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，也經歷過多次功能障礙和系統修復，兢兢業業的追尋著其身負的科學使命，包括：

探測火星氣候及地質，探測蓋爾撞擊坑內的環境是否曾經能夠支援生命，探測火星上的水，及研究日後人類探索的可行性等。 其中測量火星表面的輻射環境對瞭解火星的宜居性至關重要，也幫助我們評估未來宇航員在火星上受到的輻射風險。

在地球上，來自於宇宙深空和太陽爆發的高能粒子輻射微乎其微。 首先地球的磁場有效的遮罩著空間的帶電高能粒子;其次地球有足夠厚的大氣，進一步”消耗”著粒子的能量，”分解”著粒子的質量，產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域的磁場遮罩和足夠厚的大氣保護，高能粒子很容易穿透到火星表面產生輻射危害。 好奇號火星車載入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，是24小時39分鐘），日夜開機，持續測量著火星表面的高能粒子輻射環境。

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境作用產生的次級粒子。 後者的很重要的一個組成部分是高能粒子進入火星”地面”後產生的反彈次級粒子（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，和人體細胞以及DNA進一步作用，引發的生物輻射效應特別複雜。 標定火星表面的反彈輻射能讓我們更深入的瞭解火星表面土壤岩石和高能粒子的作用過程，並進一步探索運用火星地表結構建立未來火星基地的可能性。 然而，受限於探測的難度，對這些反彈粒子的直接標定還至今未能實現。

2016年9月，好奇號路過了一個多岩石區域（Murray Buttes），並且在非常靠近一個岩石的位置停留了13天左右進行採樣和作業，如圖所示。 在逼近岩壁的當天，RAD觀測到了輻射劑量的突然下降;在重新離開岩石的過程中，RAD探測到了輻射劑量的逐漸回升。 同時，研究人員繪製了火星車360度全景能見度圖，發現在停車的位置，大約有近20%的天空視野被岩石完全遮擋。 而停車之前，RAD的天空能見度約為90%以上。 也就是說，臨近的岩石遮罩了一部分來自高空的粒子，導致了輻射的減少。 這一減少的幅度雖小，但是首次直接證實了火星的表面結構（土壤、岩石、岩洞、火山熔岩管道等）可能作為未來載人登火任務的”輻射避難所”。

上圖：NASA好奇號火星車穿越Murray Buttes地區的路徑圖（黃線為路徑，黃點為經停點）。 青色箭頭標記了好奇號停車13天的地點。 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：好奇號載入的RAD的全景天空能見度（為360方位角的函數）。 青色陰影區域顯示了停車期間受地勢遮擋的天頂角。 火星表面向下的高能粒子可以從非陰影區域直接到達RAD。 紅色虛線顯示的是停車前的平均天空視野範圍。 在岩石附近停車時，遮擋的天空視野為19.5%，停車前平均的遮罩為9.8%。

下圖：從2016年5月到2017年1月，RAD測量的宇宙射線到達火星表面產生的輻射劑量率。 原始數據為灰色，平滑后的日平均為黑色。 大約每26個火星日為一個太陽自轉週期，標為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週期性調製，由岩壁遮罩導致的輻射劑量率降低了約5%。

另外，科研團隊發展了空間高能粒子在火星大氣中的傳輸模型，推導了在火星表面來自於不同天頂角的輻射強度，從而得出由於岩石屏障導致的高空向下的輻射劑量應該是減少了12%左右。 而觀測到總輻射劑量僅減少了5%左右，這是因為高能粒子可以和火星表面的物質產生次級反應，生成反彈輻射;附近的岩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。

最後，結合利用RAD的實地觀測、火星車全景能見度圖、以及輻射傳輸模型，科研團隊首次推導出了平坦的火星表面產生的次級”向上反射”的輻射劑量約為表面總輻射的19%左右。 這一評估對於未來火星表面探索和制定合理的輻射遮罩方案有重要的啟示作用。

論文第一/通訊作者是中國科學技術大學的郭靜楠研究員，合作者的單位包括德國基爾大學、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先導B專案（XDB41000000），國家自然科學基金面上專案（42074222），德國宇航局（50QM0501， 50QM1201， and 50QM1701）和JPL（1273039）的經費支援。

原文發表在國際知名學術期刊Geophysical Research Letters，連結為：https://doi.org/10.1029/2021GL093912。

（地球和空間科學學院、科研部）