)生的反彈次級粒子（albedo radiation），其中包含了大量的中子，這些中子不帶電荷，不受電離作用，和人體細(xì)胞以及DNA進(jìn)一步作用，引發(fā)的生物輻射效應(yīng)特別復(fù)雜。標(biāo)定火星表面的反彈輻射能讓我們更深入的了解火星表面土壤巖石和高能粒子的作用過程，并進(jìn)一步探索運(yùn)用火星地表結(jié)構(gòu)建立未來火星基地的可能性。然而，受限于探測的難度，對這些反彈粒子的直接標(biāo)定還至今未能實(shí)現(xiàn)。

2016年9月，好奇號路過了一個(gè)多巖石區(qū)域（Murray Buttes）,并且在非?？拷粋€(gè)巖石的位置停留了13天左右進(jìn)行采樣和作業(yè)，如圖所示。在逼近巖壁的當(dāng)天，RAD觀測到了輻射劑量的突然下降；在重新離開巖石的過程中，RAD探測到了輻射劑量的逐漸回升。同時(shí)，研究人員繪制了火星車360度全景能見度圖，發(fā)現(xiàn)在停車的位置，大約有近20%的天空視野被巖石完全遮擋。而停車之前，RAD的天空能見度約為90%以上。也就是說，臨近的巖石屏蔽了一部分來自高空的粒子，導(dǎo)致了輻射的減少。這一減少的幅度雖小，但是首次直接證實(shí)了火星的表面結(jié)構(gòu)（土壤、巖石、巖洞、火山熔巖管道等）可能作為未來載人登火任務(wù)的“輻射避難所”。

上圖：NASA好奇號火星車穿越Murray Buttes地區(qū)的路徑圖（黃線為路徑，黃點(diǎn)為經(jīng)停點(diǎn)）。青色箭頭標(biāo)記了好奇號停車13天的地點(diǎn)。背景圖像來自https://mars.nasa.gov/resources/38045/curiosity-rovers-location-for-sol-1468/。

上圖插入的圖像：好奇號加載的RAD的全景天空能見度（為360方位角的函數(shù)）。青色陰影區(qū)域顯示了停車期間受地勢遮擋的天頂角?；鹦潜砻嫦蛳碌母吣芰Ｗ涌梢詮姆顷幱皡^(qū)域直接到達(dá)RAD。紅色虛線顯示的是停車前的平均天空視野范圍。在巖石附近停車時(shí)，遮擋的天空視野為19.5%，停車前平均的屏蔽為9.8%。

下圖：從2016年5月到2017年1月，RAD測量的宇宙射線到達(dá)火星表面產(chǎn)生的輻射劑量率。原始數(shù)據(jù)為灰色，平滑后的日平均為黑色。大約每26個(gè)火星日為一個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周期，標(biāo)為I、II、III、IV、V等，由虛線分隔開。好奇號停車的13天用青色陰影表示。去除背景的輻射受到太陽周期性調(diào)制，由巖壁屏蔽導(dǎo)致的輻射劑量率降低了約5%。

另外，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)展了空間高能粒子在火星大氣中的傳輸模型，推導(dǎo)了在火星表面來自于不同天頂角的輻射強(qiáng)度，從而得出由于巖石屏障導(dǎo)致的高空向下的輻射劑量應(yīng)該是減少了12%左右。而觀測到總輻射劑量僅減少了5%左右，這是因?yàn)楦吣芰Ｗ涌梢院突鹦潜砻娴奈镔|(zhì)產(chǎn)生次級反應(yīng)，生成反彈輻射；附近的巖石一方面遮擋了高空向下的輻射，另一方面卻增加了次級反彈輻射。

最后，結(jié)合利用RAD的實(shí)地觀測、火星車全景能見度圖、以及輻射傳輸模型，科研團(tuán)隊(duì)首次推導(dǎo)出了平坦的火星表面產(chǎn)生的次級“向上反射”的輻射劑量約為表面總輻射的19%左右。這一評估對于未來火星表面探索和制定合理的輻射屏蔽方案有重要的啟示作用。

論文第一/通訊作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭靜楠研究員，合作者的單位包括德國基爾大學(xué)、美國西南研究所、德國宇航局和美國宇航局。該成果獲得了中科院行星科學(xué)先導(dǎo)B項(xiàng)目（XDB41000000），國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（42074222），德國宇航局（50QM0501, 50QM1201, and 50QM1701）和JPL（1273039）的經(jīng)費(fèi)支持。

原文發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters，鏈接為：https://doi.org/10.1029/2021GL093912。

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）