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  1. 1. 何谓宇宙辐射?
    2. 宇宙辐射如何被发现?
    3. 宇宙射线的组成
    4. 宇宙射线对人类的影响
    5. 人类如何面对宇宙辐射?
    6. 香港天文台怎样测量宇宙射线?

    撰文:谢伟明     2010年9月


  1. 1. 何谓宇宙辐射?

    宇宙辐射就是来自外太空的一种具有非常大能量的带电粒子流。其具体的来源,到现在人类还没有完全了解,所以在这方面,科学界还有一些争议。

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    2. 宇宙辐射如何被发现?

    从百多年前开始,科学家已经有这方面的测量,不过当时虽然测量到大气当中有些电离现象,但科学家只觉得这些能量是由地球本身放射出来,而非来自外太空。

    到1912年,一位名为Victor Hess 的德国科学家,他亲自携带仪器登上升气球,到达5公里的高空,发现仪器上的电流读数会随着气球上升而增大,所以他认定电流应该是由来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生。后来人们就将这种射线称为「宇宙射线」。而Victor Hess亦因为发现宇宙射线,在1936年获得诺贝尔物理学奖。
        
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    3. 宇宙射线的组成

    宇宙射线当中大部份是质子:85%是氢原子核,12%是α粒子,以及小量电子及重原子核等。这些射线会以接近光的速度射向四方八面,部份抵达地球。

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    4. 宇宙射线对人类的影响

    我们要知道,这些带电粒子能量可能高达一亿电子伏特,它们可以干扰细胞的功能,引致疾病,所以对太空人会构成威胁。假若宇宙射线射进太空舱内,也可能会破坏精密的仪器,影响操作。所以每一次的太空任务都需要经过严格和认真的规划。

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    5. 人类如何面对宇宙辐射?

    我们生活在地面上,并不需要采取任何预防宇宙辐射的措施,原因是地球有以下两个保护我们免受危害的机制:

    (一) 地球的磁场 - 当宇宙射线接近地球时,磁场上的磁力线就像太极高手,顺势将带电粒子引导开,令粒子主要集中在人口稀少的南北两极。

    从南北两极出现的「极光」,可以显示出地球的磁场,发挥了效应 - 当部份带电粒子进入地球高层大气(即电离层),与那里的原子、分子或氮和氧的离子相互作用,就会在地球高纬度的上空产生红色、绿色或蓝色的光线。这表明,在地球的磁场作用下,南北两极宇宙射线强度会较高,而接近赤道侧较低。

    (二) 另一个保护机制就是地球的大气层 -大气层除了可以吸收大部份的红外线和紫外线之外,更会与宇宙射线产生相互作用。这些所谓初级射线里的高能粒子,就会与大气中的氧或氮等原子核发生碰撞,并转化成次级射线粒子。
           
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图1∶宇宙射线穿过大气层后逐渐减弱,最后到达地面

  1. 这些次级粒子有足够的能量产生下一代的粒子,如此这般不断下去,一级一级的转化,就会产生一个庞大的粒子簇(或粒子群) 。这些粒子群深入大气层时,大部份都会被吸收或由于本身的衰变而无法到达地面;而穿越通过大气层的粒子,接近地面时,能量就进一步减少。

    所以说大气层就像一个缓冲区,阻挡了一些高能粒子,当射线到达地球表面时,其潜在的有害影响已大大减少。

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    6. 香港天文台怎样测量宇宙射线?

    要在地面测量宇宙射线,最重要的就是尽量减低受到陆地上其他辐射源的影响。所以,为了确保数据精确,在测量时要有几个要求:

    (一) 首先要在一个大的淡水湖面来测量,这样,地壳中放射性物质的电离辐射会被湖水所吸收;

    (二) 距离岸边最少1000米,即与山体、泥土及石块距离较远;及

    (三) 水深约6米。

    香港天文台在1989年首次测量宇宙射线 (Tsui et al, 1991) 。在香港,比较理想的测量位置是在船湾淡水湖。从2000年开始,天文台每个季度,都会使用水务署的玻璃纤维小船,在湖中心利用高压电离室(Reuter -Stokes Model RSS-131可?式环境辐射监测系统)测量因宇宙辐射而引致的伽马剂量率。测量时间每次约为一小时。

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图2a
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图2b
图2a和图2b∶天文台工作人员在船湾淡水湖测量宇宙射线
 
  1. 由于仪器及来自船身机件等物料的成份,以至人类体内的钾-40都会放射出辐射,因此为了得到更精确的数据,在测量宇宙射线时,我们还会将这些轻微的辐射影响一并减除。该调整数值约为-0.0036每小时微戈。

    下图为2000年至2009年天文台所录得的宇宙辐射强度时间序列。在这期间内,录得的平均伽马剂量率介乎0.029 至 0.038 每小时微戈,而总平均值为 0.033每小时微戈。

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图3∶2000年至2009年天文台录得的宇宙辐射强度时间序列

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    参考:

  2. Tsui, K.C., M.C. Wong and B.Y. Lee, Field Estimation of Cosmic Contribution to Total External Gamma Radiation in Hong Kong.  Technical Report No. 4, Hong Kong Observatory, 1991
  3. 香港环境辐射监测技术报告第 20-23, 25-30 号,香港天文台,2000-2009
  4. UNSCEAR.  Sources and Effects of Ionization Radiation.  United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR 1993 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes.  United Nations, New York, 1993
  5. Arnold Wolfendale, Cosmic rays. Essays on Science and technology from the Royal Institution, 2001, Oxford University Press, 1-17
  6. A.G. Fenton, Cosmic Ray Studies Before 1946, Physics Department, University of Tasmania, GPO Box 252-21, Hobart Tasmania 7001
  7. P.K.F. Grieder, Cosmic Rays at Earth, Elsevier Science, 2001
  8. John Kraus, A Strange Radiation from Above , North American AstroPhysical Observatory (NAAPO), Cosmic Search: Issue 5, (Volume 2 Number 1; Winter (Jan., Feb., Mar.) 1980), 20-22
     
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最近修订日期: <2014年4月1日>