ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 90-98
УДК 523.1655:537.591
КОСМОГЕННЫЕ ИЗОТОПЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОЙ ПАЛЕОАСТРОФИЗИКЕ СОЛНЦА
© 2007 г. М. Г. Огурцов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, С.-Петербург e-mail: maxim.ogurtsov@mail.ioffe.ru Поступила в редакцию 16.11.2005 г. После доработки 03.04.2006 г.
Произведен статистический анализ современных данных о концентрации 14C и 10Be в природных архивах. Установлено, что извлечение информации о колебаниях солнечной активности на длинных (несколько тысячелетий и более) и, особенно, кратких (до 30 лет) временных шкалах при помощи радиоуглеродных данных затруднительно. В то же время космогенный радиоуглерод является источником ценных сведений о вековых (от 30 лет до нескольких столетий) вариациях активности Солнца. Показано, что бериллиевые ряды несут достоверные сведения о кратковременных, вековых и, вероятно, тысячелетних изменениях солнечной активности. Более того, концентрация 10Be в полярном льду может оказаться пригодной и для изучения внутренней динамики активности Солнца. Сделан вывод о большей перспективности бериллиевых данных по сравнению с радиоуглеродными с точки зрения палеоастрофизики Солнца.
PACS: 96.60.Fs
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно, Солнце является основным генератором целого ряда процессов на Земле и в околоземном пространстве. Поэтому комплексные исследования природы солнечной активности представляют не только значительный теоретический интерес, но и важны для задач чисто прикладного характера - предсказания космической погоды, оценки солнечного вклада в колебания глобального климата, выяснения биологических последствий флуктуаций солнечной активности. Однако имеющиеся в нашем распоряжении экспериментальные измерения охватывают лишь три-четыре века для чисел солнечных пятен, а для большинства других параметров активности Солнца не более нескольких последних десятилетий. Между тем для многих практических целей (долговременного прогнозирования солнечной активности в будущем, для изучения влияния Солнца на климат) необходимо знать поведение нашего светила на временных шкалах в сотни и тысячи лет. Для получения подобных сведений приходится использовать косвенные источники информации, одним из наиболее надежных среди которых является концентрация космогенных изотопов в земных архивах. Космогенные радиоизотопы образуются в атмосфере Земли (в основном, в стратосфере) в результате взаимодействия адронных каскадов (нуклонов, пионов), порожденных галактическими космическими лучами (ГКЛ), с ядрами атомов воздуха. Поскольку поток ГКЛ эффективно модулируется активностью Солнца и геомагнитным полем, скорость генера-
ции космогенных изотопов зависит от указанных факторов существенным образом. После образования космогенные изотопы быстро окисляются, включаются в соответствующие циклы геофизических и геохимических процессов (они описаны в работе [КосЬагоу, 1991]) и в конце откладываются в полярных льдах (10Ве) и кольцах деревьев (14С).
В итоге содержание космогенных радиоуглерода и бериллия в естественных архивах оказывается зависящим от следующих факторов: а - потока и формы спектра ГКЛ в галактической окрестности солнечной системы; б - солнечной активности; в - дипольного геомагнитного поля Земли; „ - глобального и регионального климата; д - количества привносимого на Землю вещества.
Очевидно, что, несмотря на потенциальный вклад многих факторов в концентрацию космогенных изотопов, она должна представлять собой важнейший источник информации о прошлом потока галактических космических лучей и солнечной активности. Исследование палеоастрофизиче-ской ценности данных по концентрации космогенных изотопов в естественных архивах и является целью данной работы.
2. КОЛЕБАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ 14С В ДРЕВЕСНЫХ КОЛЬЦАХ И СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ В ПРОШЛОМ
В СССР радиоуглеродные исследования солнечной активности в прошлом были начаты еще
в 1965-1967 гг. в рамках программы "Астрофизические явления и радиоуглерод", сформулированной Б.П. Константиновым и Г.Е. Кочаровым [1965]. К настоящему времени накоплено достаточное количество экспериментальных результатов для подведения некоторых итогов.
2.1. Кратковременные колебания концентрации радиоуглерода и солнечная активность. Одним из наиболее интересных периодов для изучения кратковременных (длительностью менее 30 лет) флуктуаций концентрации тропосферного радиоуглерода является эпоха Маундеровского минимума (ММ) солнечной активности (1645-1715 гг.). Этот промежуток времени особенно любопытен тем, что в течение него пятна на Солнце почти полностью отсутствовали. На рис. 1 приведены результаты измерений A14C (концентрации радиоуглерода относительно стандарта NBS) в древесных кольцах в эпоху ММ, произведенных с использованием образцов колец, собранных: в Литве [Кочаров и др., 1974]; в Башкирии [Кочаров и др., 1985]; в Карпатах и Карелии [Жоржолиани и др., 1988]; на северо-востоке США [Stuiver and Braziu-nas, 1988]; в Башкирии [Damon et al., 1999]; в Японии [Masuda et al., 2003]. Из рис. 1 очевидно, что какая-либо корреляция между указанными сериями, измеренными в разных лабораториях, практически отсутствует; они сильно различаются как спектральным составом, так и амплитудами кратковременных вариаций. В работах [Васильев и др., 1997; Кочаров и др., 2003] было высказано предположение о возможном влиянии регионального климата на концентрацию 14C в древесных кольцах. В этом случае различия между разными рядами данных (рис. 1) можно отнести на счет климатических особенностей регионов, из которых брались образцы. Однако даже если вклад локального климата в содержание 14C в кольцах деревьев, действительно значим, учет региональных климатических условий не может полностью объяснить разницу между экспериментальными сериями, измеренными в разных лабораториях. Дело в том, что значительные расхождения наблюдаются и в сериях, полученных с использованием материалов, взятых в географически близких областях, или даже с использованием одинаковых образцов. На рис. 2а приведены результаты измерений концентрации 14C в кольцах деревьев, произраставших в дельте реки Макензи, проведенных в работах [Fan et al., 1986; Damon et al., 1996]. В первом случае были использованы образцы из района с координатами ф = 68° N, X = = 130° W, а во втором - из района с координатами ф = 67° N, X = 130° W. Как видно из рисунка, несмотря на то, что образцы брались из близко расположенных зон, различия во временном ходе концентрации радиоуглерода очевидны. На рис. 26, в, показаны результаты измерений одних и тех же образцов, произведенных в различных лаборато-
A14C ,промилле а
30 15 0
45 30 15 0
45 30 15 0
45 30 15 0
45 30 15 0
45 30 15 0
1680 1695 1710
1725 Годы
Рис. 1. Концентрация радиоуглерода в кольцах деревьев, измеренная: а - в Физико-техническом институте (образцы колец из Литвы [Кочаров и др., 1974]). б - в Физико-техническом институте (образцы колец из Башкирии [Кочаров и др., 1985]). в - в Тбилисском государственном университете (образцы колец из Карпат [Жоржолиани и др., 1988]). г - в Университете штата Вашингтон (образцы колец с северо-запада США [Stuiver and Braziunas, 1993]). д - в Университете штата Аризона (образцы колец из Башкирии [Damon et al., 1999]). е - в Университете г. Нагоя (образцы колец из Японии [Masuda et al., 2003]).
риях. Рис. 26 показывает концентрацию 14C в кольцах деревьев из Англии, измеренную в работах [Baxter and Farmer, 1973; Stuiver and Quay, 1981]. Рис. 2e показывает концентрацию 14C в кольцах деревьев из Башкирии, измеренную в работах [Кочаров и др., 1985; Damon et al., 1992]. Как видно из рис. 26, в, различия в полученных результатах весьма значительны. Причина подобных расхождений представляется невыясненной. Таким образом, возможность использования радиоуглеродных данных для детектирования кратковременных вариаций активности Солнца вызывает большие сомнения. Скорее всего, вы-
д
е
a14c, промилле
10 5 0 -5 -10
20 10 0 -10 -20 -30
30 20 10
a 14c, промилле
1869 1872 1875 1878 1881 1884 1887
Годы
м у * " \* . A / \ : i 1
J_i_I_i_I_i_I_i_I_i_I_i_L
1830 1840
1
1850
1860 Годы
1690
1700
1710 Годы
Рис. 2. Концентрация радиоуглерода: a - в кольцах деревьев, произраставших в дельте р. Макензи. Сплошная линия с квадратиками - [Damon et al., 1996], тонкие прямоугольники (использовались блоки колец по 2-3 года) - [Fan et al., 1996]. • - в кольцах деревьев, произраставших в Англии. Штриховая линия с квадратиками - [Baxter and Farmer, 1973], звездочки -[Stuiver and Quay, 1981]. в - в кольцах деревьев, произраставших в Башкирии: 1 - [Кочаров и др., 1985], 2 -[Damon et al., 1999]. Данные сканированы из соотвест-вующих работ и оцифрованы.
сокочастотная составляющая (колебания с периодами до 30 лет) имеющихся на сегодня радиоуглеродных серий не несет значительной астрофизической информации.
2.2. Вековые колебания концентрации радиоуглерода и солнечная активность. Что касается вековых (периоды от 30 лет до нескольких столетий) вариаций концентрации радиоуглерода в древесных кольцах, то тут согласие между данными различных экспериментальных серий значительно лучше. На рис. 3а приведены усредненные по 13 годам погодичные радиоуглеродные ряды, полученные в Физико-техническом институте [Кочаров и др., 1985] (образцы взяты из Башкирии), Тбилисском государственном университете [Жор-жолиани и др., 1988] (образцы из Карелии и Карпат) и Университете штата Вашингтон ^шуег
20
20 20
-20 L
- 0&3 a
1
1 1 1 1 2 I 1
1700 1800 1900
б
- 1/ ' Мм Ч~ Л ДмМ Ki Гм Л 2 _
- 1 1 1 1 1 1 \ 1
100
1600
1700
1800
A14C, промилле 20 г
10 0 10 20 30
Шм
1900
Мм
50
0
ей &
Л
л о
PQ
ей
л
о
и
2000 Годы
Вм ^
1000 1200 1400 1600
Рис. 3. a - концентрация 14C в кольцах деревьев, произраставших: в Карелии и Карпатах - 1 (погодичные данные из работы [Жоржолиани и др., 1988]); на северо-западе США - 2 (погодичные данные из работы [Stuiver and Braziunas, 1993]); в Башкирии - 3 (временной шаг 2 г., данные из работы [Кочаров и др., 1985]). Все кривые сглажены по 13 годам. б - концентрация 14C в кольца
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.