научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ МАРСА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ МАРСА»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 338-339

УДК 524.1

ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ

ПОВЕРХНОСТИ МАРСА © 2015 г. Г. И. Васильев1, А. К. Павлов1, 2, В. М. Остряков2

E-mail: Gennady.vasilyev@mail.iojfe.ru

Представлены результаты моделирования скорости образования изотопов 3He, 21Ne и 36Ar в поверхностном слое грунта Марса космическими лучами (КЛ) и сравнение этих результатов с данными, полученными Mars Science Laboratory для образцов поверхностного слоя. Показано, что при постоянстве спектра и среднего потока КЛ экспозиционная доза, необходимая для объяснения экспериментальных данных, накапливается всего за 160—220 млн лет. Выдвинута гипотеза о наличии слоя воды не менее 8—10 м и/или плотной атмосферы в предшествующий облучению измеренных образцов период эволюции.

DOI: 10.7868/S0367676515030436

ВВЕДЕНИЕ

Продолжительное воздействие галактических и солнечных космических лучей (КЛ) на вещество поверхности Марса при малой толще его атмосферы приводит к заметному изменению изотопного состава некоторых химических элементов. Если раньше об изотопном составе поверхностного слоя можно было судить только по марсианским метеоритам, то теперь в рамках проекта Curiosity анализ образцов из кратера Гэйла [1] был выполнен непосредственно. Предположение показывает, что время экспозиции образцов составляет 160—220 млн лет. С другой стороны калий-аргоновый метод датирования дает возраст этих образцов 4.21 ± 0.35 млрд лет. Рассматриваемые в данной работе изотопы образуются в различных ядерных реакциях, а именно: 3He образуется в результате внутриядерных каскадов и испарения возбужденного остаточного ядра. Аналогичным образом генерируется 3Н, который при последующем распаде также образует 3He (рассматриваемые нами промежутки времени позволяют считать 3Н полностью распавшимся). 21Ne — это остаточный продукт ядерных реакций высокоэнергичных частиц с более тяжелыми нуклидами; 36Ar в основном является результатом поглощения тепловых нейтронов ядром 35Cl с образованием радиоактивного изотопа 36Cl и последующим его распадом в 36Ar. Толща современной атмосферы Марса соответствует ионизационному пробегу протонов с энергией примерно 100 МэВ, поэтому можно считать, что большая часть солнечных КЛ не оказывает существенного

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург.

2 Санкт-Петербургский Государственный политехнический

университет, Санкт-Петербург.

влияния на изменение химического и изотопного состава по сравнению с галактическими КЛ. В наших расчетах использовались спектры и потоки протонов и альфа-частиц для периода ноябрь-декабрь 2006 г., полученные с помощью магнитного спектрометра в спутниковом эксперименте ПАМЕЛА [2, 3]. При моделировании развития ядерного каскада и образования изотопов в атмосфере и грунте Марса применялся пакет ОБАМТ4 [4], который учитывает ядерные и электромагнитные взаимодействия первичных и вторичных КЛ. При этом атмосфера планеты представлялась в виде 100 концентрических сферических слоев с химическим составом и высотным профилем согласно работе [5], а химический состав грунта взят из работы [1]. Более подробно методика расчетов описана в работах [6, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 представлена зависимость от глубины грунта скоростей образования различных кос-могенных изотопов в сравнении с расчетами работы [1]. Различия в 1.9-3 раза могут обусловливаться несколькими причинами. В работе [1] в вычислениях не применяется непосредственное моделирования ядерных каскадов в атмосфере, а используются данные о потоках нейтронов, которые оценивались по дефициту или избытку некоторых изотопов в метеоритах. В дальнейшем выход изотопов различных элементов определяли, исходя из сечения их образования на нейтронах. При этом не учитывались реакции с другими частицами ядерного каскада и зависимость самих потоков нейтронов от конкретного химического состава среды. Другой возможной причиной может быть отличие используемого нами экспериментально измеренного спектра ГКЛ от приня-

300 - / \

250 -

200

150

100

50

ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ИЗОТОПНЫИ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ МАРСА

339

250 200 150 100 50

0

200

400

600

800

D, г • см-2 36,

Рис. 1. Скорость образования (Р) изотопов Аг (1), 3Не (2), и 21№ (3) в зависимости от глубины (В) грунта Марса. Соответственно а, б, в — данные работы [1].

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

0.1 0

R

0 100 200 300 400 500 600 700 800

В, г • см-2

Рис. 2. Отношение (Я) скоростей образования изотопов в зависимости от глубины (В) грунта Марса. Сплошная линия — 3Не/Аг, штриховая линия — 21№/36Аг, ■ — 3Не/36Аг [1], □ — 21Ке/36Аг [1].

той в работе [1] оценки его среднего значения на длительной временной шкале. Из рис. 1 следует, что для объяснения наблюдаемого содержания рассматриваемых изотопов в образцах время облучения должно составлять 160-220 млн лет.

На рис. 2 показана зависимость от глубины в грунте отношения скоростей образования изотопов и приведены экспериментальные данные Curiosity. Видно, что измеренные в эксперименте изотопные отношения могут соответствовать только слою в несколько верхних сантиметров. Это означает, что возможный процесс эрозии поверхности образца практически не влиял на содержание исследованных изотопов. С другой стороны малое время облучения поверхности образца по сравнению со временем его существования требует практически полного экранирования образца от воздействия ГКЛ на основной временной шкале эволюции планеты (~4 млрд лет).

Аналогичные вычисления были проведены нами для различной массы атмосферы Марса или (и) с водным покрытием его поверхности. К примеру, толща атмосферы, превышающая современную в 50 раз, ослабляет скорость образования изотопов в 25 раз, а слой воды (льда) толщиной ~10 м уменьшает скорость образования в 115 раз. Такое ослабление на длительной шкале времени достаточно для объяснения наблюдаемого содержания изотопов в образце. Альтернативным вариантом является недавний (~200 млн лет назад) выброс образцов на поверхность метеоритным ударом с глубины в несколько метров или резкое изменение их положения относительно вертикали. Однако следы та-

ких процессов в непосредственной близости от образцов пока не обнаружены.

ВЫВОДЫ

1. Наблюдаемые в экспериментах миссии Curiosity концентрации изотопов 3He, 21Ne и 36Ar могут быть получены за счет облучения ГКЛ поверхностного слоя марсианского грунта не глубже нескольких сантиметров.

2. Время накопления составляет ~200 млн лет, что в 20 раз меньше времени образования породы согласно K/Ar-методу.

3. Полученное противоречие может быть объяснено в рамках гипотезы существования водяного слоя ~10 м и (или) наличия плотной атмосферы в течение большей части времени существования Марса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Farley А. et al. // Science. 2014. V. 343. № 6169.

P. 1247166.

2. Adriani O. et al. // Science. 2011. V. 332. № 6025. P. 69.

3. Adriani O. et al. // Astrophys. J. 2013. V. 765. P. 2.

4. http://geant4.cern.ch

5. Lodders K., Fegley B. The planetary scientist's companion. New York: Oxford Univ. Press, 1998.

6. Pavlov A.A. et al. // J. Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39.

№ 13. L13202.

7. Pavlov A.A. et al. // J. Geophys. Res. E Planets. 2014.

V. 119. № 6. P. 1390.

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3

2015

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.

Показать целиком