ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 10, с. 706-713
УДК 5241:550.385
"ИЗОТОПНЫЕ СЛЕДЫ" ГАММА- И ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ И АНОМАЛЬНЫЙ СИГНАЛ В РАДИОУГЛЕРОДЕ В 775 г. н.э.
© 2014 г. А. К. Павлов1,2*, А. В. Блинов2, Г. И. Васильев1, М. А. Вдовина1, А. Н. Константинов2, В. М. Остряков2
1 Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Поступила в редакцию 15.05.2014 г.
Рассмотрено образование космогенных радионуклидов 14^ 10Bе и в атмосфере Земли под действием мощных импульсных протонных и гамма-событий (сверхмощные солнечные вспышки и галактические гамма-всплески). Проведен расчет возможного "изотопного следа" в природных архивах (концентрации этих изотопов в датированных колонках полярного льда и годичных кольцах деревьев) с учетом геофизических процессов. Полученные результаты применены к анализу аномального повышения концентрации радиоуглерода, измеренного в кольцах деревьев возрастом 774— 775 гг. н.э. Приведены аргументы в пользу того, что наиболее вероятная причина такого повышения — высокоэнергичное излучение Галактического гамма-всплеска.
Ключевые слова: галактические гамма-всплески, космогенные радионуклиды.
DOI: 10.7868/80320010814100064
ВВЕДЕНИЕ
В атмосфере Земли непрерывно происходит генерация космогенных радионуклидов в ядерных реакциях под действием космических лучей (КЛ) и высокоэнергичного гамма-излучения. По измерениям вариаций содержания 14С, 10Ве и 36С1 в природных архивах более полувека ведутся исследования астрофизических явлений, происходивших в прошлые эпохи (см. работу Лала, Петерса, 1967). За этот период была надежно установлена корреляция концентрации 14С в кольцах деревьев и 10Be в полярных льдах с циклическими долговременными изменениями интенсивности КЛ, вызываемыми вариациями солнечной активности и геомагнитного поля (Бир и др., 2012). В то же время существуют импульсные события, способные увеличить на несколько порядков скорость генерации космоген-ных радионуклидов в атмосфере. К таким событиям относятся гамма-всплески и мощные солнечные вспышки. Они могут приводить к резкому кратковременному повышению концентрации космоген-ных радионуклидов на шкале времени 1 — 10 лет, которая определяется скоростью их выведения из атмосферы. Последующая фиксация изотопов в природных архивах формирует "изотопный след"
Электронный адрес: anatoli.pavlov@mail.ioffe.ru
события со специфическим поведением амплитудных и временных вариаций концентрации. Однако поиски следов таких событий в экспериментальных данных до последнего времени не приводили к надежным результатам.
Отличие изотопных следов для разных типов событий определяется особенностями ядерных реакций, протекающих в атмосфере под воздействием протонов и высокоэнергичных гамма-квантов. При этом отношения образованных радионуклидов внутри каждого типа событий зависят от энергетического спектра частиц и гамма-излучения (Павлов и др., 20^). Кроме того, большое влияние на формирование изотопного следа в природных архивах оказывают геофизические факторы: процессы обмена в системе атмосфера—океан—биосфера для 14 С и процессы переноса в атмосфере и фиксации в полярном льду для 10Be и 360.
Впервые аномальное импульсное повышение концентрации радиоуглерода, измеренное в кольцах деревьев, соответствующих возрасту 774— 775 гг. н.э., было описано в работе Мияки и др. (2012). Его существование впоследствии подтвердили независимые исследования образцов других деревьев в других лабораториях (Усоскин и др., 2013; И Лиу и др., 2014; Джул и др., 2014). Эти работы стимулировали широкую дискуссию о возможной природе данного необыч-
ного события. В качестве версий предлагались даже такие экзотические, как падения комет на Солнце и Землю (И Лиу и др., 2014). В настоящее время обсуждаются только две гипотезы — сверхмощная солнечная вспышка с "жестким" спектром протонов, в десятки раз превышающая по мощности вспышку 23 февраля 1956 г. (Усоскин и др., 2013), и галактический гамма-всплеск (ГГВ) (Гамбарян, Нойхойзер, 2012; Павлов и др., 20^,б). До сих пор не проводилось детального сравнения изотопных следов от различных событий с учетом механизмов образования космогенных изотопов в атмосфере Земли и последующих за этим геофизических процессов их переноса и перераспределения. В данной работе представлены результаты детального моделирования сигнала, вызываемого мощными солнечными вспышками, в земных архивах. Результаты моделирования были применены к анализу возможных причин события 774—775 гг. н.э. в сравнении с проведенным нами ранее расчетом последствий от ГГВ (Павлов и др., 2013б).
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОБРАЗОВАНИЯ 14С, 10Ве И 36а В АТМОСФЕРЕ
Высокоэнергичные протоны солнечных вспышек производят радионуклиды как в прямых реакциях скалывания на ядрах атомов азота, кислорода и аргона, так и в реакциях, образуемых в каскаде вторичных ядерно-активных частиц, прежде всего нейтронов. Последнее особенно важно для образования 14С, для которого основным каналом являются реакции вторичных нейтронов тепловых энергий с азотом: 14С
В нашей работе для моделирования взаимодействия заряженных частиц и высокоэнергичного гамма-излучения с атмосферой Земли была использована стандартная программа GEANT4.10.0. Этот код позволяет с помощью метода Монте-Карло корректно прослеживать развитие каскада вторичных частиц при ядерных взаимодействиях в воздухе. Он использует современную постоянно обновляемую базу данных по сечениям различных взаимодействий в широком диапазоне энергий. Скорость образования 14С,10Ве и 36И в атмосфере рассчитывалась нами в диапазоне высот 0—130 км с шагом 1 км. Поток частиц, падающих на магнитосферу Земли от солнечной вспышки, считался изотропным. При расчете производства космогенных радионуклидов на разных широтах учитывалось влияние земного магнитного поля, экранирующего основную часть атмосферы от низкоэнергетической части спектра солнечных частиц. Этот эффект по нашим расчетам существенно снижает скорость генерации изотопов (на 5—7 порядков) на низких широтах по сравнению с полярными районами.
Средняя глобальная скорость образования 14С в атмосфере (Q) под действием галактических космических лучей (ГКЛ) оценивается как 1.6— 2 ат см-2 с-1, а для 10Ве и 36И она составляет ~0.021 ат см-2 с-1 и ^0.0011 ат см-2 с-1 соответственно (Бир и др., 2012; Ковальцов и др., 2012). Распределение скорости генерации по высоте (отношение скорости генерации в стратосфере и тропосфере, Qc/Ят) зависит от энергетического спектра и типа первичных падающих на атмосферу частиц, а также от географической широты. Это отношение определяется как локальным положением тропопаузы, так и магнитным обрезанием, которые существенно выше в тропиках по сравнению с полярными районами. Для усредненного по циклу солнечной активности энергетического спектра ГКЛ доля Qc и Ят 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.
СВЯЗЬ СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ НУКЛИДОВ И ИХ ИЗМЕРЯЕМЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ
Измеряемые концентрации 14С в кольцах деревьев непосредственно отражают его содержание в тропосфере, а концентрация 10 Ве и 36 Ив ледниках Антарктики и Гренландии определяется их локальной скоростью осаждения из тропосферы и скоростью аккумуляции льда. Поскольку характерное время попадания в тропосферу образованных в стратосфере нуклидов составляет от полутора до трех лет (Блинов и др., 2000; Хейкила и др., 2009a), то любые вариации скорости стратосферного образования при переносе в тропосферу будут ослаблены по амплитуде и будут запаздывать по времени. Обмен воздушными массами между стратосферой и тропосферой является сложным сезонным динамическим процессом, наиболее интенсивно протекающим в современной атмосфере весной в умеренных широтах. Любые процессы в верхней атмосфере, увеличивающие высоту тропопаузы, приводят к изменению соотношения Qc/Qт. Кроме того, они могут приводить к увеличению частоты "прорывов" тропопаузы и резким перемещениям стратосферного воздуха в тропосферу, что ведет к вариациям содержания 10Ве и 36И 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 углеродосодержащим резервуарам, в
число которых помимо стратосферы и тропосферы входят также биосфера, гумус и океан с его поверхностными и глубинными слоями. Восстановление амплитуды и временного хода скорости образования 14 С из измеренных концентраций должно производиться на базе моделей переноса. Основные характеристики этих моделей — времена Tij переходов между хорошо перемешанными резервуарами. Рассматриваемые нами сверхмощные солнечные вспышки можно считать мгновенными по сравнению с характерными временами перемешивания в атмосфере (более года). Ранее нами было показано, что для объяснения амплитуды и ширины пика 14С для события 774—775 гг. н.э., требуется импульсная инжекция ~1.7 х 108 ат см-2 радиоуглерода в атмосферу Земли (Павлов и др., 2013а,б).
Что касается 10 Ве, образованного в стратосфере, то в течение примерно полутора лет он оседает на поверхность Земли с аэрозолями в основном в средних широтах. 10Ве тропосферного происхождения в течение нескольких недель переносится на поверхность преимущественно вблизи места своего образования. Локальная скорость осаждения определяется двумя механизмами:
1) выпадением с осадками в виде дождя и снега (wet deposition);
2) осаждением на атмосферных аэрозолях с последующим гравитационным выпадением (dry deposition).
Выпадение стратосферного 10Ве определяется сложными сезонными процессами, вызывающими поступление стратосферного воздуха в тропосферу, прежде всего, в области умеренных широт. Доля стратосферного 10Ве, выпадающего в полярных районах — Центральная Антарктида и Центральная Гренландия — зависит, в основном, от процессов переноса аэрозолей в атмосфере от умеренных широт к полярным (Дибб и др., 1994). Подтв
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.