空間輻射環(huán)境的太陽活動性效應(yīng)

1空間輻射生物學效應(yīng)是重要環(huán)節(jié)在帶電粒子輻射環(huán)境中暴露出來的探測器可以采取適當?shù)拇胧﹣頊p少輻射的有害，但這種有害不能完全避免。因為空間中的電粒子輻射能量很高，它可以穿過物體的深度和物質(zhì)。與地球大氣約等效于10m深的水屏蔽效果相比較而言,載人航天器的外殼提供的屏蔽厚度僅約1～30cm,因此航天器上的儀器設(shè)備屏蔽厚度取決于安裝在其內(nèi)部的位置。航天員居住在為其特殊建造的艙內(nèi),但是居住艙段所能提供的屏蔽厚度遠遠趕不上地球大氣層提供的屏蔽厚度。因此,像“國際空間站”上工作的人員,由于長期地暴露在銀河宇宙線和地球輻射帶環(huán)境中,致癌死亡率是相當大的,所以航天員被視為從事放射性專業(yè)的人員。航天員出艙活動,遭遇太陽高能粒子事件的概率是很高的,可導致急性的輻射效應(yīng)發(fā)生。在評價航天員的輻射生物學效應(yīng)危險性時,輻射環(huán)境可能的最大精確性是最重要的問題之一。空間輻射生物學效應(yīng)是由空間輻射環(huán)境引起的。地球空間輻射環(huán)境由地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線三部分組成,它們的變化受太陽活動性所驅(qū)使。到目前為止,航天工程使用的空間輻射環(huán)境模式,例如,地球輻射帶模式由質(zhì)子AP8和電子AE8模型組成。AP8模型分為AP8max和AP8min,AE8模型分為AE8max和AE8min,分別對應(yīng)太陽活動高年和太陽活動低年。這些模型是美國上世紀60年代起,由近30顆衛(wèi)星測量結(jié)果綜合分析編制而成。這是一個靜態(tài)的統(tǒng)計平均模型,沒有包括大的地球磁暴和太陽活動性。迄今,尚未有一個描述隨太陽活動性而變化的地球輻射帶模型。銀河宇宙線和太陽宇宙線情況與此類同。所以空間輻射環(huán)境模型的精確性是當前和未來航天界、空間科學界所面臨的巨大挑戰(zhàn),也是空間輻射生物學效應(yīng)研究的瓶頸問題之一。帶電粒子輻射對航天員造成的嚴重損傷是不可逆的。輻射劑量是累積的,大劑量的主要危險可能引發(fā)滯后的癌變;另一種危險會引發(fā)遺傳因子的改變而影響后代。輻射對細胞的直接損傷會影響到中樞神經(jīng)系統(tǒng),還會引發(fā)白內(nèi)障,降低航天員的視力。帶電粒子輻射不僅是載人航天公認的主要問題之一,還是太陽系內(nèi)載人探測器潛在的限制性因素之一。許多空間探測表明,空間的輻射水平比地表面的輻射水平高得多,航天員在空間接受的輻射劑量比地面人員接受的劑量要高100倍,甚至更高。更為重要的是空間存在高能重離子,它們的生物效應(yīng)比其它帶電粒子更大。迄今,航天員在空間飛行的時間一般不超過兩周,僅有俄羅斯的幾名航天員飛行時間超過了一年。雖然接受的輻射水平超過了致癌風險,但還是比美國輻射保護和測量委員會(NCRP)所推薦的航天員一生容許的接受輻射水平限制的風險要小,即小于航天員一生容許可超出接受輻射劑量水平的3%。空間帶電粒子輻射對航天員的影響主要表現(xiàn)為:(1)使眼睛的玻璃球體不透明,或者生成白內(nèi)障;(2)暫時性的無生育能力;(3)骨髓再生能力下降。表1是美國公眾、放射性職業(yè)人員以及航天員一年所接受劑量的限制水平,單位為mSv(毫希沃特)。2受輻射的細胞損傷效應(yīng)輻射對生物組織會引起嚴重損傷,但不是所有的輻射種類都是有害的。大氣層外非電離輻射都是低功率譜密度,不會對航天員有什么危害。粒子輻射能量范圍從幾十eV到幾GeV。粒子輻射有許多生物效應(yīng),甚至在很低水平就有生物效應(yīng),造成的損傷效應(yīng)是累積的。一個單細胞受電離輻射,當它被電離開始出現(xiàn)病變,稱作自由基,它具有強的反應(yīng)能力。這種高強度電離輻射可能殺死許多細胞,或形成白內(nèi)障,影響視力,甚至使中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生病變,直接影響人類的生存。受輻射更嚴重的癥狀是白細胞總數(shù)降低(隨后會產(chǎn)生人體免疫系統(tǒng)的障礙),出現(xiàn)惡心,暫時的頭發(fā)脫落,甚至死亡。即使較低水平的細胞損傷也會導致癌癥產(chǎn)生,例如白血病。另外個別人的身體損傷會有遺傳,直接影響到下一代。2.1小劑量板下室感染的主要臨床意義輻射生物學效應(yīng)分為兩類:急性效應(yīng)和滯后效應(yīng)。急性效應(yīng)是短期大劑量照射產(chǎn)生的瞬時效應(yīng);滯后效應(yīng)是長期小劑量照射后產(chǎn)生的效應(yīng)。載人航天初期,比較注意人體特殊器官的急性效應(yīng),關(guān)注電離輻射對某些組織的非隨機直接損傷,尤其關(guān)心消化系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)和皮膚等癥狀及表現(xiàn)。隨著航天活動知識、經(jīng)驗的增加與積累,更重視隨機小劑量引起的滯后效應(yīng)及其可能引發(fā)癌癥和遺傳效應(yīng)的高風險性問題。在空間除大耀斑爆發(fā)伴隨著太陽質(zhì)子事件帶來的高劑量率和大劑量照射外,大部分時間內(nèi)受小劑量率照射。人一生接受低劑量后,特定的器官致癌及其死亡概率系數(shù)如表2所示,血小板的減少與吸收劑量的關(guān)系見表3。急性效應(yīng)嚴重程度與接受劑量大小密切相關(guān)。通常接受劑量越大,急性效應(yīng)越嚴重,但生物體的反應(yīng)和所接受劑量的關(guān)系受多種因素影響,需考慮射線種類、能量、受射方式、劑量率及屏蔽等因素。對被照射人體,即使接受同樣劑量,不同人的反應(yīng)也不盡相同,有著明顯的差異。2.2相對生物效應(yīng)的測定現(xiàn)將與生物輻射效應(yīng)相關(guān)的劑量、劑量當量、品質(zhì)因子、相對生物效應(yīng)作簡要說明。劑量D單位:(1)拉德(rad),每克材料或者組織中吸收100爾格的能量,稱為1rad,它是生物組織吸收的輻射能量,國際單位制是戈瑞(Gy),1Gy=100rad;(2)倫琴(roentgen),X或γ射線輻射在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來的全部電子(正電子和負電子)被空氣阻止時,在空氣中產(chǎn)生一種符號的離子總電荷的絕對值dQ除以dm即R=dQ/dm,單位為庫[侖]/千克,符號為C/kg。相對生物效應(yīng)(RelativeBiologicalEffectiveness,RBE)。不同類型的輻射造成生物細胞損傷是不同的,即便是同一劑量照射,損傷也會不同。例如,等量γ射線劑量的中子生物學效應(yīng)比等劑量質(zhì)子的損傷大10倍。因此用拉德作劑量單位不是評價生物學效應(yīng)的合適單位。RBE的建立,它相對γ射線和X射線已規(guī)范化,RBE均為1。另一種粒子輻射,例如重離子RBE為20,就是說,1拉德重離子的輻射劑量,造成的RBE是1拉德γ射線或X射線劑量的20倍。因此RBE是一新的劑量單位,稱為雷姆(rem),它等效于人體接收的輻射劑量,相對生物效應(yīng)與吸收劑量的關(guān)系是:劑量rem=RBE×rad。這樣1rem劑量引起同樣量的生物損傷,而與輻射源的種類無關(guān)。不同射線的相對生物效應(yīng)如表4所示。劑量當量H(Doseequivalent):為在要研究的組織中某點處吸收劑量D、品質(zhì)因子Q和其它一切修正因子N的乘積,即H=DQN。單位是rem(雷姆),國際單位制是Sv(希沃特),1Sv=1J/kg,1Sv=100rem。品質(zhì)因子Q:生物組織接受特定輻射劑量所致生物效應(yīng)的大小,是一個人工系數(shù),除生物自身因素外,還與粒子類型和輻照的條件有關(guān)。輻射防護技術(shù)規(guī)定指出,特定器官的效應(yīng)指標是由某些修正因子加權(quán)與該器官的吸收劑量推斷確定的。這些修正因子用Q表示。不同粒子輻射的品質(zhì)因子見表5。2.3高能重離子生物學特性載人航天關(guān)心的主要是帶電粒子。高能重離子是軌道上帶電粒子的重要成分之一,是近年國外研究的重要內(nèi)容之一,主要集中在空間重離子生物效應(yīng)。高能重離子大部分來自銀河宇宙射線,其余來自太陽宇宙射線。用屏蔽方法對付銀河宇宙射線其效果甚微。原子序數(shù)大于2,每個核子能量都超過50GeV,足夠穿透1mm厚的航天服及航天器上的一般屏蔽物。太陽風給地球帶來新粒子,特別是太陽質(zhì)子事件(SPE)、太陽日冕物質(zhì)拋射(CME),使通量增加幾個量級,在持續(xù)幾小時到幾天的增加期間,應(yīng)更重視高能重離子的生物效應(yīng)。2.3.1臨界輻射電導率微損傷是指一個高能重離子通過生物組織細胞時細胞受損傷的區(qū)域或范圍。高能重離子進入人體,在其經(jīng)過的路徑上與細胞相互作用所損失的能量會儲存在細胞組織中,造成細胞失去活力。重離子在生物組織中造成微損傷需要達到臨界輻射電離水平的條件是:LET>200keV/μm,初級入射離子在組織中的路徑長度大于10個細胞直徑(即相當于300μm)。重離子穿過人體細胞組織時,每百個細胞吸收劑量為1rad,就能產(chǎn)生一條電離作用極強的徑跡線,能貫穿許多細胞和細胞核,還會產(chǎn)生許多次級電子,在生物組織內(nèi)形成一個δ射線半影區(qū),半影區(qū)內(nèi)的細胞在次級高能電子作用下,可接收劑量幾十至上百rad,沿電離徑跡形成一條死亡的細胞線。以徑跡線為中心,周圍的細胞會受不同程度的損傷,有的被殺傷,有的發(fā)生畸變,有的則變?yōu)閻盒阅[瘤細胞。2.3.2地面模擬試驗“眼內(nèi)閃光”是指航天員在艙內(nèi)處在黑暗中眼睛內(nèi)部出現(xiàn)的閃光現(xiàn)象,如美國阿波羅號飛船航天員登月時在月面上就出現(xiàn)過這種現(xiàn)象,美國阿波羅號與蘇聯(lián)聯(lián)盟號聯(lián)合飛行時,航天員總共出現(xiàn)82次閃光現(xiàn)象。地面模擬試驗證實航天員在黑暗中眼睛內(nèi)部閃光現(xiàn)象是高能重離子穿過視網(wǎng)膜時產(chǎn)生的。重離子穿過眼睛角膜時,使角膜上皮細胞形成小微孔,隨著LET增大,微孔直徑也增大,最大可達5μm,造成角膜損傷。3新的劑量限值載人空間活動的第一個“空間帶電粒子輻射保護指南”是由美國空間科學部空間醫(yī)學委員會所推薦的(1970年)。推薦航天員一生輻射劑量限值為4Sv,在20年內(nèi)其致癌的風險不超過2.3%。航天員年劑量限值為750mSv。至今,俄羅斯航天活動輻射劑量限值仍是4Sv,而且一次瞬時劑量限值是0.5Sv。由于放射性生物學新數(shù)據(jù)的獲得,1989年“美國國家輻射防護和測量委員會”(NationCouncilonRadiationProtectionandMeasurement,NCRP)的第75科學委員會,根據(jù)放射性生物學獲得的新數(shù)據(jù)對它進行修訂,采納“航天活動是一項高危險性職業(yè)”的建議,認為航天員一生許可超出劑量限值的3%,引發(fā)致癌危險是合理的(除輻射危險外,還有其它更嚴重危險因素),并且按性別、10年為一時段,推薦一生劑量限值,但是國際放射防護委員會(InternationalCommissiononRadiologicalProtection,ICRP,1991)對此又有補充,認為除與年齡、性別有關(guān)外,其他因素(例如,需要考慮從一個人到另一個人危險模型的變化,不同國家的民族特征)在確定不同組織器官相對癌變危險性貢獻可能更重要。NCRP-1998-1989與NCRP-132-2000的比較,如表6所示,NCRP-1998-1989用劑量當量單位,NRCP-132-2000是對NCRP-1998-1989的修訂,用等效劑量單位,它要求生物組織和輻射粒子具有權(quán)重,因此NRCP-132-2000與粒子類型、能量及LET均無關(guān),并明確NCRP-132-2000只適用于低地球軌道,即“低地球軌道空間活動輻射保護指南”(RadiationProtectionGuidanceforActivitiesinLowEarthOrbit),而NCRP-1998-1989適用于空間,即“空間活動輻射接收指南”(GuidanceonRadiationReceivedinSpaceActivity)。文獻依據(jù)NCR