Estestvennye arhivy solnechnoi aktivnosti i termoyadernoi istorii Solnca za poslednie milliony let

G. E. KOChAROV

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tehnicheskii universitet

Rassmotreny vozmozhnosti estestvennyh detektorov dlya izucheniya istorii termoyadernogo goryuchego v nedrah Solnca putem izmereniya soderzhaniya izotopov tehneciya i svinca v zemnoi kore. Rezul'taty vysokotochnyh izmerenii soderzhaniya radiougleroda v kol'cah derev'ev i prirosta godichnyh kolec za poslednie 8 tys. let vyyavili korrelyaciyu mezhdu glubokimi minimumami solnechnoi aktivnosti i depressiyami godichnyh kolec.

Problema budushego Solnca i Solnechnoi sistemy obsuzhdaetsya v poslednie gody s narastayushei aktivnost'yu. Dlya postroeniya konkretnoi teoreticheskoi modeli nastoyashego i budushego Solnca trebuetsya znanie dinamiki processov v solnechnom veshestve za bol'shoi interval vremeni, milliony i dazhe milliardy let. Edinstvennym istochnikom takoi informacii yavlyayutsya te prirodnye arhivy, kotorye sposobny fiksirovat' vremya postupleniya solnechnogo signala, ego tip i amplitudu.

Estestvennye arhivy astrofizicheskih yavlenii

Zemnaya kora yavlyaetsya permanentnym detektorom kosmicheskih chastic i izluchenii. Tol'ko ona sozdaet principial'nuyu vozmozhnost' ustanovit' dinamiku generacii termoyadernoi energii v glubokih nedrah Solnca za poslednie desyatki millionov let. Eta vozmozhnost' svyazana s precizionnymi izmereniyami soderzhaniya izotopov svinca i tehneciya v veshestve zemnoi kory [1], [2].

Godichnye kol'ca derev'ev uzhe stali tradicionnym istochnikom kolichestvennyh dannyh o vremennyh variaciyah intensivnosti galakticheskih kosmicheskih luchei na shkale vremeni ot sovremennosti do 10 tys. let nazad. Shirina godichnyh kolec i ih izotopnyi sostav soderzhat informaciyu o solnechnoi aktivnosti i klimaticheskih effektah na bol'shoi shkale vremeni v proshlom. Nedavno bylo ustanovleno, chto po shirine godichnyh kolec mozhno dazhe vosstanovit' dinamiku solnechnoi aktivnosti na ogromnoi shkale vremeni vplot' do 25 mln let nazad.

Polyarnyi led takzhe yavlyaetsya vazhnym istochnikom informacii o vspyshechnoi aktivnosti Solnca, vzryvov sverhnovyh zvezd i klimaticheskih effektov. Chastota i amplituda solnechno-vspyshechnyh protonov opredelyayutsya po koncentracii nitratov v datirovannyh sloyah polyarnogo l'da. Amplitudno-vremennye harakteristiki vzryvov sverhnovyh zvezd ustanavlivayutsya putem izmereniya vremennogo hoda koncentracii kosmogennyh izotopov ¹⁴S, ¹⁰Ve i ³⁶Sl v datirovannyh nezavisimo obrazcah polyarnogo l'da. Eti izotopy obrazuyutsya v yadernyh reakciyah v atmosfere Zemli pod deistviem galakticheskih kosmicheskih luchei, istochnikom kotoryh schitayutsya vzryvy sverhnovyh zvezd. Eti zhe izotopy generiruyutsya i pod deistviem gamma-kvantov kosmicheskoi prirody. Soglasno sovremennomu predstavleniyu, pri vzryve sverhnovyh zvezd obrazuyutsya kak vysokoenergichnye protony, tak i zhestkie gamma-kvanty. Polyarnyi led yavlyaetsya unikal'nym detektorom amplitudno-vremennyh harakteristik kosmicheskogo gamma-izlucheniya i vysokoenergichnyh protonov. Shkala vremeni polucheniya astrofizicheskoi informacii s ispol'zovaniem polyarnogo l'da v nastoyashee vremya ohvatyvaet sotni tysyach let.

Takim obrazom, obnaruzhennye i razrabotannye uzhe arhivy pozvolyayut issledovat' prirodu fizicheskih processov po vsemu ob'emu Solnca na ogromnoi shkale vremeni v proshlom. Sovmestnyi analiz rezul'tatov sovremennyh precizionnyh izmerenii solnechnyh izluchenii i chastic s dannymi rasshifrovki prirodnyh arhivov mozhet pozvolit' poluchit' unikal'nuyu informaciyu o solnechno-zemnyh svyazyah v dalekom proshlom. Takaya informaciya neobhodima ne tol'ko dlya vosstanovleniya istorii Solnca, no i dlya predskazaniya budushego Solnechnoi sistemy.

Solnechnye neitrino o termoyadernoi istorii Solnca

Neitrinnaya paleoastrofizika – otnositel'no novaya oblast' nauki, eksperimental'no eshe ne realizovana. Zdes' my lish' kratko rassmotrim osnovnye vozmozhnosti etoi oblasti nauki po termoyadernoi istorii Solnca. Ideya baziruetsya na generacii v zemnoi kore harakternyh izotopov pod deistviem solnechnyh neitrino razlichnoi energii.

Reakciya ²⁰⁵Tl + _e ²⁰⁵Pb + e^- chuvstvitel'na k neitrino malyh energii iz-za nizkogo poroga reakcii (43 keV) i bol'shogo potoka rr-neitrino. Istochnikom etoi gruppy neitrino yavlyaetsya pervaya reakciya proton-protonnogo cikla r + r ²D + e⁺ + ^e . Poskol'ku eta reakciya naibolee medlennaya v proton-protonnom cikle, ona yavlyaetsya pryamym indikatorom moshnosti goreniya vodoroda v nedrah Solnca. Sravnenie rezul'tatov Tl–Pb eksperimenta s dannymi sovremennyh issledovanii s gallievym detektorom pozvolit otvetit' na voprosy, yavlyaetsya li vodorod edinstvennym goryuchim i menyaetsya li moshnost' goreniya vodoroda vo vremeni. Oba voprosa yavlyayutsya principial'no vazhnymi. Eksperimenty na osnove reakcii

⁹⁸Mo + _e ⁹⁸Ts + e^-,

⁹⁷Mo +_e ⁹⁷Ts + e^-,

⁹⁸Mo + _e ⁹⁷Ts + n + e^-

chuvstvitel'ny k neitrino vysokoi energii (⁸V-neitrino). Poskol'ku potok ⁸V-neitrino ochen' sil'no zavisit ot central'noi temperatury Solnca, rezul'taty takih eksperimentov v sochetanii s dannymi sovremennyh issledovanii pozvolyat otvetit' na vopros fundamental'noi vazhnosti o dinamike fizicheskih uslovii v yadre Solnca.

Ustanovleno, chto dlya tallievogo eksperimenta nailuchshimi yavlyayutsya lorendity v Yugoslavii. Ruda iz Kolorado udovletvoryaet neobhodimym trebovaniyam s molibdenovym detektorom. Vydelenie iz ogromnoi massy detektorov nebol'shogo kolichestva atomov svinca i molibdena i ih schet – zadacha chrezvychainogo masshtaba i trudnosti. Eksperimenty po neitrinnoi paleoastrofizike yavlyayutsya krupnomasshtabnymi, dorogostoyashimi i trebuyut sotrudnichestva mnogih stran. Uchityvaya fundamental'nuyu vazhnost' problemy, mozhno nadeyat'sya, chto v novom stoletii eksperimental'naya neitrinnaya paleoastrofizika budet odnoi iz central'nyh oblastei nauki.

Godichnye kol'ca derev'ev o glubokih minimumah solnechnoi aktivnosti

Professor Novorossiiskogo universiteta Fedor Nikiforovich Shvedov byl pervym, kto ponyal unikal'nye vozmozhnosti godichnyh kolec derev'ev dlya izucheniya okruzhayushei sredy. Ego stat'ya "Derevo kak letopis' zasuh" byla opublikovana v 1892 godu v zhurnale "Meteorologicheskii vestnik". V nastoyashee vremya issledovaniya po dendrohronologii, dendroklimatologii i izotopnomu sostavu godichnyh kolec derev'ev vedutsya vo mnogih stranah. Est' vse osnovaniya schitat' osnovopolozhnikom etoi kompleksnoi oblasti nauki nashego sootechestvennika F.N. Shvedova.

V 1965 godu B.P. Konstantinov i avtor nastoyashih strok sformulirovali kompleksnuyu problemu "Astrofizicheskie yavleniya i radiouglerod", osnovannuyu na vysokotochnom izmerenii soderzhaniya radiougleroda v godichnyh kol'cah derev'ev [3]. Za proshedshie 30 let vypolnen bol'shoi cikl dendroklimatohronologicheskih i radiouglerodnyh issledovanii uchenymi Rossii, Litvy, Ukrainy, Gruzii pod rukovodstvom avtora dannoi stat'i. Nizhe budut rassmotreny naibolee yarkie rezul'taty v kontekste obsuzhdaemoi v rabote problemy.

Osnovnoe vnimanie v issledovaniyah bylo udeleno probleme dolgovremennyh variacii intensivnosti galakticheskih kosmicheskih luchei putem vysokotochnyh izmerenii soderzhaniya radiougleroda v godichnyh kol'cah derev'ev. Napomnim, chto radiouglerod ¹⁴S generiruetsya v atmosfere Zemli v yadernyh reakciyah, iniciiruemyh kosmicheskimi luchami. Zatem radiouglerod sovmestno so stabil'nymi izotopami ¹²S i ¹³S popadaet v godichnye kol'ca derev'ev. Vnesennaya v kol'ca informaciya sohranyaetsya sotni i tysyachi let. Poetomu, opredelyaya soderzhanie radiougleroda v tochno datirovannyh kol'cah derev'ev, mozhno vosstanovit' vremennoi hod galakticheskih kosmicheskih luchei na bol'shoi shkale vremeni v proshlom. Izvestno, chto s rostom energii potok kosmicheskih luchei padaet. Odnako chem bol'she energiya chastic, tem legche preodolet' magnitnyi ekran Solnca i dostich' atmosfery Zemli. V rezul'tate kompromissa effektivnoi okazyvaetsya oblast' energii kosmicheskih luchei ot 200 do 50 000 MeV. Effekt dinamiki magnitnogo ekrana horosho proyavlyaetsya v epohi glubokih i protyazhennyh minimumov solnechnoi aktivnosti.

Na ris.1 privedeny eksperimental'nye dannye po vremennomu hodu intensivnosti galakticheskih kosmicheskih luchei za poslednie 8 tys. let, vosstanovlennye po dannym vysokotochnyh izmerenii soderzhaniya radiougleroda v datirovannyh kol'cah derev'ev [4]. Vidno, chto v zhiznedeyatel'nosti Solnca byli regulyarnye i dlitel'nye minimumy aktivnosti, podobnye maunderovskomu minimumu (1645-1715 gody). Teoriya takih minimumov eshe ne razrabotana.

Ris. 1. Vremennoi hod koncentracii radiougleroda v godichnyh kol'cah derev'ev za poslednie 8 tys. let

Ris. 2. Prirost godichnyh kolec derev'ev na shkale vremeni poslednie 8 tys. let

Unikal'nye ochevidcy proshlogo – kol'ca derev'ev ne tol'ko pomnyat pogodichnyi hod soderzhaniya radiougleroda v zemnoi atmosfere, no i koncentracii stabil'nyh izotopov ¹³S i deiteriya, kotorye yavlyayutsya indikatorami paleotemperatury. Krome togo, shirina godichnyh kolec derev'ev soderzhit ne tol'ko informaciyu o solnechnoi aktivnosti, no i o lokal'nyh usloviyah (temperatura, osadki i t.d.). Provedennyi nami analiz [5] zakonomernostei prirostov sosny ostistoi v zasushlivyh gornyh raionah SShA pozvolil vyyavit' glubokie depressii v prirostah godichnyh kolec (ris.2), sinhronnyh s maksimumami intensivnosti galakticheskih kosmicheskih luchei (sm. ris.1). Yasno, chto osnovnym dirizherom vos'mitysyacheletnego global'nogo zemnogo predstavleniya yavlyaetsya Solnce. Obrashaet na sebya vnimanie, chto harakternyi masshtab regulyarnogo umen'sheniya amplitudy depressii prirosta sostavlyaet 5000 let. Vozmozhno, zdes' proyavlyaetsya moduliruyushee deistvie avtokolebanii klimaticheskoi sistemy atmosfera – glubinnyi okean – ledniki. V techenie poslednih dvuh tysyacheletii nablyudalos' ponizhenie srednego urovnya prirostov, na fone kotorogo tem ne menee otchetlivo proyavlyayutsya minimumy, sinhronnye s minimumami solnechnoi aktivnosti.

Naibolee podrobno po kosvennym dannym izuchena evolyuciya Solnca za poslednee tysyacheletie. Kak v variaciyah soderzhaniya radiougleroda v kol'cah derev'ev, tak i po soderzhaniyu ¹⁰Ve v kernah antarkticheskih i grenlandskih l'dov nadezhno ustanovleny tri ekstremal'nyh perioda deyatel'nosti Solnca: maunderovskii, shpererovskii i Vol'fa. Analiz pyati hronologii hvoinyh porod derev'ev v gornyh i severnyh raionah Vostochnoi Evropy i Zapadnoi Sibiri pozvolyaet zaklyuchit', chto nablyudaetsya ne tol'ko povsemestnoe sinhronnoe snizhenie prirostov v ukazannye periody, no i sovpadenie harakternyh detalei variacii kak po shirine kolec, tak i po soderzhaniyu radiougleroda v nih.

Takim obrazom, mozhno zaklyuchit', chto periody tipa minimuma Maundera yavlyayutsya harakternymi dlya evolyucii Solnca, privodya k global'nym izmeneniyam na Zemle, chetko fiksiruemym kol'cami derev'ev.

Pogodichnye variacii koncentricii nitratov v polyarnom l'du za poslednie 415 let, solnechnye vspyshki i klimaticheskie effekty

Desyat' let nazad G.A. Dreshhoff, E.Dzh. Zeller i G.E. Kocharov podrobno obsudili problemu glubokih minimumov Solnca i prishli k vyvodu o neobhodimosti kompleksnogo podhoda s ispol'zovaniem metodov kosmogennyh izotopov (FTI RAN) i nitratnogo (Kanzasskii universitet, SShA).

V 1992 godu byla organizovana special'naya ekspediciya v Grenlandiyu, kotoraya pozvolila poluchit' unikal'nye dannye po koncentracii nitratov za interval vremeni s 1576 do 1991 goda (415 let).

Kosmogennyi radiouglerod pozvolyaet ustanovit' vremennye variacii galakticheskih kosmicheskih luchei solnechnoi aktivnost'yu. Koncentraciya zhe nitratov v polyarnom l'du yavlyaetsya indikatorom vremeni i moshnosti solnechnoi vspyshki. Specialistam v oblasti solnechnyh vspyshek horosho izvestna vspyshka 1859 goda (karringtonovskaya vspyshka). V opticheskom diapazone ona byla ochen' moshnoi. Nitratnyi arhiv pozvolil opredelit' intensivnost' i vremennuyu strukturu potokov uskorennyh protonov ot etoi vspyshki (ris.3). Protonnyi signal takzhe okazalsya ochen' bol'shim.

V ramkah nauchnogo sotrudnichestva mezhdu FTI RAN i Universitetom shtata Kanzas (SShA) provedena statisticheskaya obrabotka unikal'nyh dannyh s ispol'zovaniem nekotoryh metodov analiza: spektral'nyi, spektral'no-vremennoi, kogerentno-vremennoi.

Ris. 3. Nitratnyi sled moshnoi vspyshki 1859 goda

Osnovnye vyvody vypolnennyh issledovanii sleduyushie.

1. Maksimumy koncentracii nitratov za period s 1715 goda do nastoyashego vremeni korreliruyut s fazami rosta i spada solnechnoi aktivnosti. Etot vyvod polnost'yu soglasuetsya s dannymi pryamyh registracii solnechnyh protonov za poslednie 40 let. Takoe soglasie i znachitel'noe rasshirenie diapazona vremeni ot chetyreh do 25 solnechnyh ciklov svidetel'stvuyut v pol'zu fundamental'nosti yavleniya.

2. Vo vremya maunderovskogo minimuma solnechnoi aktivnosti v nitratnom signale net 5,5-letnei garmoniki, chto mozhno rassmatrivat' kak svidetel'stvo otsutstviya v period glubokogo minimuma znachitel'nyh protonnyh vspyshek.

Na ris.4 predstavleny imeyushiesya dannye po razlichnym temperaturnym indikatoram v sravnenii s pogodichnym hodom koncentracii nitratov v central'noi Grenlandii. Nesmotrya na nepolnotu privedennyh dannyh, mozhno predpolozhit', chto dolgovremennyi trend koncentracii nitratov imeet klimaticheskuyu prirodu.

Ris. 4. Sravnitel'nyi analiz vremennogo hoda koncentracii nitratov v polyarnom l'du i variacii temperatury po razlichnym indikatoram: temperatura central'noi Anglii, shirina godichnyh kolec sosny v Kalifornii

V zaklyuchenie otmetim, chto imeyutsya i drugie prirodnye detektory chastic i izluchenii. Ochen' perspektivnym ob'ektom yavlyaetsya lunnyi grunt. On soderzhit unikal'nuyu informaciyu o kolichestvennoi istorii generacii solnechnyh kosmicheskih luchei. Hranitelem takoi informacii yavlyayutsya izotopy, generirovannye v lunnom grunte solnechnymi kosmicheskimi luchami. Sama solnechnaya atmosfera takzhe soderzhit informaciyu o generacii v nei razlichnyh izotopov solnechnymi kosmicheskimi luchami. Precizionnye izmereniya izotopnogo sostava solnechnogo vetra, gamma-linii spokoinogo Solnca i koncentracii harakternyh izotopov v lunnom grunte pozvolyat ustanovit' intimnye osobennosti zhiznedeyatel'nosti Solnca za desyatki millionov let. Etoi probleme avtor nadeetsya posvyatit' special'nuyu stat'yu.

Literatura

[1]. Kocharov G.E. // Izv. RAN. Ser. fiz. 1996. T. 60, S. 112.
[2]. Kocharov G.E., Ogurcov M.G. // Sovremennye problemy solnechnoi ciklichnosti. Sankt-Peterburg: Gl. astron. observatoriya, 1997. S. 130.
[3]. Konstantinov A.N., Kocharov G.E. // Dokl. AN SSSR. 1965. T. 165, S. 63.
[4]. Kocharov G.E., Vasil'ev V.A., Dergachev V.A., Ostryakov V.M. // Pis'ma v "Astron. zhurn.". 1983. T. 4. S. 206-210.
[5]. Kocharov G.E., Konstantinov A.N., Ostryakov V.M., Stupneva A.I. // Solnech. dannye. 1986. T. 4. C. 84-89.

Publikacii s klyuchevymi slovami: radiouglerodnyi analiz - dendrohronologiya - zemnaya kora - izotopnyi analiz - Solnce - Solnechnaya aktivnost' Publikacii so slovami: radiouglerodnyi analiz - dendrohronologiya - zemnaya kora - izotopnyi analiz - Solnce - Solnechnaya aktivnost'
Sm. takzhe: Treugol'nyi protuberanec nad Solncem Eruptivnyi protuberanec na Solnce Gaiya: vot poyavlyaetsya Solnce Solnechnyi tanec Protuberancy i volokna na aktivnom Solnce Vozvrashenie znamenitoi aktivnoi oblasti i vspyshka klassa X na Solnce Vybros solnechnogo volokna Vse publikacii na tu zhe temu >>