〈元素的世界〉宇宙射線影響人體

劉公典 2021/05/09 11:20 點閱 4442 次

地球每天會受到來自太空宇宙射線的照射。宇宙射線是由各式高能量基本粒子(如質子、中子和介子)、原子核與電磁輻射所組成、能量分佈從數兆電子伏特到數十焦耳的射線。這些粒子能量極高,以接近光速穿越太空,具有很強的穿透力與游離力。

宇宙射線有二個來源,90%來自銀河系與10%來自太陽。這二種宇宙射線的組成與能量分佈不同。來自銀河系的宇宙射線,含有87%高能量質子(0.1 - 10 GeV)、12%阿爾法粒子和1%重元素的原子核。而來自太陽的宇宙射線,能量較低(< 100 MeV),含有98%質子與2%阿爾法粒子。

宇宙射線劑量高

歐盟聯合研究中心2017年年度報告顯示,一個人每年從地表接受的宇宙射線等效劑量,大約是300 - 4000微西弗(μSv),佔全年總輻射劑量之13%。

全球即時中子監測網(The worldwide neutron monitor network,簡稱NMDB)從二十多個中子監測站,提供世界各地即時和歷史的宇宙射線數據,每5分鐘更新一次,記錄許多宇宙射線的變化。其中也包括泰國、以色列、韓國與西藏4個位於亞洲的監測站。

放射性同位素

宇宙射線進入地球的大氣層,會與大氣層裡的氣體和微粒碰撞,產生放射性同位素,過程可以分為三個階段。首先,是一次宇宙射線被宇宙中某個天體源加速到巨大能量。然後穿透地球磁場,並與大氣中的氣體原子核相互作用,產生二次宇宙射線與引發核分裂反應。散裂與碎裂反應還會釋放更多質子、中子和原子團簇,不斷撞擊更多的大氣原子核,引發更多核反應,直到能量耗盡。

歐盟聯合研究中心2019年《歐洲年度宇宙射線劑量圖》報告指出,大氣中濃度最高的放射性核種排名是鈹-7、磷-33、氫-3 (氚);而雨水則是氯-38、氯-39、鈹-7和硫-38。

2018年,美國佛羅里達大學等20多個機構的報告指出,宇宙射線在海平面產生氚同位素的產量,是每天每公斤海水會生成74個氚原子。雖然換算後得到全球氚總產量驚人,但即使將所有宇宙射線產生的放射性同位素都加總,對於人體總有效劑量也只佔0.4%。

高空飛行劑量大

影響宇宙射線輻射強度的因素有海拔、地球磁場、大氣層與太陽活動。比如在海平面或地表的宇宙射線最弱,是因為帶電粒子經過大氣時,能量早被吸收殆盡,因此產生放射性核種,主要來自低能量中子。但當高度增加,宇宙射線的強度便迅速增加,在地球表面上方6 - 9公里處的輻射強度,是地面的30倍。因此高空飛行,所受到輻射劑量的影響會更大。

另外,地球磁場和大氣層也會屏蔽和調解宇宙輻射。在太陽能支配或控制的太空區域,也就是所謂太陽圈,也能調節大部分到達地球的宇宙射線強度。像是太陽黑子或太陽風磁場將來自銀河系的宇宙射線掃離地球,讓宇宙輻射強度突然降低。這種現象(福布希衰減,又稱為福布希效應)會發生在太陽活動增加,如太陽閃焰的日冕巨量噴發時。

機組人員影響大

真正受宇宙射線影響最大的族群,其實是飛航人員。對每年只搭乘一、二次飛機的民眾而言,國際放射防護委員會(ICRP)認為偶爾飛行只會增加很小的輻射劑量,並不需要採取特別保護措施。

相較之下飛航機組人員則不然,歐盟《基本安全標準(BSS)指令》對飛航機組人員有特別授權暴露限制管理之要求。而ICRP建議的合理範圍,則是每年5-10毫西弗(mSv/y)。這個劑量值,可是我國一般民眾年有效劑量的5-10倍喔!