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.