УДК 550.382
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЙ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И СИНТЕТИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ: ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЙ ВНЕЗЕМНОГО ВЕЩЕСТВА В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
© 2015 г. Н. С. Безаева1, 2, 3, Ж. Гаттаччека1, 4, П. Рошетт1, Ж. Дюпра5, Ж. Рицца6, П. Вернацца7,
В. И. Трухин8, А. Я. Скрипник9
1Лаборатория СЕРЕЖНЦНИ/Университет Экс-Марсель, г. Экс-ан-Прованс, Франция E-mail: bezaeva@physics.msu.ru;gattacceca@cerege.fr; rochette@cerege.fr 2Уральский Федеральный Университет, г. Екатеринбург, Россия 3Казанский Федеральный Университет, г. Казань, Россия 4Факультет наук о Земле, Атмосфере и Планетах Массачусетского Технологического Института,
г. Кембридж, США
5Центр Ядерной Спектрометрии и Масс-спектрометрии, ИН2П3-НЦНИ, Университет Пари-Сюд,
г. Орсэ, Франция E-mail: Jean.Duprat@csnsm.in2p3.fr 6Лаборатория Облучения твердых тел, Политехническая Школа/СЕА (ДСМ-ДРЕСАМ)/НЦНИ,
г. Палезо, Франция E-mail: giancarlo.rizza@polytechnique.edu 7Лаборатория Астрофизики г. Марсель, г. Марсель, Франция E-mail: pierre.vernazza@oamp.fr 8Физический факультет МГУ им. Ломоносова, г. Москва E-mail: trukhin@physics.msu.ru 9Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, г. Москва
E-mail: skripnik@geokhi.ru Поступила в редакцию 20.11.2013 г.
В работе приведены результаты лабораторных экспериментов по облучению образцов, проведенных с целью оценки возможного воздействия солнечных космических лучей (или солнечных энергетических частиц — SEP) и галактических космических лучей (GCR) на магнитные свойства внеземного вещества. Проведены эксперименты по облучению протонами (с энергиями облучения Ei = 400 кэВ, E2= 850 кэВ и тремя дозами облучения в диапазоне 1014—1016 p/см2) и ионами свинца (E =1 ГэВ) на (ранее размагниченных переменным магнитным полем с амплитудой 120 мТл) образцах горных пород и синтетических образцах со следующими магнитными носителями: металлическое железо, никелистое железо, магнетит, титаномагнетит, пирротин. В зависимости от магнитной минералогии и типа облучения, процессы облучения приводят либо к дальнейшему размагничиванию, либо к намагничиванию облученных образцов. Помимо образования радиационной остаточной намагниченности (RIRM), наблюдаются значительные изменения в магнитных свойствах облученных образцов, например, от умеренного до резкого снижения (до 93%) остаточной коэрцитивной силы Bcr для всех железосодержащих образцов (образцы порошкового железа а — Fe в эпоксидной смоле и образцы обыкновенного хондрита Bensour). В отличие от железосодержащих образцов, некоторые магнетитсодержащие образцы испытали радиационно-индуцированное повышение магнитной жесткости (увеличение Bcr). Увеличение магнитной жесткости наблюдалось также при облучении FeNi-содержащих образцов метеоритов HED ионами аргона Ar2+, проведенном для сравнения с результатами предыдущих экспериментов. Таким образом, совокупный эффект воздействия SEP и GCR может привести к уменьшению магнитной жесткости железосодержащих материалов и увеличению магнитной жесткости магнетит-содержащих материалов внеземного вещества. Для ответа на вопрос о возможном вкладе RIRM в естественную остаточную намагниченность метеоритов и образцов Лунного грунта, требуется дальнейшее изучение физического механизма образования RIRM, а также потенциальной зависимости интенсивности RIRM от величины напряженности магнитного поля в зоне облучения.
Ключевые слова: космическая радиация, облучения, протоны, ионы свинца, ионы аргона, магнитные свойства горных пород, метеориты, внеземное вещество.
DOI: 10.7868/S0002333715020015
1. ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть внеземного вещества подвергалась облучению в космическом пространстве на разных этапах своей эволюции еще до попадания на Землю через выпадение метеоритов или возвращение проб вещества космическими экспедициями. В Солнечной системе существует три основных типа облучения: большие потоки низкоэнергетичных частиц солнечного ветра (далее SW от англ. "solar wind"), меньшие потоки вы-сокоэнергетичных галактических космических лучей (далее GCR от англ. "galactic cosmic rays") [Diehl et al., 2001] и периодические интенсивные потоки частиц солнечных вспышек, которые еще называют солнечные космические лучи или солнечные энергетические частицы (далее SEP от англ. "solar energetic particles") [Heiken et al., 1991; Eugster et al., 2006]. Интенсивность потоков SEP, инжектируемых солнцем во время солнечных вспышек, напрямую связана с одиннадцатилетними циклами солнечной активности. Интенсивность потоков GCR во внутренней части солнечной системы изменяется в два раза в течение одиннадцатилетнего солнечного цикла и достигает своего максимума в период минимума солнечной активности в результате модуляции коро-нальной полости.
Радиационные явления в космическом пространстве вносят значительный вклад в эволюцию поверхности безвоздушных тел солнечной системы. Ионизирующее облучение SW изменяет дистанционно зондируемые свойства поверхностей безвоздушных тел солнечной системы, что может препятствовать возможности дистанционной оценки минералогии и других характеристик как поверхности астероидов, так и других безвоздушных тел [Vernazza et al., 2008; 2009]. Спектральные эффекты, связанные с непрерывной бомбардировкой ионами SW, были ранее изучены в лабораторных экспериментах с целью объяснить наблюдаемое спектральное несоответствие между Лунным грунтом и подстилающими породами, а также между наиболее распространенным классом метеоритов, обыкновенные хондриты, и спектрами с поверхности их предполагаемых родительских тел (астероиды ¿-типа) [Pieters et al., 2000; Hapke, 2001; Brunetto, Strazzulla, 2005; Straz-zulla et al., 2005; Vernazza et al., 2006]. Эти эксперименты показывают, что космическое выветривание может быть причиной наблюдаемого несоответствия спектров.
В настоящей работе экспериментально исследуется гипотеза о возможном влиянии космической радиации на магнитные свойства твердого вещества Солнечной системы. Влиянием SW (с типичными энергиями Е порядка 1 кэВ/а. е. м., где эВ/а. е. м. — электрон-вольт на атомную единицу массы) можно пренебречь ввиду того, что
соответствующая глубина проникновения SW лежит в нанометровом диапазоне, а значит влияние SW на объемные магнитные свойства не будет об-наружимо как в условиях лабораторных экспериментов, так и в космическом пространстве. Поэтому далее будут рассматриваться только SEP и GCR.
Для лабораторного моделирования SEP (нижняя часть диапазона энергий: Ep ~ 1 МэВ) были проведены эксперименты по протонной бомбардировке образцов. Для лабораторного моделирования GCR были проведены эксперименты по облучению образцов ионами свинца с энергией Е = 1 ГэВ или ~5 МэВ/а. е. м. Были также проведены эксперименты по облучению образцов ионами аргона с энергией Е = 400 кэВ (~10 кэВ/а. е. м.). В настоящей работе приводятся результаты влияния протонной и ионной бомбардировок на магнитные свойства горных пород, метеоритов и синтетических образцов разной магнитной минералогии (металлическое железо и никелистое железо, магнетит, титаномагнетит, пирротин). До сих пор этот вопрос оставался малоизученным [Butler, Cox, 1971, 1974; Rowe, 1978], несмотря на ряд потенциально важных приложений, в частности, интерпретация магнитных свойств и палео-магнитного сигнала метеоритов в свете понимания эволюции ранней солнечной системы и твердых тел в солнечной системе [Rochette et al., 2009a; Weiss et al., 2010].
2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ГЛОБАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ
Согласно одноступенчатой модели облучения [Herzog, 2005], метеороиды в составе родительских тел защищены от космической радиации до момента фрагментации. Время экспозиции внеземного вещества в космическом пространстве (cosmic ray exposure age) может быть оценено для разных типов метеоритов по обилию в метеоритах некоторых нуклидов, образовавшихся при их взаимодействии с космическими лучами. После фрагментации в результате действия импактного механизма и до входа в атмосферу Земли, метео-роиды подвергаются прямому облучению SEP и GCR в течении периодов времени порядка нескольких миллионов лет [Sears, 2004]. Космические лучи состоят в основном из протонов (p) и ядер гелия (He) с типичными отношениями He/p ~ 0.1 и ~0.02 для GCR и SEP, соответственно [Капитонов, 2002]. Поток более тяжелых ионов (с атомным номером Z > 6) составляет в GCR ~1% [Капитонов, 2002].
На сегодняшний день интенсивность (флю-енс ф) потоков протонов составляет фЖР ~ ~ 100 p/см2 с (p с энергиями E > 10 МэВ) для SEP и фGCR ~ 3 p/см2 c для GCR [Heiken et al., 1991]. Глубина проникновения протонов в твердое веще-
ство варьируется от микрометров до миллиметров для SEP протонов (Е от ~1 МэВ/а. е. м. до десятков МэВ/а. е. м.) и от сантиметров до метров для GCR протонов (Е от 0.1 до >10 ГэВ/а. е. м.). Взаимодействие ядер GCR с твердым веществом вызывает ядерные реакции в веществе, которые сопровождаются образованием вторичных нейтронов.
В предыдущих работах было показано, что нейтронная бомбардировка может приводить как к магнитному упорядочению монокристалла никелистого железа [Néel et al., 1964], так и к увеличению магнитной жесткости (magnetic hardening) камасита (сплав FeNi с <5—6 мас. % Ni и объемно-центрированной кубической решеткой) и железа [Butler, Cox, 1971; 1974]. Однако вторичные нейтроны мало влияют на метеориты ввиду малого эффективного поперечного сечения ядерной реакции — источника вторичных нейтронов [Eugster et al., 2006].
Известно, что в результате процессов абляции и фрагментации метеороидов при их прохождении через атмосферу Земли, масса выпавших метеоритов намного меньше соответствующей внеатмосферной массы метеороидов [Бронштэн, 1981]. Абляция (А) — это потеря массы метеороидом в результате плавления наружных слоев и последующего сдувания жидкой пленки набегающим воздушным потоком, а также испарения вещества и его удаления в виде паров [Бронштэн, 1981]. A можно представить следующим образом:
A(%) = (1 - m/M) х 100, (1)
где m — выпавшая (найденная) масса метеорита, M — внеатмосферная масса метеороида. Эффективность абляции в основном зависит от Ми вн
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.