Содержание
I. Введение............................................................................5
1.1. Актуальность темы диссертации..................................................5
1.2. Основные понятия...............................................................5
1.2.1. Космические луч и..........................................................5
1.2.2. Космогенный нуклид |4С.....................................................7
1.2.3. Накопление космогенного нуклида 14С в полярных льдах.......................8
1.2.4. Краткий обзор литературы..................................................10
1.3. Цель и задачи работы..........................................................12
II. Статистическое моделирование распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах..............................................................13
2.1. Введение......................................................................13
2.2. Численная модель..............................................................14
2.2.1. Спектр галактических космических лучей....................................14
2.2.2. Модель атмосферы..........................................................16
2.2.3. Физическая модель.........................................................17
2.2.4. Расчет потоков частиц.....................................................18
2.3. Ядерно-активный компонент космического излучения..............................20
2.3.1. Интегральные и дифференциальные потоки нуклонов в атмосфере Земли 20
2.3.2. Всенаправленный дифференциальный поток нейтронов на уровне моря...........24
2.3.3. Интегральные и дифференциальные потоки нейтронов во льду..................26
2.4. Выводы........................................................................28
III. Образование 14С космическим излучением в полярных льдах..........................29
3.1. Образование 14С во льдах нуклонами ядерно-активного компонента космического излучения на уровне моря и высоких геомагнитных широтах............................29
3.1.1. Сечения реакций...........................................................29
3.1.2. Скорость образования 14С в приповерхностном слое льда.....................31
3.1.3. Зависимость скорости образования 14С от глубины во льдах..................33
2
3.1.4. Распределение по энергии дочерних ядер ,4С...............................36
3.2. Образование ,4С во льдах мюонами космических лучей...........................37
3.2.1. Поток мюонов космических лучей во льдах..................................37
3.2.2. Образование |4С высокоэнергичными мюонами................................38
3.2.3. Образование |4С в реакции захвата отрицательных мюонов...................39
3.2.4. Образование 14С во льдах на уровне моря..................................40
3.3. Образование |4С во льдах на разных высотах над уровнем моря..................42
3.3.1. Образование ,4С ядерно-активным компонентом космических лучей............42
3.3.2. Образование |4С мюонами космических лучей................................43
3.3.3. Скорость образования |4С во льдах для полярных станций GISP2, Восток и Тейлор Доум................................................................45
3.4. Выводы.......................................................................48
IV. Анализ данных по 14С в образцах льда скважины GISP2 в Гренландии.................49
4.1. Введение.....................................................................49
4.2. Данные по 14С в образцах льда скважины GISP2.................................49
4.2.1. Экспериментальные значения концентрации 14С в образцах льда..............49
4.2.2. Расчет концентрации «атмосферного» |4С и экспериментальных значений концентрации |4С «in situ» в образцах льда.................................51
4.2.3. Теоретический расчет концентрации !4С «in situ» в образцах льда..........53
4.2.4. Дефицит концентрации |4С «in situ» в образцах льда скважины GISP2........55
4.3. Механизмы потерь космогенного радионуклида ,4С «in situ» зернами фирна.......58
4.3.1. Диффузия газов в фирне...................................................58
4.3.2. Метаморфизм крупинок льда в слое фирна...................................59
4.3.3. Химические процессы на (в) зернах фирна..................................60
4.3.4. Изотопный обмен и высвобождение газов, заключенных в зернах фирна........61
4.4. Астрофизические и геофизические параметры, определяющие уровень концентрации |4С в полярных льдах...........................................................62
4.5. Выводы.......................................................................64
3
V. Анализ данных по 14С в образцах льда скважин Восток и Тейлор Доум в Антарктиде 65
5.1. Введение.......................................................................65
5.2. Экспериментальные данные по 14С в образцах льда скважин Восток и Тейлор Доум.65
5.3. Полная концентрация |4С «in situ» в образцах льда..............................68
5.3.1. Зависимость плотности фирна от глубины.....................................68
5.3.2. Расчет концентрации космогенного 14С «in situ» в образцах льда.............69
5.4. Концентрация |4С «in situ», образованного на глубинах, больших глубины границы фирна и льда.....................................................................69
5.4.1. Восстановление толщины фирнового слоя по данным климатических условий ..69
5.4.2. Расчет концентрации ,4С «in situ» в образцах льда..........................72
5.4.3. Обсуждение результатов.....................................................74
5.5. Космогенные радионуклиды |4С и 36С1 в антарктических льдах.....................75
5.6. Выводы.........................................................................76
VI. Заключение.........................................................................77
6.1. Основные выводы и результаты работы............................................77
6.2. Научная новизна................................................................78
6.3. Основные положения, выносимые на защиту........................................78
Список литературы......................................................................80
4
I. Введение
1.1. Актуальность темы диссертации
Начало систематического исследования содержания космогенных нуклидов в окружающей среде положили работы американского ученого Уилларда Либби, который в 1960 году был удостоен Нобелевской премии за разработку радиоуглеродного метода датирования. Возможность приложения исследований космогенных радионуклидов для решения задач астрофизики высказана в работе 11]. Применение ускорительной масс-спектрометрии позволило существенно повысить чувствительность измерений и расширить границы анализа содержания космогенных нуклидов [10]. Данные по космогенному радионуклиду 14С в кольцах деревьев совместно с данными по |0Ве и %С1 в полярных льдах являются хрониками прошлых изменений интенсивности космических лучей, солнечной активности и магнитного поля Земли, а также климатических условий [2]. В данной работе проводится детальное рассмотрение процессов образования и накопления в полярных льдах космогенного радионуклида МС. Проводится анализ и предлагается интерпретация экспериментальных данных по 14С в образцах льда гренландской и антарктических скважин. В работе рассматривается возможность использования данных по 14С в полярных льдах для оценки уровня солнечной активности и интенсивности высокоэнергичных космических лучей в периоды времени в прошлом.
1.2. Основные понятия
1.2.1. Космические лучи
По природе происхождения можно выделить галактические космические лучи и солнечные энергичные частицы. Ускорение солнечных космических лучей происходит в атмосфере Солнца и в процессе их распространения в межпланетной среде. Энергия частиц солнечных космических лучей варьируется от нескольких десятков кэВ до сотен МэВ. В области больших энергий основной вклад в поток космических лучей вносят потоки частиц галактического происхождения [3,4]. Химический состав космических лучей приблизительно соответствует распространенности элементов во Вселенной за исключением повышенного содержания некоторых легких элементов и тяжелых ядер вблизи железа. Приходящие извне Солнечной системы галактические космические лучи взаимодействуют с
5
плазмой солнечного ветра. Заряженные частицы рассеиваются и теряют энергию. Потоки частиц в гелиосфере ослабляются в низкоэнергичной части спектра. Степень ослабления -модуляции спектра — зависит от положения внутри гелиосферы и уровня солнечной активности. Минимум солнечной активности соответствует максимуму потока галактических космических лучей.
Достигнув околоземного пространства, заряженные частицы космических лучей испытывают воздействие магнитною поля Земли. Характер движения частицы в магнитном поле определяется значением жесткости частицы - отношением импульса к заряду. Для определенных направления движения частицы и местоположения над поверхностью Земли существует некоторое минимальное значение жесткости - частицы с меньшей жесткостью отклоняются в магнитном поле Земли, не достигая се поверхности. Вблизи полярных областей магнитное поле Земли ослаблено, и возмущение потока частиц космических лучей геомагнитным полем минимально.
Попадая в атмосферу, частицы космических лучей испытывают столкновения с атомами и молекулами воздуха. В реакциях взаимодействия рождается множество вторичных частиц, которые, имея достаточную энергию, генерируют новые каскады частиц (рис. 1). В актах взаимодействия высокоэнергичных нуклонов с ядрами атомов рождаются заряженные и нейтральные л-мезоны. Заряженные пионы могул либо вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха, либо распасться па мюон и нейтрино, давая начало мюонному компоненту излучения. Нейтральные л°-мезоны распадаются на гамма-кванты, которые в кулоновском поле ядер рождают электрон-позитронные пары. Тормозное излучение электронов и позитронов приводит к появлению фотонов электромагнитного излучения.
Среди вторичного излучения различают ядерно-активный, электромагнитный и мюонный компоненты. Часть вторичного космического излучения достигает поверхности Земли, где также способно вступить во взаимодействие с веществом и вызвать рождение новых частиц. Основной вклад в развитие каскада частиц вторичного космического излучения в атмосфере Земли и в веществе земной поверхности вносят частицы галактических космических лучей. Энергий частиц солнечных космических лучей, как правило, недостаточно для генерации каскадных процессов в атмосфере.
6
электромагнитный ядерно-актнвный мюонный компонент компонент компонент
Рис. 1. Взаимодействие первичной частицы с веществом атмосферы и рождение вторичного космического излучения
1.2.2. Космогенный нуклид |4С
Космогенные нуклиды образуются в атмосфере Земли и в веществе ее поверхности в ядерных реакциях, вызванных первичным и вторичным космическим излучением. Образовавшись в атмосфере, космогенные нуклиды участвуют в обменных процессах в окружающей среде. В результате часть космогенных нуклидов оказывается в «природных архивах» - в слоях почвы, льда, донных отложений, а также в кольцах деревьев и других [2]. Концентрация космогенных нуклидов в природных архивах является результатом процессов образования, переноса в окружающей среде и накопления в природные архивы.
Радиоактивный изотоп углерода |4С является одним из космогенных нуклидов. Период полураспада радиоуглерода составляет 5730 лет, и его присутствие на Земле
- Київ+380960830922