CC BY
23
УДК 551.590.21
КАКУЮ ИНФОРМАЦИЮ МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ИЗ ДАННЫХ О КОНЦЕНТРАЦИЯХ ПРИРОДНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ Ве-10 и С-14?
Ю. И. Стожков
Проведено сравнение рядов данных о концентрации радиоизотопа Ве-10 в гренландском и антарктическом льду и С-14 в кольцах деревьев. Показано, что между этими рядами данных имеются значительные расхождения. Радиоизотопы Ве-10 и С-14 образуются в атмосфере Земли космическими лучами. Однако сопоставление их концентраций с данными по космическим лучам, полученными в стратосферных измерениях, дает низкий коэффициент корреляции с потоком галактических космических лучей. Во временных зависимостях данных по Ве-10 и С-14 наблюдается достаточно сильная связь с глобальными изменениями температуры приземного слоя воздуха в период 1880-1986 гг., когда имелись одновременные измерения этих величин.
Сделан вывод о том, что на концентрации атомов Ве-10 и С-14 существенное влияние оказывают атмосферные процессы, а временные зависимости концентраций этих радиоизотопов главным образом содержат информацию об изменявшихся условиях в атмосфере, в частности, о глобальной температуре приземного слоя воздуха. Данные по Ве-10 и С-14 нецелесообразно использовать для восстановления потоков галактических космических лучей или каких-либо характеристик солнечной активности в прошлом.
В настоящее время имеются однородные ряды данных о концентрациях радионуклидов Ве-10 и С-14, которые охватывают длительные периоды времени от середины 1980-х годов до нескольких сотен тысяч лет назад [1-8]. Эти радионуклиды образуются в атмосфере Земли при ядерных взаимодействиях галактических космических лучей (ГКЛ) с ядрами атомов воздуха и затем попадают на поверхность Земли. Атомы Ве-10 хранятся в ледяных массивах Гренландии и Антарктиды, а атомы С-14 - в кольцах деревьев. Периоды полураспада радионуклидов Ве-10 и С-14 равны 1.5 млн. лет и 5730 лет, соответственно.
Год
Рис. 1. Концентрации атомов Ве-10, полученные из ледовых кернов Антарктиды (сплошная кривая) и Гренландии (пунктир) /1,3,117. Все данные сглажены с периодом 22 года. Периоды (1437-1479 гг.), (1525-1591 гг.) и (1645-1715 гг.) выделены отрезками прямых (см. текст).
Радионуклиды содержат в себе информацию о потоках ГКЛ в прошлом. Поэтому по концентрациям атомов Ве-10 и С-14, используя модели и известные сечения взаимодействий космических частиц с ядрами атомов воздуха, восстанавливают потоки ГКЛ в прошлом [см., например, 9-11]. Т.к. потоки ГКЛ модулируются солнечной активностью, то по данным Ве-10 также восстанавливают солнечную активность и гелиосферное магнитное поле в прошлом [12, 13]. При этом молчаливо предполагается, что отсутствуют другие факторы, которые могут существенно влиять на процессы выпадения радионуклидов из атмосферы на Землю.
В работе показано, что по данным о концентрациях радионуклидов Ве-10 и С-14 проблематично восстановить потоки ГКЛ в прошлом, т.к. определяющим фактором во временных зависимостях концентраций этих атомов являются изменения в атмосферных процессах [14].
Сравнение рядов данных Ве-10 и С-Ц. Имеются 2 ряда данных по Ве-10, в которых зависимость концентраций этих атомов п(Ве-Ю) от времени получена из ледовых кернов Гренландии и Антарктиды, соответственно [1, 3, 12]. Эти данные представлены на рис. 1.
При сравнении двух кривых нужно отметить следующее:
- видно, что значения п(Ве-Ю) в Антарктиде больше соответствующих величин в Гренландии в (3.5 - 4.5) раза, хотя потоки космических лучей, падающих на полярную шапку, практически одинаковы. С 1963 г. по настоящее время имеются прямые измерения потоков ГКЛ в северной и южной полярных шапках, которые показывают, что различие в потоках ГКЛ не превышает нескольких процентов [15];
- в периоды (1437-1479 гг.), (1525-1591 гг.) и (1645-1695 гг.) кривые на рис. 1 существенно сдвинуты по фазе. В период маундеровского минимума (1645-1715 гг.) временной ход данных Ве-10 в Гренландии и Антарктиде различен;
- корреляция представленных временных зависимостей п(Ве-Ю) низкая, коэффициент корреляции равен г = 0.46.
Наблюдаемые различия во временных зависимостях 2-х рядов данных по Ве-10 можно объяснить тем, что атмосферные условия существенно различались в местах, где были получены ледовые керны. Известно, что атомы Ве-10 проводят ~ 1 год в атмосфере, прежде чем попадут на поверхность Земли. За это время происходит перемешивание воздушных масс полярных, средних и экваториальных широт. Кроме того, величина осаждения радионуклидов на земную поверхность зависит от интенсивности осадков. В Антарктиде, где существует циркумполярный вихрь, уровень осадков значительно ниже, чем в Гренландии, и перемешивание воздушных масс не такое интенсивное, как в северной полярной шапке. Поэтому концентрация радионуклидов в антарктическом льду значительно выше, чем в гренландском [16].
На рис. 2 сравниваются временные зависимости гс(С-14) в кольцах деревьев и п(Ве-10) в антарктическом льду [5, 17]. Такое сравнение правомерно, т.к. имеется один и тот же источник атомов Ве-10 и С-14 - взаимодействие ГКЛ с ядрами атомов атмосферы (хотя энергии частиц ГКЛ, которые эффективно образуют атомы Ве-10 и С-14, несколько различны). Видно, что, как и на рис. 1, две кривые имеют заметные отли-
чия. Например, в период (1705-1795) гг. временные изменения п(Ве-Ю), полученные из кернов антарктического льда, и п(С-14) существенно различаются.
С-14
Ве-10 (Антарктида)
1500
1600
1900
2000
1700 1800 Год
Рис. 2. Временные зависимости концентрации атомов С-14 в кольцах деревьев (сплошная кривая, [16]^ и атомов Ве-10 в антарктическом льду (пунктир, [5]^. Период (1705-1795 гг.) отмечен отрезком прямой.
Различия в обсуждаемых временных зависимостях концентраций атомов Ве-10 и С-14 наиболее вероятно вызваны различным изменением атмосферных условий в полярной шапке и в области средних широт. Атомы Ве-10 проводят ~ 1 год в атмосфере, прежде чем попадут на поверхность Земли (в нашем случае в гренландский и антарктический льды). Атомы С-14 проводят (5-6) лет в различных резервуарах (атмосфера, океан, почва), прежде чем попадут в кольца деревьев. Поэтому изменения атмосферных условий влияют на скорость выпадения атомов Ве-10 на поверхность Земли и на переходы атомов С-14 из одного резервуара в другой и, в конечном счете, на их концентрацию в кольцах деревьев. Если бы мы использовали эти 3 ряда данных для восстановления потоков ГКЛ или солнечной активности в прошлом, то мы бы получили существенно отличающиеся друг от друга значения потоков ГКЛ и уровней солнечной активности.
Сравнение потоков космических лучей и данных по Ве-10. За период 1950-1985 гг.
Энергия частицы, ГэВ
Рис. 3. Скорость образования ф атомов Ве-10 е земной атмосфере потоком космических лучей для периодов минимума и максимума солнечной активности (сплошные и пунктирные линии, соответственно) /10/.
имеются данные п(Ве-Ю) и данные измерений потоков ГКЛ с Е > 0.1 ГэВ на границе земной атмосферы [7, 14]. Как уже упоминалось выше, ядра Ве-10 образуются в реакциях "скалывания" при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов воздуха. Скорость образования Ве-10 зависит от величины потока космических лучей и их энергетического спектра. На рис. 3 приведена рассчитанная скорость образования ядер Ве-10 в атмосфере в зависимости от энергии первичной частицы и спектра частиц для условий минимума солнечной активности, когда поток ГКЛ максимален, и для максимума солнечной активности, когда поток ГКЛ минимален [10]. Из расчетов видно, что основной вклад в образование ядер Ве-10 в атмосфере вносят космические частицы с энергией от нескольких сотен МэВ до ~ 5 ГэВ в период низкой солнечной активности и от ~ 1 ГэВ до ~ 5 ГэВ в период высокой солнечной активности. Отношение площадей под кривыми, равное отношению полного числа ядер Ве-10, которые образуют в атмосфере ГКЛ в периоды минимума и максимума солнечной активности, составляет
ВеЛИЧИНу (5 мин/¿макс) =2.1.
Таким образом, значения гг(Ве-Ю) в ледовых кернах, относящихся к периодам минимумов и максимумов солнечной активности, должны отличаться в ~ 2 раза. Если
влияние атмосферных условий на величину п(Ве-Ю) не является определяющим, то временные зависимости п(Ве-Ю) и потока ГКЛ >0.1 ГэВ) должны повторять
друг друга.
Сравним временные зависимости п(Ве-Ю), полученные из ледовых кернов Гренландии, с потоками космических лучей с Е > 0.1 ГэВ, измеренными в полярной шапке. Эти зависимости показаны на рис. 4 для периода 1950-1984 гг., когда имеются одновременные данные о п(Ве-Ю) и потоках ГКЛ. Данные о потоках ГКЛ J(E >0.1 ГэВ) были получены в стратосферных экспериментах [19].
Рис. 4. Временные зависимости концентрации атомов Ве-10 в гренландском льду (темные точки) и потоков космических лучей > 0.1 ГэВ) в полярной атмосфере (светлые кружки и квадраты).
Сопоставление двух кривых рис. 4 показывает, что в некоторые периоды максимальные значения концентраций Ве-10 наблюдались раньше максимумов потоков ГКЛ. В период 1974-1985 гг. временные изменения п(Ве-Ю) и J(E > 0.1 ГэВ) происходили в противофазе. Максимальный коэффициент корреляции этих 2-х рядов данных низкий и равен г = +0.51 ± 0.18 при временном сдвиге между данными п(Ве-Ю) и J(E >0.1 ГэВ) Дт = (1 — 2) года (при других значениях Дг величина г уменьшается) [14].
Сравним отношения экспериментально измеренных в гренландском льду величин п(Ве-Ю) в периоды минимумов и максимумов солнечной активности и отношения потоков ГКЛ, измеренных в эти же периоды.
влияние атмосферных условий на величину п(Ве-Ю) не является определяющим, то временные зависимости п(Ве-Ю) и потока ГКЛ «/(.Е > 0.1 ГэВ) должны повторять друг друга.
Сравним временные зависимости п(Ве-Ю), полученные из ледовых кернов Гренландии, с потоками космических лучей с Е > 0.1 ГэВ, измеренными в полярной шапке. Эти зависимости показаны на рис. 4 для периода 1950-1984 гг., когда имеются одновременные данные о гг(Ве-Ю) и потоках ГКЛ. Данные о потоках ГКЛ J(E > 0.1 ГэВ) были получены в стратосферных экспериментах [19].
Рис. 4. Временные зависимости концентрации атомов Ве-10 в гренландском льду (темные точки) и потоков космических лучей > 0.1 ГэВ) в полярной атмосфере (светлые кружки и квадраты).
Сопоставление двух кривых рис. 4 показывает, что в некоторые периоды максимальные значения концентраций Ве-10 наблюдались раньше максимумов потоков ГКЛ. В период 1974-1985 гг. временные изменения п(Ве-Ю) и > 0.1 ГэВ) происходили в противофазе. Максимальный коэффициент корреляции этих 2-х рядов данных низкий и равен г = +0.51 ± 0.18 при временном сдвиге между данными гс(Ве-Ю) и ,/(£ > 0.1 ГэВ) Дт = (1 — 2) года (при других значениях Дт величина г уменьшается) [14].
Сравним отношения экспериментально измеренных в гренландском льду величин гс(Ве-Ю) в периоды минимумов и максимумов солнечной активности и отношения потоков ГКЛ, измеренных в эти же периоды.
Таблица дает эти отношения при временах запаздывания данных Ве-10 по отношению к данным по космическим лучам Дт = 1 и 2 года. При таких временах запаздывания наблюдается максимальная корреляция данных Ве-10 с данными ГКЛ [14].
Таблица
Отношения потоков космических лучей с энергией Е > 0.1 ГэВ на границе атмосферы и концентраций атомов Ве-10 в гренландском льду в периоды минимумов и максимумов солнечной активности [\А]
Периоды max и min с.а. 1954/ 1958 1965/ 1958 1965/ 1970 1977/ 1970 1977/ 1981 среднее
Отношение потоков max/min (Е > 0.1 ГэВ) 2.61 2.45 2.29 2.26 2.5 2.42 ± 0.07
Отношение
концентраций атомов Ве-10 (Дт = 1 год) 2.1 1.27 1.22 1.28 0.97 1.37 ± 0.19
Отношение
концентраций атомов Ве-10 (Дт = 2 года) 1.37 2.07 2.43 1.77 0.61 1.65± 0.31
Видно, что для периодов минимумов и максимумов солнечной активности полученные из экспериментальных данных отношения концентраций атомов Ве-10 существенно меньше отношений потоков космических лучей и отношения площадей под кривыми на рис. 3.
Т.к. амплитуда 11-летнего хода потоков ГКЛ на высоких широтах составляет ~ (70 — 80)%, а на экваторе ~ (3 — 5)%, то практическое отсутствие 11-летнего хода в данных Ве-10 показывает, что в течение (1-2) лет, пока атомы Ве-10 находятся в атмосфере, происходит перемешивание воздушных масс полярных, среднеширотных и экваториальных районов [16]. Результатом такого перемешивания является малая амплитуда 11-летних изменений п(Ве-Ю).
Таким образом, сопоставление данных о Ве-10 с прямыми измерениями потоков ГКЛ показывает слабую связь между ними, несмотря на то, что ГКЛ являются единственным производителем радионуклида Ве-10 в земной атмосфере. Поэтому нельзя использовать данные о концентрации атомов радионуклидов для нахождения потоков ГКЛ в прошлом.
Рис. 5. Временные зависимости глобальной температуры приземного слоя воздуха Т (темные точки и сплошная кривая) и концентрации атомов Ве-10, полученной из гренландских льдов (светлые кружки и пунктир) [1,7]. Светлые квадраты - значения п(Ве-Ю), вычисленные из приведенного в тексте выражения (1). Значения температуры приземного слоя воздуха и концентрации атомов Ве-10 были сглажены по 5 точкам.
Потоки ГКЛ в прошлом можно найти, используя эмпирическую связь измеренных интегральных потоков ГКЛ J(E > 0.1 ГэВ) с уровнем солнечной активности где Дг - число солнечных пятен [14]. За последние ~ 50 лет, когда проводились измерения потоков ГКЛ, было установлено, что коэффициент корреляции между величинами 3(Е >0.1 ГэВ) и Дг высокий, г > 0.9. Расчеты потоков ГКЛ по солнечной активности, выполненные в [14], показывают, что за предшествующие ~ 400 лет значения J(E >0.1 ГэВ) изменялись незначительно. Это также свидетельствует о том, что временные изменения в концентрациях атомов Ве-10 и С-14 были вызваны изменениями атмосферных условий.
Связь изменений п (Ве-10) и п(С-14) с изменениями глобальной температуры приземного слоя воздуха Т. Доказательством того, что временные вариации п(Ве-Ю) и п(С-14) в основном вызваны изменениями в атмосферных процессах, является корреляция этих вариаций с изменениями глобальной температуры приземного слоя воздуха
13.4
1400 1500 1600 1700 1800
Год
1111111
1900 2000
Рис. 6. Временной ход среднегодовых значений глобальной температуры приземного слоя воздуха Т с 1423 г. по настоящее время /18/: пунктир - расчет, сплошная кривая - экспериментальные данные.
Т [18]. Впервые на такую связь было указано в [20], где был проведен спектральный анализ рядов данных Т и п(Ве-Ю). Было найдено, что на 99% уровне значимости оба ряда имеют одни и те же спектральные линии 194, ~ 64, ~ 32 и ~ 22 года).
Подобие временных зависимостей значений Т и полученных из гренландского льда значений п(Ве-Ю) видно на рис. 5. Среднегодовые значения Т и п(Ве-Ю) были сглажены по 5 точкам. Между кривыми, представленными на рис. 5, имеется значимая корреляция, г = —0.73 ± 0.05 при нулевом сдвиге между рядами данных. Нужно отметить, что в основном метеорологические станции расположены в Северном полушарии, поэтому для нахождения связи между Т и п(Ве-Ю) лучше использовать данные о Ве-10, полученные из кернов гренландского льда.
Используя данные рис. 5, значения приземной глобальной температуры Т можно выразить через величину п(Ве-Ю) следующим образом:
где Т выражается в °С, «ве(0 - в единицах 104 атомов Ве-10 на 1 г льда, & I - время в годах. Данные о концентрации атомов Ве-10 в гренландском льду имеются только
Т(*) = 13.7 • [пВе(<)]
-0.028
(1)
до 1985 г. Из вышеприведенного соотношения между значениями Т и п(Ве-Ю) можно получить временной ход величины п(Ве-10) до 2005 г. включительно, т. к. значения Т до 2005 г. известны. Рассчитанные значения гг(Ве-Ю) показаны на рис. 5 светлыми квадратами. Значения п(Ве-Ю) для периода (1986-2005 гг.) будут измерены в ближайшие годы и смогут подтвердить (или опровергнуть) правильность вышеизложенного.
На рис. 6 показан временной ход глобальной температуры приземного слоя воздуха Т для периода с 1423 г. по 1985 г., вычисленной из соотношения (1). Видно, что в этот период за ~ 450 лет значения Т выросли на величину ~ 0.2°С. Такое же соотношение между значениями Т и п(Ве-Ю) можно получить из данных по радиоуглероду С-14, однако наличие эффекта Зюсса существенно снижает достоверность такой связи.
Выводы. Приведены экспериментальные доказательства того, что временные изменения значений концентраций радиоизотопов Be-10 и С-14 в основном определяются атмосферными процессами.
Наблюдается значимая корреляция величины п(Ве-Ю) с глобальной температурой приземного слоя воздуха Т. Поданным о концентрации атомов Be-10 в кернах гренландского льда и концентрации атомов С-14 в кольцах деревьев можно определить значения Т в прошлом.
Потоки галактических космических лучей, уровень солнечной активности и гелио-сферное магнитное поле в прошлом не могут быть найдены с приемлемой точностью по данным о концентрации радиоизотопов Be-10 и С-14 из-за существенного влияния атмосферных процессов на концентрации этих элементов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J. Beer, A. Blinov, G. Bonani, et al. Nature 347, 164 (1990).
[2] M. Stuiver and T. F. Brazinuas. The Holocene 3, 289 (1993).
[3] J. Beer, St. Baumgartner, В. Dittrich-Hannen, et al. Solar Variability Traced by Cosmogenic Isotopes. In: "The Sun as a Variable Star. Solar and Stellar Irradiance Variations". Editors J.M. Pap, C. Frölich, H. S. Hudson, and S. К. Solansky (Cambridge University Press, 1994), p. 291.
[4] В. А. Дергачев. Геомагн. и аэроном. 36, 49 (1996).
[5] Е. J. Steig, P. J. Polissar, M. Stuiver, et al. Geophys. Res. Lett. 23, 523 (1996).
[6] E. Bard, G. M. Raisbeck, F. Yiou, and J. Jouzel. Plan. Sei. Lett. 150, 453 (1997).
[7] А. В. Блинов. Долгоживущие продукты ядерных реакций космических лучей в атмосфере Земли и временные вариации глобальных параметров. Докторская дис-
сертация, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург, 1997).
[8] J. Beer, S. Tobias, and N. Weiss. Solar Physics 181, 237 (1998).
[9] K. G. McCracken, F. B. McDonald, J. Beer, et al. J. Geophys. Res. 109, A12103 (2004) doi: 10.1029/2004 JA010688.
[10] K. G. McCracken. "The accuracy of Cosmogenic Be-10 as a Quantitative Measurements of the GCR". Proc. of 28-th Intern. Cosmic Ray Conf., Tsukuba, Japan, 2003. 7/7, 4127 (2004).
[11] I. G. Usoskin, K. Mursula, S. K. Solanki, et al. J. Geophys. Res. 107 (All), 13-1 (2002) doi: 10.1029/2002JA009343.
[12] R. A. Caballero-Lopez, H. Moraal, K. G. McCracken, and F. B. McDonald. J. Geophys. Res. 109, A12102 (2004) doi: 10.1029/2004JA010633.
[13] S. K. Solanki, M. Schusler, and M. Fligge. Nature 408, 445 (2000).
[14] Y. I. Stozhkov, V. P. Okhlopkov, and N. S. Svirzhevsky. Solar Physics 224 (1-2), 323 (2004).
[15] Ю. И. Стожков, H. С. Свиржевский, Г. А. Базилевская и др. Сб. Арктика и Антарктика, Наука, Москва, Вып. 3(37), 114 (2004).
[16] К. G. McCracken. J. Geophys. Res. 109, A04101 (2004) doi: 10.1029/2003JA010060.
[17] M. Stuiver, P. J. Reimer, and T. F. Braziunas. Radiocarbon 40, 1127 (1998).
[18] fttp://ftp.ncdc.noaa.gov/anomalies/global_meant_C.all.
[19] Ю. И. Стожков, H. С. Свиржевский, Г. А. Базилевская, и др. Препринт ФИАН (2007), в печати.
[20] В. И. Ермаков, В. П. Охлопков, Ю. И. Стожков. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3, 41 (2006).
Поступила в редакцию 26 декабря 2006 г.
