模拟火星表面和地下的辐射环境: 对天体生物学的意义外文翻译资料

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模拟火星表面和地下的辐射环境:

对天体生物学的意义

L. R. Dartnell,1 L. Desorgher,2 J. M. Ward,3 and A. J. Coates4

1生命科学与实验生物学（复杂）数学与物理中心，伦敦，伦敦大学学院

2 physikalisches学院，伯尔尼大学，伯尔尼，瑞士

3伦敦大学学院生物化学与分子生物学系，伦敦，英国

4大盾空间科学实验室，伦敦大学学院，多尔金，英国。

2006年7月7日收到; 2006年9月25日修订; 2006年11月22日接受; 于2007年1月30日发布

电离辐射对细胞结构有潜在的破坏作用，也是对生物栖息地生命生存的主要限制因素之一。在这里，我们模拟太阳能质子和星系宇宙射线粒子通过火星大气和三种不同的表面（干重石灰，水冰和具有分层永久冻土的古土壤）传播的情况，确定地表和地下常规深度的粒子能谱和吸收辐射剂量，从而计算微生物的存活时间。通过冻结条件休眠的细菌或孢子不能通过累积辐射损伤代谢和失活。另外，我们发现，在2米深的情况下，ExoMars的范围将会在过去的45万年中重新生效。在推定的Cerberus包装冰中冷藏保存的活细胞的恢复需要至少7.5m的钻深。引用：Dartnell, L. R., L. Desorgher, J. M. Ward, and A. J. Coates (2007), Modelling the surface and subsurface Martian radiation environment: Implications for astrobiology, Geophys. Res. Lett., 34, L02207, doi:10.1029/2006GL027494。

1.引言和背景

火星表面今天是一个寒冷荒芜的沙漠。即使在中纬度地区夏季地面温度介于230 K和180 K[Carr，1996]。这与参考基准高度仅有600 Pa的大气压力相结合，意味着地表水作为液体是不稳定的。然而，原始星球暖和和潮湿的大量证据[Squyres and Kasting，1994]支持火星存在生命的可能性。 微生物可能存在于密封岩中 [CockellandRaven，2004]，永冻土水冰[Schulze-Makuch，2005]，或在深层含水层生态系统中活跃[波士顿等，1992]。 除了温度和液态水的稳定性，另一个关键的危害是近地表生活的辐射环境。本研究构成了迄今为止地下电离辐射环境中最准确的模型，是深度和表面组成的函数，并对不同微生物的存活率有很大影响。

太阳紫外线快速灭活非屏蔽细胞[Cockell and Raven，2004]，也被认为是创造了高度氧化的表面条件，破坏表层中的有机分子。维京登陆者探测器甚至没有从预期的陨石事件中发现有机化合物的痕迹 [Yen et al.，2000]。紫外线仅穿透毫米土层[Cockell and Raven，2004]，但能穿透一米左右的松散表层土壤深度[Soderblom等人，2004]，其中一部分风混合的氧化剂预计将出现严重的生物危害。除了紫外线的穿透深度外，太阳能量子素（SEP）和星系宇宙射线（GCR）的电离辐射占主导地位。 SEP通过耀斑和冠状质量喷射（CME）加速，通常高达几百MeV，其通量取决于11年的太阳活动周期。在大约500MeV /核子的GCR颗粒的峰值通量比SEP低约四个数量级，但是在极低的通量下，光谱的幂律尾部延伸到1020eV。GCR光谱由85％质子，14％alpha;和一小部分重离子（完全电离原子核），以及II型超新星加速组成。GCR以下约1 GeV /核子是由日光层调制[Klapdor-Kleingrothaus和Zuber，2000]，所以它们的通量与太阳活动周期是抗相关的。

SEP被地磁场偏转并被地球大气衰减，但是火星表面不受全球偶极磁场或足够的大气屏蔽的保护。更有活力的GCR在陆地大气层中产生二次颗粒的粒子雨。当GCR撞击大气中的能量次级介子（pions and kaons）时，产生核子，伽马和核碎片，然后与其他核相互作用。次级介子在短时间内衰减，产生mu;子，gamma;射线和电子。因此，粒子雨由电磁级联扩散“软组分”锥体内的核碎片的核心部分组成[Eidelman al.，2004]。次级通量随屏蔽深度增加而增加，直到Pfotzer最大值，此后平均粒子能量低于新粒子产生的阈值，并且级联稳定衰减。在地球上，这个Pfotzer最大值出现在大约15公里的高度;大致是协和飞机的巡航高度。类似的结构级联发生在火星后卫的顶端。

SEP和GCR产生的电离辐射场通过直接和间接的机制对生命构成危害[Nelson，2003]。当沉积的能量激发生物分子内的电子，导致电离或辐射分解时，会发生直接损伤。然而，辐射主要与水相互作用也包括40–70%细菌孢子细胞和20%，这造成了活泼的物种如羟基自由基和过氧化氢，然后扩散和攻击的生物分子[Baumstark-Khan and Facius，2001 ]。通过电离辐射在每单位质量的目标材料中沉积的能量的量以J / kg或Grays（Gy）测量。诸如大肠杆菌的细菌通过不到一百Ggamma;的gamma;辐射被快速灭活，但是抗辐射物质是已知的。 gamma;射线辐射线球菌的gamma;辐照种群可以存活5 kGy，尽管大量的DNA片段化，但仍存在可测量的活力损失[Cox and Battista，2005]，10 kGy后仍然存在1％的存活率。这种显著的恢复力被认为主要是由于更有效的酶DNA修复和恢复机制[Battista，1997]。枯草芽孢杆菌的孢子表现出被动抵抗辐射的作用。这些显示没有检测到的代谢，但耐热性，化学毒素，gamma;辐射和紫外线是由大部分干燥的内部和一组保护DNA的小结合蛋白质赋予的[Setlow，1994]。

电离辐射的不同粒子对生命没有同等的危害。 gamma;辐射是弱电离，给定剂量的能量均匀地沉积在整个靶上。 然而，强子级联的质子和高电荷/高能（HZE）离子在密集轨道中是高度电离和沉积能量的。 HZE通量是可导致DNA链中多次断裂的簇，因此对细胞存活特别有害。 吸收剂量的原始配方没有考虑到生物效应对能量沉积分布的依赖性，并且已经出现了各种方法来描述HZE颗粒增强的有害影响。本研究采用加权的相对生物学效应（RBE），定义为一个参考辐射剂量（通常gamma;或X射线）需要产生相同的生物效应剂量测试辐射[ Baumstark Khan and Facius，2001 ]。

没有粒子探测器已经降落在火星表面，因此计算机建模对于确定地面和下面的辐射环境至关重要。迄今为止，工作重点是计算表面辐射环境[Molina-Cuberos et al.，2001]，尤其是在表面或在剂量探索受风化层导出变厚度的屏蔽内宇航员所吸收的剂量[Simonsen and Nealy，1991; Kim et al.，1998; Saganti et al.，2004]。对影响微生物生活在风化层深度的函数，对微生物生命的影响只有有限的调查尚未进行 [Mileikowsky et al.，2000; Pavlov et al.，2002]。这些前述研究使用基于积分微分波尔兹曼传输方程的粒子传播的分析近似。这样的代码通常需要简化包括目标同质化，入射粒子，无论梯级角蔓延，忽视和某些次级粒子类型传播的产生（包括伽马，电子和狮子的广泛阵列）。

图1 六个最重要粒子的能量谱。表面模型表示如下：DH（固体），PI（虚线）和WH（点破折号）。

2.方法

这项研究使用Geant4 [Agostinelli et al.，2003]在完整的3D环境中对整个次级级联进行蒙特卡罗（MC）模拟，从而准确地描述了几何，大气和非线性空间异质性，粒子的散射角分布各向同性和实际传入的初级粒子的再现。 Geant4物理代码在对实验数据的验证测试中表现良好[例如 Amako et al.，2005; Beringer et al.，2003]，这里使用了来自PLANETOCOSMICS的具体物理描述。 这是对火星地下辐射环境进行这样一个完整的MC模拟的第一个研究。

该模型包括在20米表面材料上方的70公里大气柱。目前的情况在组成压力，密度和温度特征方面都得到准确地再现，数据取自火星气候数据库在阿拉伯地区的夏日（Ls = 270-300）中午正午。这个季节是大气密度的年度峰值，选择的位置是在600 Pa的表面压力的参考高度，检查了三个不同的方案。模型（1），“干同质”或DH是最简单的案例，是最简单的情况下，构造允许与以前的出版物的结果比较。它含有一个空间均匀的2.8 g / cm3块石榴石，没有水，并以元素组成作为土壤样品的探路者分析的平均值[Wauml;nkeet al.，2001]。模型（2），“纯冰”或PI，是用于模拟北极冰盖，冷冻火山口湖或推测的Cerberus包冰的环境中的1g / cm3块纯水冰块[Murray et al. ，2005]。模型（3），“湿异质”或“WH” 建立含冻土火星风化层更逼近现实，分成25厘米1.1克/立方厘米的表土层2%的水的重量，75厘米厚的层1.1克/立方厘米16%水的表层土壤，和底部19米3克/立方厘米16%水壤。基于中子反向散射数据，这种分层再现了阿拉伯地区地下多年冻土的模式[Mitrofanov et al.，2004]，但也是高纬度地区冰载沉积物的良好近似。尽管以前的研究发现，确切的元素组成对屏蔽性能的影响可以忽略不计，但是表层土壤和地层的元素组成分别被认为是Pathfinder平均土壤和计算无土壤岩石[Wauml;nke et al., 2001]。为本研究选择了这些情景，但该模型可以快速重构，以模拟任何大气条件或表面组成，以及通过地壳异常等造成的磁场的偏转。

GCR原光谱z = 1–26（质子铁核）取自CREME96模型在太阳最低条件，代表一个糟糕的情况下为GCR通量，并外推至1 TeV /核子。月流量超过10–200 MeV是从spenvis数据库[ http://www.spenvis.OMA./ ]，调整到火星轨道并在整个11年的太阳活动周期的平均值。通过能量积分对来自H，He和C原始数据进行加权，并结合模拟整个GCR光谱100 MeV / nuc - 1 TeV / nuc。在表面和规则的间隔记录颗粒能谱，同时根据粒子的类型和能量通过沉积在微米级的水层中沉积的能量以产生微生物的吸收剂量，这也是生物加权根据颗粒型和能源使用合理的RBE值[国际放射防护委员会，1990 ] [巴甫洛夫等人先前证明，2002 ]。在累积剂量下获得微生物群体的完全灭活，产生106个存活分数；对于大肠杆菌和D.radiodurans分别推测为1 kGy和15 kGy [Battista，1997]和枯草芽孢杆菌孢子的8.4 kGy [Baumstark-Khan and Facius，2001]。这三种生物分别通过改善细胞修复和恢复机制以及通过孢子形成的被动抗性作为非放射抗性或放射抗性的模型。他们是可能的火星微生物的合理代表。

3.结果

质子的表面通量，HZE和mu;ons是不变的地面模型，如预期的那样，级联的这种硬分量不会反向散射，因此，在高分子组成上的差异对表面通量没有影响。然而，DH模型表明56％的表面中子lt;450MeV是反向散射的。图1显示了最重要的粒子物种，质子，HZE，中子，gamma;，电子/正电子和mu;子的六个数量级（1 MeV至1 TeV）1 m深度的能谱，尽管应再次注意到这里使用的是MC方法生成并跟踪强子和电磁级联中的所有二次粒子。可以看出较低能量的中子谱强烈地依赖于regolith模型。这是由于高氢含量的水对中子的有效节制和捕获。热中子捕获后氢核的去激发产生2.2MeV伽马，并且在图1中的PI伽马线中清楚地看到了这种独特的信号。在1米深处，高能量HZE被强力吸收，较低的能量显示出由于强子级联中的核碎裂的再生造成了主要光谱的最小减少。这些能谱不是特定于微生物目标，因此也可用于计算宇宙学家在由古生物衍生屏蔽保护的栖息地内吸收的剂量。

图2显示了作为深度的函数的质子，HZE，中子，mu;on，gamma;和e / e 次级的通量。由于冰靶的屏蔽密度较低，通过PI模型可以看出，强化和电磁级联都可以被减弱。然而，中子通量在WH regolith内最快衰减，因为该屏蔽材料是氢和密。在所有三个regolith模型的伽马和电子深度构造中观察到Pfotzer最大值，在PI中比密度更高的DH目标发生1米的深度。在所有情景中，伽马流量下降，直到它满足muon轮廓，这些弱相互作用的次要素以可观的水平穿透到完整的20米深度。电子通量随着衰减和gamma;对产生而降低五倍。

图2 随深度的衰减（上）、（下）的强核心，mu;介子和电磁级联。模型表明：DH（固体）、PI（虚线），和WH（点划线）

图3。吸收剂量和（底部）生物剂量的下降，随着深度。显示所有三面模型：DH（固体）、PI（虚线），和WH（dotdash）；和能量沉积在WH模型分割成子和E / E （浅灰色）、质子（中灰色），和毛发（深灰色）。

图3（第一个）绘制了所有三个表面模型的年累积吸收剂量作为深度的函数，图3（第二个）绘制了生物加权剂量。所有三个模型的表面加权剂量几乎为0.85 Gy /年，其中DH 20％由背散射颗粒介导，35％由SEP贡献。单个耀斑可以在几个小时内提供平均每年流量的百分之几。从2005年1月20日的事件（Mewaldt et al.，2005）记录的质子谱被修正为火星轨道，并运行在模型中。计算的表面剂量率接近1？ 103 Gy / hr。虽然存在高通量，但是SEP在两个岩石表面中不是特别有能量的，并且穿透小于10cm，并且在PI模型中小于20cm。显示来自不同粒子的剂量贡献的细分条形图已经覆盖了WH模型的曲线。所有颗粒的能量沉积中，HZE，质子，mu;子和e / e 占主导地位。吸收剂量图显示了SEP通量的表面峰值，质子影响随深度逐渐减小，并且mu;on和e / e 沉积在辐射场中越来越占主导地位。在HCC颗粒的顶部平均

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