如何保护未来的火星宇航员免受辐射？答案是“深挖洞！”

一项新的研究表明，在火星表面深挖洞不仅可以防止有害辐射，还可能为未来在火星上生活的宇航员提供建筑材料。

在人类突破地球大气层并展开火星探索之旅之前，科学家们必须评估在这颗红色星球表面生活所面临的诸多威胁。这包括倾泻在火星上的大量宇宙辐射 -- 特别是银河宇宙射线（GCR）的带电高能粒子。

根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的介绍，银河宇宙射线粒子"基本包含了现有的所有元素"。这些粒子起源于太阳系之外，很可能是由剧烈的宇宙事件（如超新星爆发）释放出来的。在遇上地球时，大部分粒子会被地球周围的磁场（即磁层）反射回去。

大量接触银河宇宙射线粒子可能会导致人类出现许多健康问题，如癌症、白内障和中枢神经系统损伤。由于火星缺乏类似地球的全球性保护磁场，使得银河宇宙射线粒子能够自由地进入火星大气层，并到达火星表面。

在缺乏磁层的情况下，火星的大气层是抵御银河宇宙射线的唯一防线。然而，这道防线非常薄弱：这颗红色星球的空气密度平均只有地球海平面的 1%。当银河宇宙射线进入主要由二氧化碳和氮组成的火星大气层时，它们会由于电离而失去许多能量，这可能会阻止它们到达火星表面。研究作者发现，这一过程在很大程度上取决于大气层的厚度，以及随后施加到地表的大气压力。

和地球一样，火星的地形变化很大。从奥林匹斯山的顶峰（约 26 公里高）到火星最深的撞击盆地希腊平原（约 7.1 公里深），火星不同地区的大气厚度有很大差别，到达火星表面的辐射量也有很大不同。研究人员写道，火星不同地区大气厚度的差异可达 10 倍以上。

研究人员还发现，银河宇宙射线与大气之间的相互作用还会产生另一种有害辐射，称为次级中子辐射。大气的屏障作用越大，到达火星表面的次级中子辐射就越多。

研究人员使用了先进的计算机模型"大气辐射相互作用模拟器"（AtRIS），以及美国国家航空航天局（NASA）好奇号火星车收集的辐射数据，来模拟银河宇宙射线在火星表面的暴露情况，并测量这些粒子渗透到表面尘埃和岩石（风化层）的深度。好奇号火星车于 2012 年登陆火星的盖尔撞击坑，其任务主要是探测火星气候、地质及水的存在，并探测盖尔撞击坑内的环境是否曾经能够支持生命。

分析结果显示，银河宇宙射线的有效辐射剂量在火星风化层 30 厘米厚度处达到峰值。研究人员还提出，要想在火星上安全居住（定义为年辐射暴露不超过 100 毫西弗）的话，需要 1 到 1.6 米的风化层"护盾"。"在一个表面气压较高的深坑中，所需的额外风化层护盾可以略薄一些，"研究作者写道。

了解火星物质如何受到银河宇宙射线的影响，以及火星大气在改变辐射暴露方面所起的作用，是未来在火星上开发定居基地的重要一步。"长期以来，人们一直认为宇航员可以利用自然的地质结构，如洞穴天窗或熔岩管作为火星上的辐射避难所。"该研究的作者写道，"我们的研究表明，在设计未来火星居住地时，使用自然表面材料来进行屏蔽保护，可能将有助于降低辐射风险。"这项新研究发表在 2022 年 2 月份的《地球物理研究杂志：行星》（Journal of Geophysical Research： Planets）上。