Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН

На правах рукописи

Нестернок Александр Владимирович

КОСМОГЕННЫЙ РАДИОУГЛЕРОД В ПОЛЯРНЫХ ЛЬДАХ

Специальность 01.03.02 – астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физикотехническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН и ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургском Государственном Политехническом Университете.

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, проф. В.О. Найденов (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург)

Официальные оппоненты доктор физ.-мат. наук, проф. О.М. Распопов (Санкт-Петербургский филиал института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, Санкт-Петербург) доктор физ.-мат. наук, с.н.с. М.Г. Огурцов (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург)

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург

Защита состоится «29» декабря 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.205.03 при Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан «28» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук _ Красильщиков А.М.

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 [1].

Применение ускорительной масс-спектрометрии позволило существенно повысить чувствительность измерений и расширить границы анализа содержания космогенных нуклидов [2]. Данные по космогенному радионуклиду 14С в кольцах деревьев совместно с данными по 10Be и 36Cl в полярных льдах являются хрониками прошлых изменений интенсивности космических лучей, солнечной активности, магнитного поля Земли и климатических условий [3]. В настоящей работе проводится детальное исследование процессов образования «in situ» и накопления в полярных льдах космогенного радионуклида 14С. Проводится анализ экспериментальных данных по С 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.

Цель и задачи работы 1. Статистическое моделирование распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах в условиях высоких геомагнитных широт и среднего уровня солнечной активности. Определение высотной зависимости потоков и энергетических спектров нейтронов и протонов в атмосфере и во льдах.

2. Определение скорости образования 14С во льду на основе рассчитанных энергетических спектров частиц ядерно-активного компонента космических лучей и набора данных по сечениям ядерных реакций.

3. Расчет концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах льда для скважины GISP2 в Гренландии и скважин Тейлор Доум и Восток в Антарктиде.

Интерпретация экспериментальных данных.

4. Построение модели накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах, в которой учитываются процессы образования нуклида космическим излучением и процессы потерь на стадии льдообразования.

Научная новизна 1. Впервые в рамках решения проблемы накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах проведено совместное рассмотрение задач распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах.

2. Впервые получено, что экспериментальные значения концентрации космогенного радионуклида 14С для образцов льда гренландской скважины GISP систематически меньше теоретически рассчитанных значений. Подобный результат был получен ранее в работе [4] для образцов льда антарктических скважин. Таким образом, дефицит космогенного радионуклида 14С является общей характеристикой образцов льда гренландской и антарктических скважин. В работе рассматривается влияние климатических факторов на степень сохранения в зернах фирна космогенного радионуклида 14С, образованного «in situ».

3. Впервые показано, что значительная часть концентрации 14С в образцах льда антарктических скважин обусловлена образованием радиоуглерода мюонами космических лучей на больших глубинах.

Достоверность научных результатов Достоверность результатов обеспечена применением последних версий вычислительных программ для моделирования процессов распространения и взаимодействия элементарных частиц с веществом. Задачи распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах рассматриваются в работе совместно. Согласие результатов расчетов потоков частиц в атмосфере с данными измерений является косвенным подтверждением справедливости результатов расчетов для потоков частиц во льдах, где аналогичное сравнение невозможно вследствие отсутствия экспериментальных данных.

Научная и практическая ценность работы В работе представлены результаты статистического моделирования процессов распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах.

Полученные энергетические спектры частиц ядерно-активного компонента космических лучей могут быть использованы для расчета скоростей образования космогенных нуклидов как в атмосфере, так и в полярных льдах. На основе рассчитанных энергетических спектров частиц и функций возбуждения определена скорость образования 14С во льдах.

В расчетах концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах льда рассмотрено образование радиоуглерода во льду в реакциях, вызванных частицами ядерно-активного и мюонного компонентов космических лучей. Полученные результаты имеют значение для теоретических расчетов концентрации 14С и интерпретации экспериментальных данных.

В работе рассматривается влияние метаморфозных и диффузионных процессов в слое фирна, покрывающем ледник, на уровень концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах фирна и льда. При интерпретации экспериментальных данных по концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах льда периода голоцена гренландской скважины GISP2 рассматривается возможность исключения климатических факторов. В этом случае основным параметром, определяющим относительные вариации концентрации 14С во льдах, является уровень солнечной активности.

Показано, что значительная часть концентрации 14С в образцах льда антарктических скважин обусловлена образованием радиоуглерода мюонами космических лучей. Это открывает новые возможности использования данных по 14С во льдах для решения таких задач, как оценка значений потока мюонов космических лучей в прошлом.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Определение высотных зависимостей и энергетических спектров частиц космических лучей в атмосфере Земли и в полярных льдах с помощью статистического моделирования процессов распространения космического излучения для условий высоких геомагнитных широт и среднего уровня солнечной активности.

2. Определение скорости образования 14С во льду на основе рассчитанных энергетических спектров частиц ядерно-активного компонента космических лучей.

3. Теоретический расчет концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах льда гренландской скважины GISP2. Построение качественной модели накопления 14С в полярных льдах.

4. Теоретический расчет концентрации космогенного радионуклида 14С в образцах льда антарктических скважин Восток и Тейлор Доум. Объяснение особенностей экспериментальных данных по концентрации 14С глубинным образованием радионуклида мюонами космических лучей.

Апробация работы Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2008 по год и изложены в четырех статьях в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Результаты работы были представлены на конференциях:

1. Конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА. СПб», Россия, Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2009, доклад «Радиоуглерод в антарктических льдах: образование мюонной компонентой космических лучей на больших глубинах», Нестеренок А.В., Найденов В.О.

2. 31 Всероссийская конференция по космическим лучам, Россия, Москва, НИИЯФ МГУ, 2010, доклад «Механизмы сохранения космогенного 14C в полярных льдах», Нестеренок А.В., Найденов В.О.

3. Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Россия, Санкт-Петербург, ГАО РАН, 2011, доклад «Космогенный радиоуглерод в полярных льдах как метод исследования солнечной активности», Нестеренок А.В., Найденов В.О.

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе, на семинарах СПбГПУ и ААНИИ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит страницу печатного текста, 18 рисунков и список литературы, включающий наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации (глава 1) показана актуальность темы диссертации, дано описание процессов образования и накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах. Сформулированы цель и задачи работы.

В главе 2 приведены результаты статистического моделирования распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах.

Результаты этого исследования опубликованы в работах [1а,2а]. Параграф 2.1 носит вводный характер. Дана краткая характеристика основных подходов к проблеме расчетов потоков частиц космического излучения в атмосфере Земли и в веществе на поверхности Земли.

В параграфе 2.2 дано описание численных расчетов. Численный код для моделирования распространения частиц космического излучения в веществе был написан на основе пакета программ GEANT4 9.4 [5]. В моделировании электромагнитных взаимодействий использовался стандартный набор процессов – ионизация, тормозное излучение, образование электрон-позитронных пар, аннигиляция и другие [6]. В моделировании учитывались фотоядерные и электроядерные процессы, а также процессы распада частиц. Для описания процессов неупругого рассеяния адронов на ядрах использовались низко- и высокоэнергетические модели, основанные на параметризации экспериментальных данных.

Для моделирования процессов неупругого рассеяния нуклонов и мезонов на ядрах в диапазоне энергий до 6 ГэВ использовалась модель внутриядерного каскада Бертини [6]. Неупругие взаимодействия легких ядер описывались с помощью модели внутриядерного бинарного каскада [6]. Для описания процессов взаимодействия нейтронов с ядрами использовались модели, которые основаны на данных по сечениям взаимодействий из библиотек ENDF-B VI, JENDL [7,8] и других для энергий нейтронов меньше 20 МэВ, и данных JENDL/HE для энергий от 20 МэВ до ГэВ. Плотность воздуха в зависимости от высоты полагалась равной средней плотности воздуха для высоких географических широт согласно данным COSPAR [9].

Статистическое моделирование процессов рождения и распространения каскада вторичных частиц проводилось для протонов и ядер гелия первичных космических лучей. Использовалось выражение для дифференциального потока частиц первичных космических лучей в околоземном пространстве, полученное в работе [10]. Параметр солнечной модуляции был выбран равным 0,69 ГВ – среднему значению за период второй половины ХХ века согласно данным [10]. Энергия первичных частиц определялась согласно дифференциальному энергетическому спектру в диапазоне энергий от 100 МэВ/нуклон до 1000 ГэВ/нуклон. Геомагнитное обрезание дифференциального энергетического спектра космических лучей не учитывалось, так как в диссертационной работе рассматриваются процессы образования космогенного радионуклида 14С в полярных льдах на высоких геомагнитных широтах. Расчеты проводились на базе Санкт-Петербургского филиала Межведомственного Суперкомпьютерного Центра РАН (СПбФ МСЦ РАН).

В параграфе 2.3 представлены результаты расчетов всенаправленных интегральных и дифференциальных потоков протонов и высокоэнергичных нейтронов ядерно-активного компонента космических лучей в атмосфере Земли и во льдах. Расчетное значение длины ослабления всенаправленного интегрального потока высокоэнергичных нейтронов для высот до 3,5 км составило 134 г/см2, что согласуется с результатами измерений [11]. В параграфе исследуется относительный вклад вторичных каскадов, инициированных ядрами первичных космических лучей с зарядовыми числами Z2, в потоки протонов и высокоэнергичных нейтронов в атмосфере Земли. Потоки частиц космического излучения в атмосфере, инициированные ядрами Z2 галактических космических лучей, оценивались на основе данных, полученных для ядер 4He галактических космических лучей [1а,2а].

На Рис. 1 приведены результаты наших расчетов всенаправленного дифференциального потока нейтронов на уровне моря. Приводятся также данные измерений [11] и результаты расчетов [12]. В области энергий нейтронов 10-300 МэВ наблюдается хорошее согласие расчетных данных с данными измерений [11] – в пределах 30%. Заметим, что согласно оценкам [11], ошибка экспериментальных данных в области энергий нейтронов более 150 МэВ составляет около 10-15% и меньше в области меньших энергий. Наблюдается также хорошее согласие результатов расчетов с результатами численного моделирования из работы [12].

Численные расчеты в исследовании [12] проводились с помощью программы PHITS, использовались данные по сечениям JENDL/HE. В диссертации обсуждаются возможные причины расхождения экспериментального и расчетных спектров в области более низких и более высоких энергий [1а,2а].

Рис. 1. Всенаправленный дифференциальный поток нейтронов. Ломаная линия – результаты расчетов, вертикальные штрихи – статистические ошибки [1а,2а].

Точки – данные измерений [11], штриховая линия – результаты численного моделирования из работы [12].

Глава 3 посвящена расчету скорости образования космогенного радионуклида С в полярных льдах в реакциях, вызванных частицами ядерно-активного и мюонного компонентов космического излучения. Результаты этого исследования опубликованы в работе [2а].

В параграфе 3.1 рассматривается образование 14С частицами ядерно-активного компонента космических лучей во льдах на уровне моря. Основной вклад в образование радиоуглерода этим компонентом вносит реакция скалывания ядер кислорода нейтронами 16O(n,X)14C, где X обозначает продукты реакции. На Рис. приведены экспериментальные данные и результаты теоретических расчетов для функции возбуждения реакции 16O(n,X)14C: круги – экспериментальные значения сечений [13], треугольники – сечения, предоставленные доктором Робертом Риди из Университета Нью Мексико в США [14], сплошная кривая – сечения, предоставленные доктором Рольфом Михелем из Университета Ганновера в Германии [15]. Штриховой и штрихпунктирной линиями на Рис. 2 обозначены функции возбуждения, полученные в результате численного моделирования реакции O(n,X)14C с помощью пакета программ GEANT4 9.4 [2а]. Для описания неупругого взаимодействия нейтронов с ядрами использовались данные полных сечений JENDL/HE [8] и две модели внутриядерного каскада – модель каскада Бертини (штриховая линия на Рис. 2) и модель бинарного каскада (штрихпунктирная линия).

Отличие моделей заключается в описании адрон-адронных взаимодействий частиц [6]. Статистические ошибки расчетных значений сечений не превышают 0, мбарн (1 барн = 10-24 см2). Данные по сечениям, предоставленные Робертом Риди, а также функция возбуждения реакции 16O(n,X)14C, полученная в результате численного моделирования внутриядерного бинарного каскада, приводят к результатам, наиболее хорошо согласующимся с опубликованными экспериментальными данными по скорости образования С в кварце [2а].

В Таблице 1 приведены значения скорости образования 14С в приповерхностном слое льда на уровне моря (толщина атмосферы 1034 г/см2) [2а].

Результаты приведены для расчетных энергетических спектров протонов и нейтронов и различных функций возбуждения реакции 16O(n,X)14C.

Рис. 2. Функции возбуждения реакции 16O(n,X)14C.

Таблица 1. Скорость образования 14С в приповерхностном слое льда на уровне моря.

Ядерная реакция В работе [2а] было получено, что длина, на которой скорость образования радионуклида 14C во льдах частицами ядерно-активного компонента космических лучей уменьшается в е 2,72 раз, составляет 130 г/см2. Это меньше значений 150- г/см2, которые использовались в работах, посвященных анализу экспериментальных данных по 14С в полярных льдах [4,16,17,18] и др. Точное определение длины ослабления потока частиц ядерно-активного компонента космических лучей существенно для расчета концентрации 14С в областях абляции ледника [2а].

В параграфе 3.1 представлено энергетическое распределение ядер 14С, полученное в результате численного моделирования внутриядерного бинарного каскада для реакции 16O(n,X)14C [2а]. Обсуждается вопрос химических реакций с участием энергичного атома 14C, приводятся опубликованные в литературе экспериментальные данные по относительному содержанию продуктов «горячей»

химии энергичного атома углерода во льду. Энергетическое распределение ядер 14С может быть использовано для моделирования торможения энергичного иона 14С в среде и химических процессов с его участием.

Параграф 3.2 посвящен описанию расчетов скорости образования 14С мюонами космических лучей во льдах. Использованы данные по потокам мюонов и данные сечений реакций из работ [21,22,23]. Характерная глубина образования радионуклида в реакциях захвата отрицательных мюонов составляет около 1000 г/см2; в реакциях, индуцированных высокоэнергичными мюонами в несколько раз больше.

Образование радионуклида происходит главным образом в верхнем слое ледника высотой несколько десятков метров.

В параграфе 3.3 описан метод расчета скоростей образования 14С во льдах для заданной высоты над уровнем моря, используются данные работ [1а,24,25] и др.

Показано, что значения скорости образования 14С во льду ядерно-активной компонентой космического излучения для полярных станций GISP2 в Гренландии, Восток и Тейлор Доум в Антарктиде в два раза больше, чем это опубликовано в работах [4,17,18].

В главе 4 проводится анализ данных по 14С в образцах льда гренландской скважины GISP2 [3а,5а]. Экспериментальные данные опубликованы в работах [17,18].

Возраст рассматриваемых образцов льда не превышает 11000 лет – начала эпохи голоцена. В параграфе 4.1 сделано введение, где обоснована целесообразность пересмотра результатов и выводов, сделанных в работах [17,18]. Учет образования радиоуглерода мюонным компонентом космических лучей, а также использование более точного значения скорости образования ядерно-активным компонентом, приводит к скорости образования 14С во льдах, которое более чем в два раза превышает значение скорости образования из работ [17,18].

Описание экспериментальных данных [17,18] дано в параграфе 4.2.

В параграфе 4.2 для рассматриваемых образцов льда приводятся результаты расчетов концентрации «атмосферного» 14С, заключенного в пузырьках воздуха во льду. Концентрация «атмосферного» 14С определялась согласно выражению [3а]:

где V – объем воздуха на единицу массы льда при нормальных условиях [17,18], pCO – объемное содержание углекислого газа в воздухе в единицах ppmv в период времени, соответствующий возрасту образца льда, N A и VM – число Авогадро и молярный объем, соответственно, – постоянная распада радиоуглерода, = 1/ лет-1, 14С/12С – «стандартное» отношение концентраций изотопов углерода в воздухе, tв – возраст воздуха в образце льда, параметр 14C характеризует отклонение содержания 14С в атмосфере Земли в прошлом от «стандартного». Размерность концентрации nатм – атом/г.

Экспериментальные значения концентрации 14С, образованного в образцах льда «in situ», определялись следующим образом [3а]:

малая поправка, вызванная наличием некоторого количества 14С, образованного во время хранения образцов льда [18].

В параграфе 4.2 приводятся результаты расчетов концентрации космогенного радионуклида 14С «in situ» на основе данных по потокам частиц вторичного космического излучения и сечений реакций образования. Концентрация радионуклида 14С «in situ» во льдах на глубине z0 равна:

где t0 – возраст льда на глубине z0, z t – зависимость от времени толщины льда над пробным слоем, z 0 = 0, P z – скорость образования радионуклида на глубине z.

Для рассматриваемых образцов льда скважины GISP2 выполняется условие z0 >> и si >>, где 1000 г/см2 – глубина образования радионуклида, s – средняя скорость аккумуляции льда в эквивалентных см льда в год, i – плотность льда. В этом случае для концентрации радионуклида С «in situ» во льдах на глубине z имеем [3а,4а]:

где Q – интегральная скорость образования радионуклида космическим излучением во льдах на заданной высоте, единица измерения Q – атом/см2/год, s – средняя скорость аккумуляции льда в период времени, соответствующий возрасту образца льда. В расчетах использовались данные по скорости аккумуляции льда s из работы [26].

В Таблице 2 приведены значения интегральных скоростей образования 14С во льду различными компонентами космического излучения для высоты полярной станции GISP2; Qn – в реакциях, вызванных частицами ядерно-активного компонента космических лучей, Q – в реакциях захвата отрицательных мюонов, Q f – в реакциях, индуцированных высокоэнергичными мюонами. Значения параметров Q соответствуют условиям высоких геомагнитных широт и среднему уровню солнечной активности. Для мюонного компонента космических лучей погрешности скоростей образования определялись на основе ошибок сечений реакций образования и потоков частиц. Для ядерно-активного компонента космических лучей погрешность скорости образования оценивалась исходя из величины расхождения расчетов и скорости образования во льдах, полученной на основе опубликованных экспериментальных значений скорости образования радиоуглерода в кварце [2а].

Таблица 2. Интегральные скорости образования 14С во льдах Рис. 3. Отношение экспериментальных данных по концентрации 14С «in situ» к расчетным значениям для образцов льда гренландского керна GISP2.

На Рис. 3 представлены значения отношения nin situ, эксп nin situ, теор. Указанные ошибки соответствуют ошибкам экспериментальных значений концентрации 14С без учета погрешности расчетов; вклад погрешности расчетов в неопределенность отношения носит систематический характер и составляет около 15-20%.

Экспериментальные значения концентрации 14С «in situ» в образцах льда систематически меньше значений, предсказываемых теорией. Штриховая линия на рисунке показывает среднее значение отношения около 0,4±0,1. В условиях низких температур ледник покрыт слоем фирна – зернистым и частично перекристаллизованным многолетним снегом. В качестве основной причины наблюдаемого дефицита концентрации 14С «in situ» в образцах льда рассматриваются процессы потерь химических соединений, содержащих 14С, зернами фирна на стадии льдообразования. Предложена простая модель накопления 14С «in situ» во льдах, учитывающая потери 14С на стадии льдообразования.

Параграф 4.3 посвящен проблеме потерь содержащих 14С химических соединений зернами фирна. На основе имеющихся в литературе данных по коэффициентам диффузии газов во льдах впервые показано, что характерные времена диффузии газов в ледяных крупинках фирна меньше времени льдообразования [3а].

Обсуждается роль процессов метаморфизма фирновых зерен в дефиците 14С «in situ»

в образцах льда в результате циклов сублимации и конденсации водяного пара происходит высвобождение летучих химических соединений, образовавшихся и содержащихся в крупинках льда. Сделан вывод, что дефицит концентрации космогенного радионуклида 14С «in situ» во льдах является закономерным результатом процессов метаморфизма фирновых зерен и диффузии содержащих 14С химических соединений.

В параграфе 4.4 обсуждаются астрофизические и геофизические факторы, которые оказывают влияние на уровень концентрации 14С «in situ» в образцах льда.

Определяющие факторы можно разделить на две группы: параметры, контролирующие скорость накопления радиоуглерода во льдах – уровень солнечной активности, геомагнитное поле, скорость аккумуляции льда, а также параметры, от которых зависит степень сохранения содержащих 14С химических соединений в зернах фирна – климатические условия. Приведены оценки степени влияния различных факторов на значения концентрации 14С «in situ» в полярных льдах. Эпоха голоцена является периодом относительно стабильных климатических условий в сравнении с предшествующими геохронологическими периодами [27].

Рассматривается возможность исключения климатических факторов при интерпретации данных по концентрации 14С «in situ» в образцах льда периода голоцена. Сделан вывод, что основным параметром, определяющим относительные вариации концентрации 14С «in situ» в образцах гренландского льда периода голоцена является уровень солнечной активности [5а].

В главе 5 проводится анализ данных по концентрации космогенного радионуклида 14С «in situ» в образцах льда антарктических скважин Восток и Тейлор Доум, опубликованных в работе [4]. Результаты этого исследования опубликованы в работах [4а,6а]. Параграф 5.1 посвящен введению, где кратко изложена основная идея расчетов.

В параграфе 5.2 дано описание экспериментальных данных [4].

В параграфе 5.3 представлены результаты расчетов концентрации 14С, образованного космическим излучением в образцах льда. Показано, что значения концентрации, предсказываемые теорией, много больше экспериментальных значений. Это означает, что космогенный радионуклид 14С «in situ» практически полностью теряется зернами фирна в результате процессов метаморфизма и диффузии. Аналогичный вывод сделан в работе [4].

Параграф 5.4 посвящен расчету концентрации 14С, который был образован космическим излучением на глубинах, превышающих толщину фирнового слоя.

Образование 14С «in situ» во льдах на таких глубинах происходит в реакциях, вызванных мюонами космических лучей. Какие-либо потери радиоуглерода льдом на таких глубинах, за исключением радиоактивного распада, невозможны.

Концентрация космогенного радионуклида 14С «in situ», который был образован космическим излучением в образцах льда на глубинах, превышающих толщину фирнового слоя, определялась по формуле:

где z0 – глубина образца льда, zc – толщина слоя фирна в период времени, соответствующий возрасту образца, t z – функция, обратная к функции зависимости глубины пробного слоя льда от времени z t. Величина параметра zc определялась с учетом изменения климатических условий – температуры окружающей среды и скорости аккумуляции льда – в периоды времени в прошлом, соответствующие возрасту образцов льда [4а]. В расчетах использовалась стационарная модель течения ледника [28].

На Рис. 4 представлены результаты расчетов концентрации космогенного радионуклида 14С «in situ» совместно с экспериментальными данными [4] для образцов льда скважины Восток. Во всех данных по концентрации 14С сделана поправка на радиоактивный распад. Расчетные значения концентрации 14С, образованного космическим излучением на больших глубинах, не превышают в пределах ошибок экспериментальные данные.

Поток мюонов во льдах не чувствителен к возможным изменениям среднего атмосферного давления и уровня солнечной активности, однако чувствителен к изменениям потока высокоэнергичных частиц галактических космических лучей.

Основной вклад в неопределенность расчетов вносят ошибки сечений реакций образования радионуклида и современного потока мюонов. Исследования содержания космогенного радионуклида 14С во льдах антарктических скважин позволят делать оценки значений потока мюонов космических лучей в периоды времени в прошлом.

В параграфе 5.5 обсуждаются особенности экспериментальных данных по концентрации космогенных радионуклидов 14С и 36Cl в образцах фирна и льда скважины Восток. Высказано предположение, что высокая степень дефицита концентрации 14С «in situ» в образцах льда и особенности распределения концентрации 36Cl в верхнем слое фирна являются следствиями длительности процессов льдообразования.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации, показана научная новизна, приведены положения, выносимые на защиту.

Положения, выносимые на защиту, под номерами 1, 3, 4 являются результатом работы, выполненной во время обучения в аспирантуре Физико-технического института, положение 2 – во время обучения и работы в СПбГПУ.

Рис. 4. Экспериментальные данные [4] и результаты расчетов для образцов льда скважины Восток [4а]. Круги – экспериментальные данные; квадраты – результаты расчета полной концентрации космогенного 14С «in situ»;

треугольники – результаты расчета концентрации 14С, образованного на глубинах, больших толщины фирнового слоя. Вертикальной чертой отмечен возраст, соответствующий глубине границы фирна и льда.

3.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые в рамках решения проблемы накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах проведено совместное рассмотрение задач распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах. Наблюдается согласие результатов расчетов потоков частиц в атмосфере с данными измерений.

Было получено, что длина ослабления потока высокоэнергичных нуклонов космических лучей во льдах на 15% меньше, чем это полагалось в предшествующих работах, посвященных полярным исследованиям.

2. На основе рассчитанных энергетических спектров частиц ядерно-активного компонента космических лучей и различных функций возбуждения реакций получены скорости образования радиоуглерода во льдах. Результат существенно зависит от используемой в расчетах функции возбуждения реакции 16O(n,X)14C.

Показано, что функция возбуждения реакции согласно [14], а также функция возбуждения, полученная в результате численного моделирования внутриядерного бинарного каскада [2а], приводят к результатам, наиболее хорошо согласующимся с опубликованными экспериментальными данными по скорости образования 14С в кварце.

3. Проведен расчет концентрации 14С в образцах льда, извлеченных из гренландской скважины GISP2. Впервые получено, что экспериментальные значения концентрации космогенного радионуклида 14С для образцов льда гренландской скважины GISP2 систематически меньше теоретически рассчитанных значений.

Построена качественная модель накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах, в которой учитываются процессы образования нуклида космическим излучением и процессы потерь на стадии льдообразования.

4. Показано, что экспериментальные данные по концентрации 14С в образцах льда, извлеченных из антарктических скважин Восток и Тейлор Доум, можно объяснить образованием радионуклида мюонами космических лучей на больших глубинах.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1а. Нестеренок А.В., Найденов В.О. Моделирование процессов распространения ядерно-активной компоненты космических лучей в атмосфере Земли // Научнотехнические ведомости СПбГПУ, серия Физико-математические науки. 2011.

№1. С. 94-98 (участие в постановке задачи, проведение численных расчетов, анализ результатов, подготовка статьи к публикации).

2а. Nesterenok A.V., Naidenov V.O. In situ formation of cosmogenic 14C by cosmic ray nucleons in polar ice // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2012.

Vol. 270. Pp. 12-18. Полный текст статьи доступен на сайте издательства с 08.10.2011. doi:10.1016/j.nimb.2011.09.026 (участие в постановке задачи, проведение численных расчетов, анализ результатов, подготовка статьи к публикации).

3а. Нестеренок А.В., Найденов В.О. Радиоуглерод в полярных льдах: механизмы сохранения в зернах фирна // Геомагнетизм и Аэрономия. 2011. Т. 51. №3. С. 425участие в постановке задачи, проведение численных расчетов, анализ результатов, подготовка статьи к публикации).

4а. Нестеренок А.В., Найденов В.О. Радиоуглерод в антарктических льдах:

образование мюонной компонентой космических лучей на больших глубинах // Геомагнетизм и Аэрономия. 2010. Т. 50. №1. С. 138-144 (участие в постановке задачи, проведение численных расчетов, анализ результатов, подготовка статьи к публикации).

5а. Нестеренок А.В., Найденов В.О. Космогенный радиоуглерод в полярных льдах как метод исследования солнечной активности // Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011».

Программа и тезисы, Санкт-Петербург, ГАО РАН, 2011. С. 95 (участие в постановке задачи, проведение расчетов, анализ результатов, представление доклада на конференции).

6а. Нестеренок А.В., Найденов В.О. Радиоуглерод в антарктических льдах:

образование мюонной компонентой космических лучей на больших глубинах // Конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА. СПб 2009». Программа и тезисы, Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2009. С. 94-95 (участие в постановке задачи, проведение расчетов, анализ результатов, подготовка статьи и представление доклада на Список литературы 1. Константинов Б.П., Кочаров Г.Е., ДАН СССР, т. 165, с. 63-64 (1965).

2. Suter M., Nuclear Instruments in Physics Research B, vol. 64, p. 321-329 (1992).

3. Блинов А.В., Научно-технические ведомости СПбГПУ, №4, c. 108-139 (2003).

4. Lal D., Jull A.J.T., Donahue D.J. et al., J. of Geophysical Research D, vol. 106, № 23, p. 31933- 5. Agostinelli S., Allisonas J., Amakoe K. et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 506, p. 250–303 (2003).

6. Geant4 Collaboration, URL: http://geant4.cern.ch/support/index.shtml, дата обращения 31.03.2011.

7. National Nuclear Data Center, URL: http://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.jsp, дата обращения http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/jendl.html, дата обращения 30.05.2011.

9. NCAS British Atmospheric Data Centre, URL: http://badc.nerc.ac.uk/view/badc.nerc.ac.uk ATOMdataent_CIRA, дата обращения 22.02.2011.

10. Usoskin I.G., Alanko-Huotari K., Kovaltsov G.A., Mursula K., J. of Geophysical Research, vol. 110, № A12, CiteID A12108 (2005).

11. Gordon M.S., Goldhagen P., Rodbell K.P. et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 51, № 6, p.

3427–3434 (2004).

12. Sato T., Niita K., Radiation Research, vol. 166, p. 544–555 (2006).

13. Imamura M., Nagai H., Takabatake M. et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 52, p. 595-600 (1990).

14. Reedy R.C., персональное сообщение 2010.

15. Michel R., персональное сообщение 2010.

16. Lal D., Nishiizumi K., Arnold J.R., J. of Geophysical Research, vol. 92, p. 4947-4952 (1987).

17. Lal D., Jull A.J.T., Burr G.S., Donahue D.J., J. of Geophysical Research C, vol. 102, p. 26505- 18. Lal D., Jull A.J.T., Burr G.S., Donahue D.J., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 172, p. 623-631 (2000).

19. Jull A.J.T., Cloudt S., Donahue D.J. et al., Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 62, p. 3025– 20. Reedy R.C., Lunar and Planetary Institute Science Conference Abstracts, vol. 38, p. 1192 (2007).

21. Rogers I.W., Tristam M., J. of Physics G: Nuclear Physics, vol. 10, p. 983-1001 (1984).

22. Heisinger B., Lal D., Jull A.J.T. et al., Earth Planetary Science Letters, vol. 200, p. 345-355 (2002).

23. Heisinger B., Lal D., Jull A.J.T. et al., Earth Planetary Science Letters, vol. 200, p. 357-369 (2002).

24. Desilets D., Zreda M., Earth and Planetary Science Letters, vol. 206, p. 21-42 (2003).

25. Boezio M., Carlson P., Franke T. et al., Physical Review D, vol. 62, p. 032007 (2000).

26. Alley R.B., Quaternary Science Reviews, vol. 19, p. 213-226 (2000).

27. Dansgaard W., Johnsen S.J., Clausen H.B. et al., Nature, vol. 364, p. 218-220 (1993).

28. Reeh N., J. of Glaciology, vol. 35, № 121, p. 406-417 (1989).