ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 650-653
УДК 523.165
КОСМОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ХОНДРИТАХ CHELYABINSK И KOSICE И ОСОБЕННОСТИ 23 И 24 СОЛНЕЧНЫХ ЦИКЛОВ
© 2015 г. В. А. Алексеев1, М. Лаубенштейн2, П. П. Повинец3, Г. К. Устинова1
E-mail: aval37@chgnet.ru
На примере измерения и анализа содержаний космогенных радионуклидов в свежевыпавших хон-дритах Chelyabinsk и Kosice рассматривается вкратце косвенный метод изучения вариаций галактических космических лучей (ГКЛ) по вариациям скоростей образования радионуклидов с разными периодами полураспада в постоянно выпадающих на Землю метеоритах с орбитами разных размеров и наклонений. Показаны преимущества мониторинга этих данных на длительной временной шкале для выявления основных закономерностей процессов солнечной модуляции в гелиосфере. Обсуждается возможное влияние стохастических факторов в работе солнечного динамо на особенности модуляции ГКЛ в 23 и 24 солнечных циклах.
DOI: 10.7868/S0367676515050051
Наблюдаемые в метеоритах космогенные радионуклиды с разными периодами полураспада T1/2 (26Al, 60Co, 22Na, 54Mn, 46Sc, 48V, и др.) являются естественными детекторами космических лучей вдоль метеоритных орбит в течение ~1.5 T1/2 этих радионуклидов перед падением метеоритов на Землю [1, 2]. Исследование радионуклидов с разными T1/2 в хондритах с разными датами падений, с разной протяженностью и наклонением орбит предоставляет нам длинный ряд однородных данных по интенсивности и вариациям ГКЛ в трехмерной гелиосфере [3].
Использование длинных рядов однородных данных по интенсивности ГКЛ (E >100 МэВ) в стратосфере [4] позволяет оценить интегральные градиенты ГКЛ вдоль метеоритных орбит (на 2—4 а. е. от Солнца). Рассмотрим вкратце этот метод на примере свежевыпавших хондритов Kosice (28.02.2010) и Chelyabinsk (15.02.2013). Их орбиты известны [5, 6] и могут быть представлены в виде r(t) (рис. 1). До ~70% измеряемого на момент падения хон-дритов содержания радионуклидов накапливалось на последнем участке орбит в течение ~1.5T1/2 радионуклидов. Очевидно, что 26Al (Ti/2 = = 0.7 • 106 лет) накапливался на средних гелиоцентрических расстояниях хондритов при их облучении средней за ~1 млн лет интенсивностью ГКЛ, тогда как 46Sc (T1/2 = 84 сут) накапливался у Земли практически при облучении теми же ГКЛ, что измеряются в стратосфере. Измеренные на момент
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва.
2 National Laboratory of Gran Sasso, INFN, Assergi, 67010 Italy.
3 Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius
University, 84248 Bratislava, Slovakia.
падения хондритов содержания 22Na (T1/2 = 2.6 лет) накапливались в течение последних ~4 лет перед падением: в период IV 2006—II 2010 при облучении хондрита Kosice на среднем r = 4.41 а. е., и в период VI 2009—II 2013 при облучении хондрита Chelyabinsk на r = 1.63 а. е. Аналогично измеренные содержания 54Mn (T1/2 = 312 сут) накапливались в течение последних ~460 сут перед падением: в период XII 2008—II 2010 при облучении хондрита Kosice на r = 2.67 а. е., и в период XII
r, a. e. 5
0 500 ! 1000 "Д500 t, сут
54Mn 22Na 60co
Рис. 1. Орбиты хондритов Kosice (q' = 4.5 а. е.) и Chelyabinsk (q' = 2.78 а. е.); rk = 3.63 а. е. и rc = 2.25 а. е. — их средние гелиоцентрические расстояния; на оси х отмечены моменты, соответствующие 0.75 7\/2 радионуклидов, а на оси y — соответствующие им средние гелиоцентрические расстояния их образования в течение ~1.5 7\/2 перед падением хондритов на Землю.
КОСМОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ХОНДРИТАХ
651
Таблица 1. Измеренные содержания радионуклидов (в распад ■ мин-1 ■ кг-1) в разных экземплярах хондрита Chelyabinsk и их средние значения в 19 образцах хондрита Kosice (средние значения с учетом веса каждой точки обозначены, как "взвешенные"). Неопределенности порядка 1ст
Образец 26Al 60Co 22Na 54Mn
6—21 29 ± 3 28 ± 2 55 ± 4 68 ± 6
10—64 35 ± 7 37 ± 9 31 ± 11 75 ± 11
10—85 20.3 ± 3.2 27 ± 5 49 ± 4 59 ± 5
10—116 6 ± 2 34 ± 3 11 ± 2 15 ± 2
4—63 3 ± 1 14 ± 2 5 ± 1 6 ± 1
Kosice, средние 60 ± 2 76 ± 12 95 ± 3 162 ± 8
Kosice, взвешенные 51 ± 2 45 ± 6 93 ± 2 164 ± 7
2011—II 2013 при облучении хондрита Chelyabinsk на r = 2.35 а. е. Из-за атмосферной абляции метеоритов измеряемые в них содержания космо-генных радионуклидов образовывались в основном первичными ГКЛ с энергией E > 100 МэВ. Именно интегральные потоки первичной компоненты ГКЛ с энергией E > 100 МэВ измеряются в стратосферных баллонных экспериментах, причем однородные ряды этих данных существуют с 1957 г. [4]. Рассчитывая содержания 22Na и 54Mn в идентичных хондритах при их облучении в соответствующие периоды перед падением средними потоками ГКЛ на ~1 AU (по стратосферным данным) и сравнивая с их измеренными содержаниями можно оценить градиенты скоростей образования радионуклидов в %/а. е., которые имеют смысл градиентов ГКЛ с E > 100 МэВ из-за прямой пропорциональности этих величин.
Скорости образования космогенных радионуклидов в метеоритах (т.е. их содержания в условиях насыщения) подчиняются строгим правилам и зависят от многих факторов, включая интенсивность и энергетический спектр первичного космического излучения и вторичных ядерно-активных частиц, сечения образования радионуклидов, длительность облучения метеоритов, их химический состав и доатмосферные размеры. Для изучения глубинных распределений космо-генных радионуклидов в изотропно облучаемых метеоритах нами разработан аналитический подход [1, 2], основанный на каскадно-испаритель-ной модели взаимодействия ГКЛ с веществом, в котором межядерный каскад до третьего уровня генерации рассчитывается аналитически, но для построения функций возбуждения радионуклидов используются экспериментальные или рассчитанные по систематикам ядерных реакций сечения [7], которые затем взвешиваются по спектрам частиц. Точность метода была проверена в прямом эксперименте по изотропному облучению толстой сферической мишени (модели метеорита) протонами с энергией 660 МэВ на синхроциклотроне ОИЯИ [8].
Для измерения содержаний радионуклидов без разрушения образцов использовались подземные (более чем с десятикратным снижением фона) низкофоновые спектрометры с широко -объемными германиевыми детекторами (HPGe), обладающими высокими энергетическим разрешением и эффективностью регистрации [9—11]. Измеренные содержания в пяти образцах Chelyabinsk и средние значения для 19 образцов Kosice приведены в табл. 1. Для анализа этих данных необходимо оценить доатмосферный размер хон-дритов и глубину залегания исследуемых образцов. Наиболее чувствительным нуклидом к размерам хондритов является 60Co (или отношение 60Co/26Al), а для наилучшей оценки глубины залегания образцов измеряется плотность треков VH-ядер [12]. Результаты моделирования показывают, что исследованные образцы хондрита Kosice находились на глубине d ~ 9—16 см от его поверхности при доатмосферном радиусе этого хондрита R ~ 50 см, что согласуется и с оценками по методу Монте-Карло [11]. В случае же большого хондрита Chelyabinsk (R ~ 200 — да см) облучение двух групп его образцов на глубинах d ~ 20 см и d >70 см происходило фактически в 2я-геометрии.
Зная размер хондритов и глубину залегания исследуемых образцов, можно рассчитать в них содержания 22Na и 54Mn при интенсивности ГКЛ в стратосфере в периоды ~1.5Т1/2 этих нуклидов перед падением хондритов на Землю. Сравнение рассчитанных значений с измеренными содержаниями показывает, во сколько раз скорости образования радионуклидов Hf на разных гелиоцентрических расстояниях r в гелиосфере выше, чем Нф на 1 а. е., что позволяет определить "градиент"
скоростей образования GH = Н'!Нф—1 х 100% на
r -1
1а. е., который имеет смысл интегрального градиента ГКЛ Gf(> E) = If(> 1ф(> E) - 1 х 100% на
r -1
1а. е., поскольку все остальные факторы, влияю-
652 АЛЕКСЕЕВ и др.
Таблица 2. Значения интегральных градиентов ГКЛ (E >100 МэВ), которые следуют из скоростей образования 22Na и 54Mn в хондритах Kosice и Chelyabinsk
Период времени Гелиоцентрическое расстояние r в а. е. Интегральные градиенты в % на 1 а. е.
Март 2008 г. ~4.41 -2.1 ± 3.8
Июль-август 2009 г. ~ 2.67 42 ± 18
Март 2011 ~1.63 40 ± 28
Июль 2012 ~2.35 205 ±118
щие на скорость их образования, были учтены при расчете в идентичных хондритах.
Полученные по данным о содержании 22Na и 54Mn в хондритах Kosice и Chelyabinsk значения градиентов представлены в табл. 2. Характерные для косвенных методов большие ошибки не позволяют сравнивать полученные значения с прямыми измерениями в межпланетном пространстве, тогда как относительная вариация полученных величин на длительной временной шкале предоставляет ценную информацию, недоступную прямым измерениям. Действительно, в рассматриваемом случае максимальные ошибки (минимум 20%) вносят экспериментальные данные по измерению и систематике сечений образования изотопов для построения их функций возбуждения. Но, поскольку эти данные для одних и тех же изотопов одинаковы в разных метеоритах, относительное различие скоростей образования изотопов в последовательно выпадающих метеоритах демонстрирует именно пространственно-временные вариации ГКЛ, которыми
Годы
Рис. 2. Вариации интегральных градиентов (О) ГКЛ с Е > 100 МэВ вдоль метеоритных орбит (на 2—4 а. е. от Солнца) по данным о радиоактивности 54Мп (кружки) , 22Ыа (треугольники) и 26А (штриховые горизонтали на 20—30%/а. е.) в 39 хондритах, выпавших в 1959—2013 гг. (кривая 1 — полиномиальная кривая сглаживания экспериментальных данных по пяти точкам с учетом веса каждой точки).
метеориты облучаются. К настоящему времени последовательность однородных данных по интенсивности и градиентам ГКЛ с E > 100 МэВ во внутренней гелиосфере охватывает уже пять солнечных циклов (см. рис. 2). Полиномиальная кривая 1 сглаживает в значительной степени временные и пространственные вариации, выявляя наиболее важные закономерности, а именно:
1) интегральные градиенты ГКЛ во внутренней гелиосфере сильно зависят от фазы солнечного цикла [1, 13]. Впервы
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.