ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 39, № 9, с. 643-650
УДК 524.1;524.8
ГАММА-ВСПЛЕСКИ И ОБРАЗОВАНИЕ КОСМОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2013 г. А. К. Павлов1*, А. В. Блинов2, Г. И. Васильев1, М. А. Вдовина1, П. А. Волков2, А. Н. Константинов2, В. М. Остряков2
1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Поступила в редакцию 24.01.2013 г.
Предложено объяснение импульсного годичного повышения концентрации космогенного радиоуглерода в кольцах деревьев (Д14С ~ 120/оо), относящееся к ^775 г. н. э. Возможной причиной такого повышения могло стать высокоэнергичное излучение галактического гамма-всплеска. Показано, что такое событие не должно приводить к увеличению общего производства 10Ве в атмосфере в отличие от воздействия на атмосферу потоков космических лучей. В то же время следует ожидать образования заметного количества 36 О, которое может быть обнаружено в образцах льда Гренландии и Антарктиды соответствующего возраста. Это позволяет экспериментально различать эффекты, вызванные гамма-всплеском и аномально мощными протонными событиями.
Ключевые слова: галактические гамма-всплески, космогенные изотопы.
DOI: 10.7868/80320010813090040
ВВЕДЕНИЕ
Гамма-всплески являются событиями с наибольшим наблюдаемым импульсным энерговыделением во Вселенной (Герелс, Месарош, 2012). В настоящее время орбитальная обсерватория Ферми регистрирует порядка одного гамма-всплеска в сутки. Все обнаруженные прямыми измерениями гамма-всплески имеют внегалактическую природу. В то же время существующие модели (гиперновые и слияние двух компактных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры в двойных системах) предполагают возможность возникновения подобных событий в нашей Галактике. В атмосфере Земли высокоэнергичное гамма-излучение галактического всплеска могло бы вызывать значительное импульсное образование космогенных долгоживущих радионуклидов (Гамбарян, Нойхой-зер, 2012).
Исследования астрофизических явлений, происходивших в прошлые эпохи, по измерениям содержания космогенных радионуклидов 14С (период полураспада 5730 лет), 10Ве (1.39 х 106 лет),36а (3.01 х 105 лет) и др. в природных архивах ведутся более полувека (см. работу Лала, Петерса, 1967). Их образование происходит в атмосфере Земли в
Электронный адрес: anatoli.pavlov@mail.ioffe.ru
ядерных реакциях под действием космических лучей (КЛ). Установлена корреляция концентрации радиоуглерода в кольцах деревьев с циклическими изменениями интенсивности КЛ, вызываемыми вариациями солнечной активности и геомагнитного поля (Бир и др., 2012). Что касается поиска повышения концентрации радионуклидов в ответ на импульсные события, такие как мощные солнечные вспышки, гамма-излучение от взрывов Сверхновых звезд, космические гамма-всплески и т.п., то надежного экспериментального подтверждения их существования до сих пор не было (см., однако, работы Лингенфельтера, Рамати, 1970; Константинова и др., 1992а,б; Дэймона и др., 1995).
В недавней работе Мияки и др. (2012) приведены результаты измерений содержания 14С в кольцах двух японских кедров, которые показали увеличение относительного содержания радиоуглерода (Д14С), относящееся к 774—775 гг. н.э. В настоящей работе мы анализируем возможные астрофизические причины этого увеличения и его связь с изменениями концентрации 10 Ве и 36 С! в образцах полярного льда соответствующего возраста. Попытка такого анализа была предпринята в работе Гамбаряна и Нойхойзера (2012) при некорректных расчетах производства 14 Си 10 Ве в земной атмосфере (см. ниже). Отличие нашего подхода от
упомянутого состоит в том, что мы моделировали образование каскадов вторичных продуктов (нейтронов, протонов и т.п.) в фотоядерных реакциях первичных гамма-квантов с ядрами атмосферных атомов и последующим образованием радионуклидов в реакциях с этими продуктами. Эффективность этого канала на порядки величин превосходит их производство в прямых фотоядерных реакциях при энергиях, характерных для гамма-всплесков. В результате получен высотный ход образования радионуклидов в атмосфере, что дает скорости их образования в стратосфере (Qc) и тропосфере (ОТ). Переход от Qc, От к измеряемой концентрации 14С в природном образце требует моделирования глобального углеродного обмена. Нами была использована более сложная резерву-арная модель геофизического цикла радиоуглерода, нежели в работе Мияки и др. (2012), так как временные параметры использованной ими модели принципиально не могут дать короткий (~1—2 года) фронт нарастания сигнала в А14С. Используемая нами модель применялась ранее при восстановлении интенсивности КЛ по радиоуглеродным данным на временной шкале ~8000 лет (Кочаров и др., 1983).
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОБРАЗОВАНИЯ 14С, 10Ве И 36а В АТМОСФЕРЕ
В нашей работе для моделирования взаимодействия заряженных частиц и высокоэнергичного гамма-излучения с атмосферой Земли была использована стандартная программа GEANT4.9.6. Этот код позволяет с помощью метода Монте-Карло корректно прослеживать развитие каскада вторичных частиц при ядерных взаимодействиях в воздухе. Он использует современную и постоянно обновляемую базу данных по сечениям различных взаимодействий в широком диапазоне энергий. Скорость образования 14С, 10Ве и 36С1 рассчитывалась нами в диапазоне высот 0—130 км с шагом 1 км с усреднением по сферическому атмосферному слою, так как горизонтальное перемешивание в атмосфере происходит существенно быстрее вертикального. При этом поток гамма-излучения, приходящий с больших расстояний, считался плоскопараллельным.
Фотоядерные реакции высокоэнергичных гамма-квантов (Е1 > 10 МэВ) в атмосфере приводят к образованию вторичных ядерно-активных частиц, прежде всего нейтронов. Наши расчеты показывают, что основным каналом образования 14С гамма-квантами являются реакции вторичных нейтронов тепловых энергий с азотом, 14^п,р)14О, что аналогично каналу его образования от первичных протонов. Рассчитанные
значения выхода 14 С в стратосфере и тропосфере на один падающий фотон энергии Е1 приведены на рис. 1. Максимальный выход наблюдается при энергии падающего фотона Е1 ~ 25 МэВ, что соответствует характерной энергии возбуждения гигантского дипольного ядерного резонанса для ядер азота и кислорода. При энергиях более 70 МэВ происходит медленное увеличение выхода, связанное с ростом общего количества вторичных частиц. Гамма-излучение с Е1 > 10 МэВ также производит 10Ве и 36С1 через генерацию вторичных нейтронов. Заметное образование 10Ве начинается только при энергии фотонов Е1 > 100 МэВ и может идти по нескольким каналам, включающим прямые реакции фоторасщепления и пороговые реакции скалывания вторичными нейтронами (Еп > 15 МэВ) на ядрах азота и кислорода.
Современная средняя глобальная скорость образования 14 С в атмосфере под действием КЛ оценивается как ^2 ат • см-2 с-1 (Бир и др., 2012; Ко-вальцов и др., 2012), а для 10Ве и 36С1 она составляет ~0.021 ат • см-2 с-1 и ^0.0011 ат • см-2 с-1 соответственно (Бир и др., 2012). Распределение скорости генерации по высоте (отношение Ос/ОТ) зависит от энергетического спектра и типа первичных частиц (КЛ или гамма-излучение) и от географической широты. Это отношение определяется локальным положением тропопаузы, которое существенно выше в тропиках (16—18 км) по сравнению с полярными районами (8—10 км). Для усредненного по циклу солнечной активности энергетического спектра КЛ доля Ос и ОТ от общего атмосферного производства для 14С составляет 65% и 35% соответственно (Масарик, Бир, 2009). Примерно такие же пропорции характерны и для других рассматриваемых нами радионуклидов. На их широтное распределение в атмосфере при генерации заряженными частицами сильное влияние оказывает земное магнитное поле, экранирующее основную часть атмосферы от малоэнергичных КЛ. Очевидно, что для гамма-излучения ограничивающее влияние геомагнитного поля отсутствует.
СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ НУКЛИДОВ
И ИХ ИЗМЕРЯЕМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ
Измеряемые концентрации 14С в кольцах деревьев непосредственно отражают его содержание в тропосфере, а концентрация 10 Ве и 36 С1 в ледниках Антарктики и Гренландии определяется их локальной скоростью осаждения из тропосферы и скоростью аккумуляции снега. Поскольку характерное время попадания в тропосферу образованных в стратосфере нуклидов составляет от полутора до трех лет (Хейкила и др., 2009; Блинов
Энергия гамма-кванта, МэВ
Рис. 1. Выход изотопа 14С в стратосфере (кривые 1 и 2) и тропосфере (кривые 1' и 2) на один падающий фотон с энергией Е1 (МэВ). Сплошные линии соответствуют случаю, когда средняя высота тропопаузы считается равной 15 км, штрихованные — 10 км.
и др., 2000), то любые вариации в скорости стратосферного образования будут иметь в тропосфере ослабленную амплитуду и задержку по времени. Обмен воздушными массами между стратосферой и тропосферой является сложным сезонным динамическим процессом, наиболее интенсивно протекающим в современной атмосфере в умеренных широтах. Любые процессы в верхней атмосфере, увеличивающие высоту тропопаузы, могут также приводить к ее "прорывам" и резким перемещениям стратосферного воздуха в тропосферу, что может вызвать вариации содержания 14С, 10Ве и 36 С1 в образцах даже при неизменной глобальной скорости их образования.
Образуясь в атмосфере, 14С мгновенно окисляется до 14СО2 и включается в глобальный углеродный цикл. Этот изотоп распределяется по различным углеродсодержащим резервуарам, в число которых помимо стратосферы и тропосферы входят также биосфера, гумус и океан с его поверхностными и глубинными слоями. Простейшие модели переноса 14С в природе являются линейными по концентрации N (г), ат/см2:
¿Щ ¡¿1 = Яг (г) + ^ N ¡ГЦ - ^ N ¡Гц,
где — скорость образования изотопа 14С в г-м резервуаре (г = С или Т, ат • см-2 с-1); первая сумма в этом уравнении представляет собой привнесение 14С в г-резервуар из соседних 3-резервуаров, а вторая — уход из данного г-резервуара в соседние. Основные характеристики этих моделей — времена т^ переходов между хорошо перемешанными резервуарами, кото
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.