Введение к работе
Актуальность проблемы, В середине пятидесятых годов в аімосфсрс
Земли были измерены радиоактивные продукты ядерных реакций КЛ
радиоуглерод "С и тритий 'И. С ті ого момента исследование космоіенні.іх
радионуклидов превратилось в одно in плодотворных направлении прикладниц
ядерной физики. Общеизвестными являются достижения методов
радиоуглеродного датирования. В свою очередь, измерения концентрации "С
в последовательных годичных обращах с независимо установленные
возрастом предоставили уникальную возможность расширения временных
рамок изучения таких глобальных природных факторов, как интенсивность КЛ,
СА и напряженность магнитного поля 'Земли Однако, доступная ткала
радиоуглеродных исследований ограничена несколькими периодами
полураспада и не превышает десятков тысяч лет Кроме тот о, мноюобрашс процессов переноса углерода на Земле приводит к значительной неопределенности при восстановлении средней скорости генерации '(.' в атмосфере. Возможность перехода к изучению процессов, протекавших or десятков до сотен тысяч лет в прошлом, связана с образованием в атмосфере долгоживуишх радионуклидов "'CI (Т|/2 - ЗО 101 лег), J"AI (Т\П - 7.1 10" леї) и "'Re (Т\ц - 1.5 U? лет). Круг задач, поддающихся решению метолом
4 '
доліожнвуїцих космоіешнлх нуклидов, был качественно очерчен еще в
классической pauuie Лала и ІІиіерса (Lai & Peters, l%7) Превращение метода
в количественный инсірумеш прикладной ядерной физики С1ШЮ насущной
ноірсбносіьш многих обласкай исследований в асірофиіике, ядерной
іеофіїіикс и климаюлогии.
Принципиально новым направлением, сформулированным и
реалиюианным аніором, сіало совместное изучение конценфапии нуклидов,
оишчаннцпхея как ядерными реакциями образования - or захват тепловых
нейронов до реакции скалывания с выходом пяшадцаги нуклонов - так и
характером переноса образованной радиоактивности в атмосфере Земли. Глриоогка комплексной) подхода представляеіся единственным надежным методом анализа мноюфакторных сигналов, котрими явдякися длинные временные ряды концен і раніш космої енних радионуклидов.
' Цели н задачи работы Целью работы является разработка и обоснование нового направления научных исследований - археологии доліожнвуїцих космої енных нуклидов Оно основано на высокоточных измерениях концен фации долгоживушнх радионуклидов, образованных в ядерных реакциях КЛ с элементами аімосфери, в датированных природных образцах, и включает моделирование генерации нуклидов в ядерно-активном каскаде в аімисфере и их переноса в окружающей среде. Помимо решения ф>ндаменіальньіх задач, раїраооїанное направление имеет несомненную пользу в приложениях ядерной физики к проблемам асірофизики, физики окру/клюшей среди, климат и жологии.
Me і оды исследований. Для достжения поставленной цели нофебовалось создание и применение уникальной ядерно-физической аппаратуры, мішіолешие измерения сверхмалых концешрацин космої енных
нуклидов, разработка и проверка теоретических моделей образования и переноси космогстюй радиоактивности в природной среде, восстановление временных вариаций интенсивности КЛ в атмосфере, их летальный аналіп и выделение относительною вклада в чти вариации модулирующих глобальных факторов. Комплексный характер исследований, сохраняя в камее і вс методической основы традиционные подходы ядерной фишки, потребован широкого привлечения астрофизических и геофизических данных, причем все они, соответственно, подвергались криіичеекому анализу и проверке.
Основные положения, выносимые на защит у;
1. Результаты ч определения концентрации лолгоживушнх космогенных
радионуклидов в природных образцах и искусственных мишенях, являющиеся
экспериментальной основой настоящей работы, а именно.
-
Измерение содержания космогенного '"Не в годичных образцах полярного льда, датированных с 1985 по 1783 гг.. методом ускорительной масс-спектрометрии (УМС).
-
Измерения содержания космогенных ','Ве и '('А1 в .обра «пах лонных океанических отложений с возрастом 250 - 300 тысяч леї методами низкофоновой гамма - спектрометрии и УМС.
-
Измерения содержания космогенных "'О и и,Ве в юдимных сборач атмосферных выпадении, собранных в 1990 - 1993 і г , методом УМС.
-
Измерения содержания космогенного "'СІ в Мишенях, облученных на ускорителях, с целью определения энергетической зависимости сечения образования V'C'I протонами на 'Лг.
2. Методика и результаты расчетов образования доліожнвупшх космотенпы.ч
радионуклидов в атмосфере. включающие моделирование лысотно-
широтного распространения нуклонного каскада и определение абсолют щи о
выхода продуктов ядерных реакций скалывания на ядрах атмосферных такт
3 lJcі>лыаіi.j иімереішіі и анализа данных но переносу и распределению
космої сішоіі радиоактивное і и в окружающей среде, позволяющие модельно переходить or локальных концентраций нуклида, измеренных в природном архиве, к ею глобальной скороти образовании иод действием KJ1.
-
IViyjikiaibi воссіановлеїш» временного хода атмосферной скоросіи образования. '"Не иогодично за 527 леї (1459 - 1985 і г.) и 'С1 в среднем за 346 лет(І5о8- ІУІЗп).
-
Применение совместною анализа двух и более рядов космоїенних радионуклидов, позволившего разделить физические факторы, ответственные за наблюдаемые вариации их концентрации , -
5 1 І'езульїаіьі и выводы об изменении глобальных параметров, модулирующих образование долтживушнх космогенных "Г и '"Be, а именно, вариациях наїїряжеііносіи іебмаї ниіпою ноля и СА.
5.2 Исследование обнаруженных радиоуїлеродним методом длительных периодов пониженной актнвносш Солнца минимумов Маундера, Шперера и Вол1.ф<но содержанию "'lie и Ч'І и полярном льду.
5 3 Восстановление напряженности геомагнитною поля за последние
30 тысяч лет ' '
5.4 Носсіановление но соАсрмчшмкі нуклидов 2"А1 и ,llUe в /лубокоіюдішх океанических ошожениях и льду среднею ноюка внеземного іклнесіва на Землю.
6 Вывод о хаотической природе II-лешего цикла солнечной активности,
выявляемой методами нелинейной динамики. Эюг вывод косвенно
подівержден радиоіїуклидними данными
7 Демоне і рация качесівешшіі связи вариаций аімосферною содержания
долголоівушеїо космої енної о ' Не с при земной температурой, и на ее основе
указание на возможность восеганоьдения древних климатов Земли.
7 Научная иовігша работы. Предложен и реализован комплексный ядерно-
(|)Иіі)'іеский подход к іпучению процессов, протекавших в окружающей
среде, позволивший перейти от качественного описания к количественными
данным о временном ходе глобальной скорости образования до ножшнщих
космогенных нуклидов, в атмосфере Как следствие, получены уникальные
результаты в области физики КЛ, астрофизики Солнца и геомагнетизма.
1. Выполнены измерения сверхмалых концентраций долюжипушпх
космогенных радионуклидов в природных обьеюах, допускавших независимую
датировку. "Зксперимеитальиые результаты являются уникальными, как по
представительности, так и по надежности, обеспеченной комплексным
характером эксперимента (имерения нескольких нуклидов, перекрестие
датировки, изотопный и химический анализы образцов и т.д.)
-
Измерено сечение образования ''СІ протонами іга '"Аг в широком диапазоне энергий налетающих тГротонов Показаны ограничения на применение феноменологических моделей и полуэмпирических аппроксимаций при расчетах величины сечения
-
Впервые по данным о нескольких нуклидах погодинно восстановлена интенсивность, КЛ у Земли за 527 лет. Подтверждена устойчивость ее квазициклических вариаций с характерным временем порядка 11 лет, обусловленных модуляцией OV Подтверждено, что имевшие месю в течении этого тысячелетия интервалы повышения концепт рации космотенных нуклидом в атмосфере в 1645-1715 гг., 1450-1550 гг. и, возможно, 1290-1340 гг'спяшнм с увеличением плотности КЛ на орбите Земли
-
Впервые но космогенным нуклидам восстановлен магнитный момент глобального дипольного поля Земли для последних 30 тысяч лет. Установлено, чго предложенный новый палсомапштный метод по чувствительное ти и надежности не уступает традиционным, а по временным ішрсшснніо и диапазону значительно их превосходит.
-V Доказано, что наблюдаемые в полярных льдах вариации содержания дошоживуших космогенных. радионуклидов имеют глобальный характер и в среднем отражают изменения в их атмосферном образовании 6 На основе анализа радионуклидных данных впервые показана хаотическая природа солнечного магнитного цикла, что сужает круг моделей, привлекаемых для обьяенения генерации общего магнитного поля Солнца 7. Дня получения физических результатов:
- разработаны методики сбора, приготовления и датирования
образной, проведены облучения искусственных мишеней на циклическом и
элекгросташческих ускорителях, применены измерительные методы УМС,
- впервые разработана комплексная модель, включающая образование и
перенос продуктов ядерных реакций скалывания в окружающей среде,
коюрая решает обратную задачу восстановления парамеїров КЛ на границе
ишосферы но измеренной концентрации продуктов их взаимодействий в
заданной точке на поверхности Земли Модель была прокалибрована на
современных данных по дифференциальным (інтенсивностям- нуклонных
компонент КЛ и протестирована на известных из литературы экспериментах;
- установлена . мощность неашоеферных источников долі оживущих
космої синих радионуклидов, как природных, так и искусственных, оценен их
вклад в удельную радиоактивность естественных архивов,
'. - сформулирована и реализована идея комплексного, междисциплинарного'подхода к решению методами ядерной физики задач пюбалыюй жологии, предполагающая не юлько привлечение методик и знании из других научных дисциплин (астрономии, астрофизики, геофизики, мсіеоролої ції), но и их взаимопроверку. 11 рак і ическ&и ценное гь н внедрение ре зуды а і ов.
В работе экспериментально измерены сечения образовании проишами долюживущею С1 на 41,Аг С их помощью установлен глобальный баланс 16С1
g - нуклида, играющего важную роль в датировании подъемных вод при
захоронении радиоактивных отходов. Численно - аналитическая модель расчет
образования космогенных нуклидов в атмосфере применима ко многим
задачам, рассматривающим нуклонный каскад промежуточной энсрпш п
толстой мишени. Предложенная автором феноменологическая модель
динамики солнечной активности позволила проверить доастрономические
особенности солнечных циклов. Показаны временные рамки научно
обоснованного прогноза солнечного цикла. Информация, полученная о
солнечной активности, имеет большое значение для построения теории
климата и прогнозировании солнечно-земных связей.
Практическое значение имеют результаты исследований глобального переноса радиоактивности в атмосфере. Предложенные балансные модели адекватно описывают среднее глобальное распределение антропогенной радиоактивности и могут быть применены к оценке воздействия как протяженных, так и точечных источников радиоактивного загрязнения. Практически важным представляется вывод о циркуляции части радиоактивного хлора от атмосферных испытаний ядерного оружия rta поверхности Земли.
Разработанная в процессе ' исследований оригинальная научная аппаратура использовалась для выполнения прикладных работ, ряд методик и программ переданы учреждениям РАН.
Личный вклад соискателя. Автор принимал участие в постановке и решении комплексной научной проблемы, работая на кафедре космических исследований СПбГТУ в тесном сотрудничестве с учеными ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, а также в период своих научных командировок с соавторами из Швейцарии, Германии и Румынии. Все результаты, отраженные в диссертации, получены лично автором, а также в соавторстве с постоянным
10 научным руководителем профессором Г. Е. Комаровым, рядом сотрудников,
аспирантов и студентов, участвовавших в работе на различных ее этапах.
Большая части экспериментальных результатов получена автором за; рубежом,
чго обьнсняется отсутствием в нашей стране установок УМС, единственно
пригодных для высокоточного измерения природных концентраций wBe, 26А1 и
ЧЛ. В пой части работы автору принадлежит формулировка целей и задач
научных проектов, отбор природных образцов для исследований, участие в
измерениях, и ведущая роль в интерпретации результатов.
Апробации работы. Основные положения представленной работы за последние 17 лет докладывались на Международных конференциях по измерению низких радиоактивностей (ЧССР 1980 и 1985 гг.), двух Международных (Москва 1987, Аделаида 1989) и пяти .национальных (Якутск 1984, Алма-Аіа 1988, Дагомыс 1990, Москва 1994, 1996) конференциях по космическим лучам, двух Международных конференциях по космогениым радионуклидам (Дарем 1987, Тусон 1989), на Международной конференции по радиоуглероду (Тусон 1991), на ряде других международных и национальных совещаний, рабочих групп и семинаров. Всего было сделано более 20 докладов. Кроме того, автор регулярно представлял основные результаты диссертации на научных семинарах кафедры космических исследований СПбГТУ и лаборатории ядерной астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.
Публикации. Все основные выводы работы освещены в научной печати. По теме диссертации опубликовано более сорока работ в отечественных и зарубежных журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций а период с 1974 по 1997 гг. Основные положения диссертации отражены в работах (I-29J, приведенных в заключении автореферата.
Объем и струюура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Она содержит 297 страниц текста, КО рисунков, 28 таблиц, список литературы включает 339 наименований.
