ما هي أجزاء المريخ الأكثر أمانا من الإشعاع الكوني؟
يمثل احتمال إرسال رواد فضاء في رحلة تستغرق 6 إلى 9 أشهر إلى المريخ العديد من التحديات، ناهيك عن المخاطر التي سيواجهونها أثناء إجراء العمليات العلمية على السطح.
وفي العقد المقبل، تخطط وكالة الفضاء الأمريكية ونظيرتها الصينية لإرسال أولى بعثات مأهولة إلى المريخ. وسيتكون هذا بإرسال كلتا الوكالتين لمركبات فضائية في 2033 و2035 و2037، وكل 26 شهرا بعد ذلك ليتزامن مع معارضة المريخ (أي عندما تكون الأرض والمريخ أقرب ما يكون في مدارهما).
ويكمن الهدف طويل المدى لهذه البرامج في إنشاء قاعدة على سطح المريخ تعمل كمحور يستوعب البعثات المستقبلية، على الرغم من أن الصينيين صرحوا أنهم يعتزمون أن تكون قاعدتهم دائمة.
وفي دراسة حديثة، أجرى فريق دولي من العلماء مسحا لبيئة المريخ، من قمم جبل أوليمبوس إلى فترات الاستراحة تحت الأرض، للعثور على أدنى مستوى للإشعاع. النتائج التي توصلوا إليها يمكن أن تفيد البعثات المستقبلية إلى المريخ وخلق موائل على المريخ.
وعندما يتعلق الأمر بالبعثات إلى المريخ ومواقع أخرى خارج مدار الأرض المنخفض (LEO)، فإن الإشعاع دائما ما يكون مصدر قلق مستمر. وبالمقارنة مع الأرض، فإن الغلاف الجوي للمريخ ضعيف (أقل من 1% من ضغط الهواء)، ولا يوجد غلاف مغناطيسي وقائي لحماية السطح من الإشعاع الشمسي والكوني.
ونتيجة لذلك، يفترض العلماء أن الجسيمات الضارة، وخاصة الأشعة الكونية المجرية (GCRs)، يمكن أن تنتشر وتتفاعل مباشرة مع الغلاف الجوي وحتى تصل إلى باطن سطح المريخ.
ومع ذلك، فإن مستوى التعرض للإشعاع يعتمد فقط على مدى سماكة الغلاف الجوي، والتي تتغير بسبب الارتفاع.
وفي المناطق المنخفضة مثل نظام الوادي الشهير في المريخ (Valles Marineris) وأكبر فوهة به (Hellas Planitia)، يقدر الضغط الجوي بأكثر من 1.2 و1.24 كيلو باسكال، على التوالي. وهذا نحو ضعف متوسط 0.636 كيلو باسكال وما يصل إلى 10 أضعاف الضغط الجوي في المواقع المرتفعة مثل أوليمبوس مونس (أكبر جبل في النظام الشمسي).
وشرحت الدكتورة جينغنان جو، الأستاذة في جامعة كريستيان ألبريشت وعضوة الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS)، وأستاذة البروفيسور جيان تشانغ، والمشاركة في الدراسة لموقع Universe Today عبر البريد الإلكتروني: "الارتفاعات المختلفة تعني سماكة الغلاف الجوي المختلفة. تحتوي الأماكن المرتفعة بشكل عام على غلاف جوي أرق في الأعلى. ويحتاج إشعاع الجسيمات عالي الطاقة إلى اجتياز الغلاف الجوي للوصول إلى سطح المريخ. وإذا تغير سمك الغلاف الجوي، فقد يتغير إشعاع السطح أيضا. وبالتالي يمكن أن يؤثر الارتفاع على إشعاع سطح المريخ".
وتحقيقا لهذه الغاية، نظر الفريق في تأثير أعماق الغلاف الجوي على مستويات إشعاع المريخ.
ووجد العلماء أن ضغوط السطح الأعلى يمكن أن تقلل بشكل فعال من كمية إشعاع الأيونات الثقيلة (GCRs) ولكن لا تزال هناك حاجة إلى حماية إضافية.
ولسوء الحظ، يمكن أن يؤدي وجود هذا التدريع إلى "زخات الأشعة الكونية"، حيث يؤدي تأثير إشعاع الأيونات الثقيلة ضد التدريع إلى إنشاء جزيئات ثانوية يمكنها إغراق داخل الموطن بمستويات مختلفة من الإشعاع النيوتروني (المعروف أيضا باسم تدفق النيوترونات).
ويمكن أن يسهم هذا بشكل كبير في الجرعة الفعالة من الإشعاع التي يمتصها رواد الفضاء.
وأشار الفريق إلى أن كلا من تدفق النيوترونات والجرعة الفعالة تبلغ ذروتها عند نحو 30 سم (1 قدم) تحت السطح. ولحسن الحظ، تقدم هذه النتائج حلولا في ما يتعلق باستخدام الثرى المريخي للحماية.
وأوضحت الدكتورة جو: "بالنسبة لعتبة معينة من الجرعة الفعالة للإشعاع الموزون بيولوجيا السنوية، على سبيل المثال، 100 ملي سيفرت (وهي كمية غالبا ما تُعد الحد الأدنى لخطر الإصابة بالسرطان الناجم عن الإشعاع)، ويتراوح عمق الثرى المطلوب بين نحو 1 متر و1.6 متر. وضمن هذا النطاق، في حفرة عميقة حيث يكون الضغط السطحي أعلى، يكون التدريع الإضافي اللازم للثرى أصغر قليلا. بينما على قمة جبل أوليمبوس، تكون حماية الثرى الإضافية المطلوبة أعلى".
وبناء على النتائج التي توصلوا إليها، فإن أفضل المواقع للموائل المستقبلية على المريخ ستكون موجودة في المناطق المنخفضة وعلى أعماق 1 متر و1.6 متر (3.28 إلى 5.25 قدم) تحت السطح. لذلك، فإن الأراضي المنخفضة الشمالية، التي تشكل معظم نصف الكرة الشمالي (المعروف أيضا باسم Vastitas Borealis)، ووادي Valles Marineris ستكون مواقع مناسبة جدا. بالإضافة إلى وجود ضغط جوي أكثر سمكا، تحتوي هذه المناطق أيضا على جليد مائي وفير تحت السطح مباشرة.
وإذا سارت الأمور وفقا للخطة، فسيكون رواد الفضاء على سطح المريخ خلال ما يزيد قليلا عن عقد من الزمان. وسيتألف هذا من عمليات عبور تستمر من ستة إلى تسعة أشهر (باستثناء تطوير تقنية دفع أكثر تقدما) وعمليات سطحية تصل إلى 18 شهرا.
وباختصار، سيتعين على رواد الفضاء مواجهة خطر الإشعاع المرتفع لمدة تصل إلى ثلاث سنوات. وعلى هذا النحو، يجب تطوير استراتيجيات التخفيف التفصيلية في وقت مبكر.
وقالت الدكتورة جو: "قد تساعد دراستنا في التخفيف من مخاطر الإشعاع عند تصميم موائل كوكب المريخ في المستقبل باستخدام مواد سطحية طبيعية كحماية واقية. لذلك فإن مثل هذا البحث سيكون ذا قيمة كبيرة عندما يبدأ مخططو المهمة في التفكير في تصميمات لموائل المريخ المستقبلية التي تعتمد على المواد السطحية الطبيعية لتوفير الحماية من الإشعاع".
وفي العقد المقبل، تخطط وكالة الفضاء الأمريكية ونظيرتها الصينية لإرسال أولى بعثات مأهولة إلى المريخ. وسيتكون هذا بإرسال كلتا الوكالتين لمركبات فضائية في 2033 و2035 و2037، وكل 26 شهرا بعد ذلك ليتزامن مع معارضة المريخ (أي عندما تكون الأرض والمريخ أقرب ما يكون في مدارهما).
ويكمن الهدف طويل المدى لهذه البرامج في إنشاء قاعدة على سطح المريخ تعمل كمحور يستوعب البعثات المستقبلية، على الرغم من أن الصينيين صرحوا أنهم يعتزمون أن تكون قاعدتهم دائمة.
وفي دراسة حديثة، أجرى فريق دولي من العلماء مسحا لبيئة المريخ، من قمم جبل أوليمبوس إلى فترات الاستراحة تحت الأرض، للعثور على أدنى مستوى للإشعاع. النتائج التي توصلوا إليها يمكن أن تفيد البعثات المستقبلية إلى المريخ وخلق موائل على المريخ.
وعندما يتعلق الأمر بالبعثات إلى المريخ ومواقع أخرى خارج مدار الأرض المنخفض (LEO)، فإن الإشعاع دائما ما يكون مصدر قلق مستمر. وبالمقارنة مع الأرض، فإن الغلاف الجوي للمريخ ضعيف (أقل من 1% من ضغط الهواء)، ولا يوجد غلاف مغناطيسي وقائي لحماية السطح من الإشعاع الشمسي والكوني.
ونتيجة لذلك، يفترض العلماء أن الجسيمات الضارة، وخاصة الأشعة الكونية المجرية (GCRs)، يمكن أن تنتشر وتتفاعل مباشرة مع الغلاف الجوي وحتى تصل إلى باطن سطح المريخ.
ومع ذلك، فإن مستوى التعرض للإشعاع يعتمد فقط على مدى سماكة الغلاف الجوي، والتي تتغير بسبب الارتفاع.
وفي المناطق المنخفضة مثل نظام الوادي الشهير في المريخ (Valles Marineris) وأكبر فوهة به (Hellas Planitia)، يقدر الضغط الجوي بأكثر من 1.2 و1.24 كيلو باسكال، على التوالي. وهذا نحو ضعف متوسط 0.636 كيلو باسكال وما يصل إلى 10 أضعاف الضغط الجوي في المواقع المرتفعة مثل أوليمبوس مونس (أكبر جبل في النظام الشمسي).
وشرحت الدكتورة جينغنان جو، الأستاذة في جامعة كريستيان ألبريشت وعضوة الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS)، وأستاذة البروفيسور جيان تشانغ، والمشاركة في الدراسة لموقع Universe Today عبر البريد الإلكتروني: "الارتفاعات المختلفة تعني سماكة الغلاف الجوي المختلفة. تحتوي الأماكن المرتفعة بشكل عام على غلاف جوي أرق في الأعلى. ويحتاج إشعاع الجسيمات عالي الطاقة إلى اجتياز الغلاف الجوي للوصول إلى سطح المريخ. وإذا تغير سمك الغلاف الجوي، فقد يتغير إشعاع السطح أيضا. وبالتالي يمكن أن يؤثر الارتفاع على إشعاع سطح المريخ".
وتحقيقا لهذه الغاية، نظر الفريق في تأثير أعماق الغلاف الجوي على مستويات إشعاع المريخ.
ووجد العلماء أن ضغوط السطح الأعلى يمكن أن تقلل بشكل فعال من كمية إشعاع الأيونات الثقيلة (GCRs) ولكن لا تزال هناك حاجة إلى حماية إضافية.
ولسوء الحظ، يمكن أن يؤدي وجود هذا التدريع إلى "زخات الأشعة الكونية"، حيث يؤدي تأثير إشعاع الأيونات الثقيلة ضد التدريع إلى إنشاء جزيئات ثانوية يمكنها إغراق داخل الموطن بمستويات مختلفة من الإشعاع النيوتروني (المعروف أيضا باسم تدفق النيوترونات).
ويمكن أن يسهم هذا بشكل كبير في الجرعة الفعالة من الإشعاع التي يمتصها رواد الفضاء.
وأشار الفريق إلى أن كلا من تدفق النيوترونات والجرعة الفعالة تبلغ ذروتها عند نحو 30 سم (1 قدم) تحت السطح. ولحسن الحظ، تقدم هذه النتائج حلولا في ما يتعلق باستخدام الثرى المريخي للحماية.
وأوضحت الدكتورة جو: "بالنسبة لعتبة معينة من الجرعة الفعالة للإشعاع الموزون بيولوجيا السنوية، على سبيل المثال، 100 ملي سيفرت (وهي كمية غالبا ما تُعد الحد الأدنى لخطر الإصابة بالسرطان الناجم عن الإشعاع)، ويتراوح عمق الثرى المطلوب بين نحو 1 متر و1.6 متر. وضمن هذا النطاق، في حفرة عميقة حيث يكون الضغط السطحي أعلى، يكون التدريع الإضافي اللازم للثرى أصغر قليلا. بينما على قمة جبل أوليمبوس، تكون حماية الثرى الإضافية المطلوبة أعلى".
وبناء على النتائج التي توصلوا إليها، فإن أفضل المواقع للموائل المستقبلية على المريخ ستكون موجودة في المناطق المنخفضة وعلى أعماق 1 متر و1.6 متر (3.28 إلى 5.25 قدم) تحت السطح. لذلك، فإن الأراضي المنخفضة الشمالية، التي تشكل معظم نصف الكرة الشمالي (المعروف أيضا باسم Vastitas Borealis)، ووادي Valles Marineris ستكون مواقع مناسبة جدا. بالإضافة إلى وجود ضغط جوي أكثر سمكا، تحتوي هذه المناطق أيضا على جليد مائي وفير تحت السطح مباشرة.
وإذا سارت الأمور وفقا للخطة، فسيكون رواد الفضاء على سطح المريخ خلال ما يزيد قليلا عن عقد من الزمان. وسيتألف هذا من عمليات عبور تستمر من ستة إلى تسعة أشهر (باستثناء تطوير تقنية دفع أكثر تقدما) وعمليات سطحية تصل إلى 18 شهرا.
وباختصار، سيتعين على رواد الفضاء مواجهة خطر الإشعاع المرتفع لمدة تصل إلى ثلاث سنوات. وعلى هذا النحو، يجب تطوير استراتيجيات التخفيف التفصيلية في وقت مبكر.
وقالت الدكتورة جو: "قد تساعد دراستنا في التخفيف من مخاطر الإشعاع عند تصميم موائل كوكب المريخ في المستقبل باستخدام مواد سطحية طبيعية كحماية واقية. لذلك فإن مثل هذا البحث سيكون ذا قيمة كبيرة عندما يبدأ مخططو المهمة في التفكير في تصميمات لموائل المريخ المستقبلية التي تعتمد على المواد السطحية الطبيعية لتوفير الحماية من الإشعاع".