КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 6, с. 435-440
УДК 523.72
ВАРИАЦИИ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ И ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ
НА ДЛИТЕЛЬНОЙ ШКАЛЕ ВРЕМЕНИ
© 2012 г. Г. С. Ануфриев
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург anufriev.mass1@mail.iojfe.ru Поступила в редакцию 10.03.2011 г.
Проведена реставрация потоков водорода и изотопов гелия в солнечном ветре на длительной шкале времени от настоящего времени до 600 миллионов лет назад. В качестве исходных данных в процедуре реставрации использованы концентрации изотопов гелия, полученные при изотопном анализе гелия в 8 образцах лунного грунта. Образцы отбирались с различных уровней 1.6-метровой колонки лунного грунта, доставленного автоматической станцией Луна-24 в 1976 году. Использованы также данные о современных потоках водорода и гелия. Разработанная методика реставрации позволила селектировать различные компоненты солнечного ветра в "валовом" составе. Вариации потока протонов на интервале 600 миллионов лет не превосходят величину 40%. Вариации потока гелия достигают величины 1.5—2 относительно среднего значения. Это обстоятельство вероятнее всего вызвано значительными вариациями количества выбросов корональной массы (СМЕ), обогащенной гелием. Обсуждаются аргументы в пользу полицикличности солнечной активности на длительной шкале времени.
ВВЕДЕНИЕ
Чтобы понять, как происходило перераспределение вещества Солнца в прошлом между прото-планетами, спутниками, астероидами, космической пылью, необходимо знать химический и изотопный состав Солнца [1, 2], содержащего примерно 90% материи солнечной системы, а также эволюцию этого состава в солнечном корпускулярном потоке (солнечном ветре) [3]. Делаются попытки установить эволюцию солнечного корпускулярного потока путем изучения соотношений различных солнечных изотопов в метеоритах. Мы попытались установить эволюцию состава солнечного ветра, используя результаты исследования образцов лунного грунта, выполненного ранее [4, 5]. Для решения этой задачи был разработан метод датирования [4] образцов лунного грунта на основе определения скорости накопления в лунном грунте космогенного неона, образующегося под действием галактических космических лучей.
Ценное свойство Луны состоит в сохранении записей о внешних процессах в интервале времени, который включает большинство событий Солнечной системы. В частности, лунная поверхность аккумулирует ионы солнечного ветра, что предоставляет возможность получать информацию о процессе изменения потока солнечного ветра в длительном интервале времени. В наших исследованиях была использована колонка лунного грунта, доставленная автоматической станцией Луна-24 в 1976 году. Известно, что солнеч-
ный ветер состоит, в основном, из протонов — ядер водорода. Следовательно, в лунном грунте нужно искать водород. Но, как показали исследования лунного грунта, на облучаемой Солнцем поверхности Луны водорода, практически, нет. Дело в высокой летучести водорода и в высокой температуре (~120°C) на освещаемой Солнцем лунной поверхности. Задача представлялась неразрешимой. Ситуацию спас гелий, дважды ионизованный изотоп 4He (альфа-частицы) которого по распространенности занимает в корпускулярном потоке Солнца второе место, и количество которого пропорционально количеству водорода. Таким образом, исследуя в грунте изотопный состав химически нейтрального гелия, мы можем получить информацию о солнечных потоках гелия и водорода в прошлом, а также об их вариациях. Такие результаты могут быть полезны также при обсуждении происхождения солнечной системы, в том числе при более детальной систематике метеоритных и планетных данных, при обсуждении солнечно-земных связей и палеоклимата Земли [6].
При реконструкции потоков гелия и водорода на интервале в ~600 миллионов лет, кроме наших данных о вариациях гелия солнечного ветра по глубине лунной колонки, использованы также опубликованные данные, полученные при проведении экспериментов с космическими аппаратами Genesis [1, 7, 8], ЖЖ/SWICS [1, 9], миссиями Apollo [10], и другие современные спутниковые данные [2, 11, 12]. Мы предполагаем, что причина обнаруженных гелиевых вариаций — это вариа-
Таблица 1. Современные спутниковые данные. (В оригинальной работе [1] данные о потоках приведены в единицах флюенса за 852.83 суток периода регистрации на спутнике Genesis)
Потоки Genesis [1](XII.2001-IV.2004) ACE [9] APOLLO/SWC [10]в разные годы (1969-1972)
F(H)totf 108 см-2 с-1 2.6 - -
F(He)totf 106 см-2 с-1 12.3 13.4 6.2; 8.1; 4.2; 17.7; 12
ции числа и интенсивности корональных выбросов массы (КВМ или СМЕ). Согласно существующим данным [11—13] содержание гелия в КВМ доходит до 30% относительно водорода, то есть существенно больше, чем средние 4% [1, 2]. Высокое содержание гелия послужило [1, 7, 11, 12] важным признаком (среди других), позволяющим отличать, например, выбросы массы от других типов ветра с похожими скоростями.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ
Базовыми данными при реставрации солнечных корпускулярных потоков являются полученные ранее результаты исследований вариаций концентрации гелия [4, 5] по глубине 1.6-метровой колонки грунта, доставленной в 1976 году автоматической станцией Луна-24. Основные предположения, лежащие в основе процесса реставрации, следующие:
расчет ведется относительно наиболее обильного в солнечном потоке тяжелого изотопа гелия 4Не (далее, гелия);
концентрация гелия в образцах лунного грунта и солнечный поток гелия связаны линейно. Иными словами, большая концентрация — результат имплантации гелия из большего потока, малая концентрация из меньшего потока;
основные вариации концентрации гелия вызваны вариациями количества и величины КВМ. Эксперименты на спутниках показали [11, 12], что вариации частоты наблюдений КВМ в цикле солнечной активности могут быть десятикратными;
выбросы корональной массы относительно других типов корпускулярных потоков содержат много гелия, вплоть до 10—30% [7, 12, 13];
на основании результатов исследований, полученных в [1], будем полагать, что поток солнечного ветра может быть разделен на три компонента: медленный ветер (^еге^еаш, Ш, скорость 200—550 км/с), быстрый ветер из корональных дыр (СИ, скорость 400—800 км/с) и выбросы ко-рональной массы (СМЕ, скорость 300—850 км/с). Заметим, что аббревиатура медленного солнечно-
го ветра (IS) у разных авторов может отличаться [1, 2, 11, 14]. Другие параметры данных потоков детально перечислены, например, в [7].
Учитывая интервалы времени усреднения (миллионы лет [4]) полагаем, что в среднем, суммарный (квазистационарный) поток гелия в типах IS и CH неизменен. Потоки КВМ содержат много гелия, имеют импульсный, характер, и определяются уровнем солнечной активности. Считаем, что степень солнечной активности может изменяться на масштабах в миллионы лет.
Поток гелия и водорода корональных выбросов массы будем искать в виде двух составляющих: постоянной (минимальной), ответственной за базовую величину концентрации гелия в лунных образцах, и переменной, вызванной вариациями интенсивности и числа КВМ. Вариации потока гелия в таком случае связаны с сильными вариациями числа выбросов корональной массы [11—13]. Вероятнее всего именно этой причиной вызваны также сильные вариации потока гелия, измеренные в экспериментах с фольгами в экспедициях Apollo [10].
Параметры современного солнечного ветра.
Для дальнейших расчетов используем параметры современного солнечного ветра, опубликованные по результатам различных экспериментов. Необходимо отметить, что средние параметры солнечного ветра имеют тенденцию к изменению не только от года к году (в зависимости от фазы солнечного цикла), но и на масштабах в десятки лет. Поэтому данные, полученные по разным экспериментам, могут отличаться. Например, в табл. 1 указаны средние характеристики солнечного ветра по нескольким источникам.
В данной работе примем, согласно справочным данным [15], что полный современный поток протонов солнечного ветра F(H)tot = 2.4 • 108 см-2 с-1.
Поток гелия составляет F(He)tot ~ ntot • F(H)tot = = 9.6 • 106 см-2 с-1, где ntot = 0.04 — современное среднее содержание гелия. Для содержания гелия в корональных выбросах массы используем в расчетах величину nCME = 0.15, близкую к среднему значению указанного выше диапазона 10-30%.
ВАРИАЦИИ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ И ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ 437
Таблица 2
* 1 2 3 4 5 6 7
ь, см , 106 лет Ж(4Не) • 10-2 см3/г ДНе) • 106 см-2 • с-1 ЦНе)СМЕ • 106 см-2 • с-1 ДН);СМЕ • 108 см-2 • с-1 ^(Н); • 108 м-2 • с-1
1 2 3 4 5 6 7 8 средн 72 92 110 130 143 160 184 192 145 240 350 410 470 545 590 605 10.1 ± 0.1 7.8 ± 0.05 7.9 ± 0.1 11 ± 0.1 20.8 ± 0.6 13.7 ± 0.13 5.5 ± 0.2 7.2 ± 0.07 10.5 9.23 7.13 7.22 10.06 19.02 12.53 5.03 6.58 9.6 4.20 2.10 2.19 5.03 13.99 7.50 0 1.55 4.57 0.28 0.14 0.146 0.335 0.932 0.50 0 0.104 0.305 2.38 2.24 2.24 2.43 3.03 2.59 2.09 2.20 2.4
* Экспериментальные данные [4]: 1 — глубина пробы, 2 — возраст, 3 — концентрация Не с ошибкой, 4—7 — расчетные данные о потоках.
Определение компонентов потоков древнего солнечного ветра. Как было предложено выше, свяжем измеренную концентрацию гелия с потоком гелия солнечного ветра линейным образом:
ДНе), = ДНе)а * ЩНе),/^(Не)а
(1)
нальной массы СМЕ для любой экспериментальной (/-той) точки будут равны:
Г(Не)СМЕ = Г (Не) - Г(Не)75+СН,
СМЕ
(2)
где М(Не); — измеренные концентрации гелия в точках / = 1...8 (табл. 2) [4], ДНе); — соответствующие величины потока гелия. Средний поток ДНе)а соответствует средней величине концентрации ^(Не)а = 10.5 • 10-2 см3/г (по табл. 2).
Сделаем предположение, что необходимые для работы с формулой (1) средние потоки гелия и водорода равны их современному значению ДНе)а = ДНе)'0' = 9.6 • 106 см-2 с-1. ДН)а = ДН)'°' = = 2.4 • 108 см-2 с-1. Так же будут использоваться и современные коэффициенты, определяющие долю гелия: пСМЕ и п'0'.
Дальнейший расчет связан с попыткой разделить потоки гелия, связанные с КВМ ДНе)СМЕ и другими типами ветра 18 + СН. Будем считать, что минимально измеренная в образцах концентрация гелия (в точке 7, см. табл. 2) ЩНе)т1п = М(Не)7 = = 5.5 • 1
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.