Исследование астрофизических явлений по содержанию нитратов в полярных льдах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

С.'Ч

С- >

г-г:

¡л;

го го На правах рукописи

си С4-'

ГЛАДЫШЕВА Ольга Гарибальд^вна

УДК 550.2

ИССЛЕДОВАНИЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПО СОДЕРЖАНИЮ НИТРАТОВ В ПОЛЯРНЫХ ЛЬДАХ

( специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия )

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,,

профессор Г.Е.Кочаров.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор В.О.Найдевов,

доктор физико-математических наук, профессор О.ВЛожкин.

Ведущая организация -

Физический институт им. П.НЛебедева РАН.

Защита диссертации состоится " Р" О 7 199/т. в //час, на заседании диссертационного совета К 002.92.01 по присуждению учеиой степени кандидата физико-математических наук в Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: . 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д.65/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.

тбг.

Автореферат разослан Ученый секретарь дяссергациокного совета К 002.92.01 кандидат физ.-иат. ннук | / \ Ю.А.Наговицин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Проблема периодичности и изменчивости солнечной активности является одной из важнейших в физике. Солнца. В вариациях космических лучей содержится информация о солнечной активности в прошлом. До недавнего времени был только один метод, позволявший восстанавливать интенсивность космических лучей на временной шкале в сотнн и тысячи лет. Это метод космогенных изотопов (продуктов ядерных реакций в атмосфере под действием космических лучей). Изучение содержания нитратов в полярных льдах предоставляет новые возможности получения информации об активности Солнца в прошлом.

Содержание нитратов в ледовых кернах полярных областей является природной записью атмосферной ионизации. Нитратные ионы N02" и N03" образуются в результате диссоциации и ионизации атмосферных составляющих. Они попадают на поверхность Земли вместе с осадками и сохраняются в снежно-ледовых отложениях полярных областей, как в природных архивах. Изменение ионизации атмосферы вызывается вторжениями потоков частиц высоких энергий, излучением солнечных вспышек, взрывов сверхновых, космических гамма-всплесков и катастрофическими событиями, подобными падению Тушусского метеорита. Изучение содержания нитратов в полярных льдах позволяет получить уникальную информацию об астрофизических явлениях, произошедших сотни и тысячи лет назад.

Цель работы.

Целью настоящей работы является разработка метода, позволяющего по содержанию нитратов в полярных льдах определять характеристики различных астрофизических явлений в прошлом.

Научная новизна работы.

1) Впервые разработана модель, объясняющая связь ионизации атмосферы с содержанием нитратов в полярных ладах. Обоснована возможность сохранения информации об астрофизических явлениях- в вариациях нитратных концентраций ледовых керкоз.

2) Впервые определена величина порогового уровня плотности энергии ионизующего излучения, необходимого для сохранения информации о событии в содержании нитратов п полярном льду. Предложен метод определения верхней границы мощности солнечного протонного события по изучению содержания нитратов в ледовых кернах в прошлом.

3) Предложены механизмы генерации окислов азота при Тунгусской катастрофе, связанные с ионизацией атмосферы в результате испарения вещества метеорита и с выделением кинетической энер. ли взрыва.

Научное и практическое значение работы.

Полученные результаты могут быть использованы в работах по исследованию солнечной активности и астрофизических событий, имевших место в прошлом. Изучение редких астрофизических явлений, приводящих к большому энергэвыделению в земной атмосфере (мощные солнечные вспышки, взрывы сверхновых, Тунгусский феномен), имеет значение для определения их воздействия на климат и озоновый слой, поскольку образование нитратов тесно связано с разрушением озона.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

1. Результаты расчетов ионизации атмосферы солнечными протонами и излучением солнечных вспышек, взрывов сверхновых и космических гамма-всплесков.

2. Модель, объясняющая сохранение информации о степени ионизации атмосферы в вариациях содержания нитратов в полярном льду.

3. Количественное объяснение экспериментальных данных по увеличению концентрации нитратов во льдах Антарктиды во время Тунгусской катастрофы.

4. Обоснование возможное™ получения информации об астрофизических событиях (с большим энерговыделением в земной атмосфере) в прошлом по измерению содержания нитратов в полярных льдах.

Апробация работы.

Результаты исследований были доложены на XXIV Международной конференции по космическим лучам (Рим, 1995), VII Международной конференции по ускорительной масс-спектрометрии ('Гуссон, Аризона, 1996) и Международной конференции по космическим лучам (Москва, 1996). По материалам диссертации сделаны доклады на семинарах в Аризонском университете (США), Канзасском университете (США), Главней астрономической обсерватори РАН, Физическом институте РАН и Физико-техническом институте им.АЛ>.Иоффе.

Основной материал диссертации опубликован в 10 научных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит ш введения, пяти глав, выводов и заключения. Работа изложена на 117 стр., иллюстрирована 21 рисунком и 2 таблицами. Список литературы содержит 175 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ показана актуальность темы диссертации, ее цели и задачи, приведены основные результаты диссертационной работы, обоснована их новизна, научная и практическая значимость. •

ПЕРВАЯ ГЛАВА диссертации имеет обзорный характер. В ней обсуждается образование нитратных ионов в атмосфере, рассмотрены результаты измерения концентраций нитратов в ледовом керне. Обсуждается корреляция содержания нитратов в полярных льдах с солнечной активнсетью [1] и сохранение информации о таких астрофизических событиях, как взрывы исторических сверхновых [2] и столкновение Земли с большим метеоритом (Тунгусским) [1] в вариациях концентраций нитратов в ледовом керне.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приводится методика расчета ионизация земной атмосферы коротковолновым излучением солнечных вспышек, гамма-всплесков, ьепышек сверхновых, а также солнечными протонами.

Интенсивность исходного рентгеновского - и гамма - излучения (I0/¡ ) с дайной волны А изменяется в зависимости от высоты Н над поверхностью земли согласно закону

h^l„A-exp(-ch(H).% ), где ch(H) - функция Чеимена,

=2 6ш-ШЩ + 2 O'oj-LOJH) + б'оА-Шт + бАЛ-ЬАа(Щ>

• @ОА • " сечения поглощения излучения с дв.-шой волны Л

атомарным азотом, кислородом и аргоном, соответственно.

ЦН)

500 kxí = ^ 7 ni(h) hh, h=H

гц(И) - концентрации атмосферных составляющих: молекулярного азота (Км), молекулярного и атомарного кислорода (Ом и Оа) и аргона (Аа).

На основании расчетов изменения интенсивности излучения с высотой определялся высотный профиль ионизации атмосферы. Принималось, что на образование одной пары ион-электрон расходуется 35 эВ.

Спектр солнечных протонов представлялся степенным по энергии законом

сШМЕ = А • £4

гае Е - энергия частиц, $ - показатель спектра. Для расчетов делалось допущение, что в атмосферу попадают только частицы, имеющие угол вторжения от 0° до 65°.

Скорость образования ионных пар (2ц,к в ^'-ом атмосферном слое под воздействием моноэнергичного потока частиц с энергией Е\ и углом вторжения с(к можно записать в виде

/ Г Ецл6

к = — J Щ-— ¿п ,

35эВ йQK д Худ где /V/ - число частиц с энергией Е{,

Щ,),к ^ ~ потери энергии в /'-ом слое атмосферы частицы с энергией Е} и углом вторжения с( к . Эффективная эквивалентная толщина у-о го слоя для потока с ушом вторжения равняется

Д Х/,к = Л / со5> с(к, где д Zj действительная толщина У-го стоя атмосферы.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ обсуждаются результаты обработки экспериментальных данных по Содержанию нитратов в полярных льдах

Гренлашши за последние 40 лет. Предлагается модель, объясняющая связь ионизации атмосферы с содержанием нитратов в ледовых кернах. Подробно рассмотрены атмосферные процессы, приводящие к отложению нитратов на поверхность Земли.

Обработка нитратных данных заключалась в восстановлении по оригинальному ряду, представляющему собой зависимость концентрации нитратов от глубины -ледового керна, погодичных вариаций содержания нитратов. Результаты обработки представлены на рис.1. Проводилось сопоставление содержания нитратов в ледовом керне с данными о протонных событиях, числом солнечных пятен, геетлагнитных бурь, а также образованием окислов азота в атмосфере солнечными протонами и ядерными взрывами. В результате анализа установлено, что в нитратной записи проявляются солнечные протонные события, содержащие частицы высокой энергии (сотни МэВ). Максимумы содержания нитратов соответствуют протонным событиям с полным потоком частиц с энергией более 10 МэЗ ~ 10 Ю протонов/см^. Делается заключение, что солнечные протонные события с большим энерговыделением являются триггерным механизмом конденсационного процесса, приводящего к увеличению осаждения нитратов из атмосферы на поверхность Земли. Установлено соответствие погодичных вариаций содержания нитратов в снежно-ледовом керне с уровнем солнечной активности для 19, 20, 21 и первой половины 22 цикла (рис.1).

Автором диссертации предлагается следующая схема сохранения информации о степени ионизации атмосферы в содержании нитратов в полярных льдах (рис.2). Вторжение в атмосферу потоков высокоэнергичных частиц и коротковолнового излучения приводит к ионизации и диссоциации атмосферных составляющих, формированию окислов- азота, которые образуют нитратные ионы. Окислы азота разрушают озон, в результате чего происходит уменьшение температуры на высотах озонового слоя. В условиях понижения температуры, на нитратных ионах происходит конденсация воды или другой примеси с образованием сложных ионов и аэрозолей. При дальнейшей Кристаллизации имеет место формирование облаков, из которых, под действием силы притяжения и нисходящих воздушных потоков

>п1. , 1-1-Л . I ..I, ,!_».! I .1 I >..» .4.. »-,» I I I - '—> I «

{955 60 65 70 75 Ю 85 1990

ГОДЫ

Рис.1. Сопоставление содержания нитратов в гренландских льдах (верхняя гистограмма) с погодичным числом солнечных пятен (нижняя гистограмма). Пунктирная линия - усредненное по трем точхам содержание нитратов. Стрелками отмечены солнечные протонные события с полным потоком частиц (с энергией более 1С МэВ) у орбиты Земли протонов/см^.

Рис. 2. Схема сохранения информации об ионизации атмосферы в содержании нитратов в полярных льдах.

полярных областей, ледяные кристаллики с нитратными понами выпадают на земную поверхность.

Автор настоящей работы предлагает следующим образом определять содержанке нитратов в полярном снегу £)(У) в зависимости от года У:

й(У) = А+В (У - Уо) + (С - Д1 Ф(У) + Ра;

Член А + В (У - Уо) отражает монотонное увеличение фонового уровня содержания нитратов в полярных льдах, связанное с человеческой деятельностью, А и В -постоянные, Уо - фиксированный год. Слагаемое (С - В) ~ЩУ) опеделяет вклад солнечной активности, где ЩУ) - число солнечных пятен, С - константа, учитывающая факторы, коррелирующие с солнечной активностью, И - константа отрицательной корреляции. Ра - определяет вклад аномальных факторов, которые приводят к образованию в атмосфере более чем 1034 молекул окислов азота в год.

На рис.3 приводится сопоставление усредненного по трем точкам

отн.ед.

Рис.3. Сопоставление усредненного • по трем точкам содержания ншратов в гренландском льду ( х ) с модельным представлением.

содержания нитратов в гренландских льдах с модельным представлением. Модельная зависимость для последних 40 лет использовалась в следующем виде:

Q(Y) = 1400 + 70 (Y- 1954) + 10 W(Y) + Fa,

где Fa ; /450, если У = У* Y*+l,

l 0, во всех другах случаях, У - год события с образованием окислов азота в атмосфере 1034 молекул.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассчитывается воздействие солнечных протонных событий и гамма-излучения солнечных вспышек на ионизацию земном атмосферы. Обоснована возможность определения параметров солнечных протонных событий на временной шкале в сотни и тысячи лет путем изучения содержания нитратов в полярных льдах.

Установлено, что основная роль в образовании нитратных ионов в атмосфере (в результате ее ионизации во время солнечных вспышек) принадлежит солгйчным протонным событиям. Проведено сопоставление рассчитанного количества окислов азота, образовавшихся в атмосфере солнечными протонами в августе 1972 года, с концентрациями нитратов в снегу Антарктиды. На основании результатов расчетов сделан вывод о том, что осаждение нитратов из атмосферного столба высотой 40 км над поверхностью Земли объясняет экспериментально установленное возрастание нитратной концентрации в полярных льдах.

При сопоставлении мощности солнечных протонных событий с содержанием нитратов в ледовых кернах за последние циклы солнечной активности, получен пороговый уровень плотности энергии заряженных частиц на орбите Земли, при превышении которого событие будет зафиксировано в содержании нитратов в полярном льду (Е = 3x105 эрг см-2 месяц"'). На рис.4, где приводится распределение солнечных протонных событий, эта величина отмечена вертикальной штриховой линией.

Р(>Е) (год-1)

Ю 0

/Л

10

0

-я

3 х 105 Эрг см-2

х х

/о"

10*

ГО'

Уй6

Е (эрг см-2)

Рис.4. Интегральное распределение вероятности солнечных протонных событий в зависимости от плотности энергии у орбиты Земли.

(о) - с энергией протонов более 10 МэВ за 1955-1992

годы (настоят ;ая работа),

(х) - более 100 МэВ для 1956-1960 годов [3], •

(•) - более 20 МэВ для 1961-1972 годов [4]

Показано, что изучение содержания нитратов в полярных льдах за временной интервал в тысячи лет предоставляет возможность определения верхней границы полной энергии, приносимой на Землю протонами солнечных вспышек. Из имеющихся в настоящее время экспериментальных данных следует, что интегральное распределение вероятности появления солнечных протонных событий в области больших энергий имеет степенной спад (см. рис. 4). Определение верхнего предела мощности солнечных протонных событий представляет большой интерес, поскольку, с одной стороны, ускорение заряженных частиц в солнечных вспышках определяется

напряженностью магнитного поля, а с другой стороны, подобные события могут оказывать катастрофическое воздействие на атмосферу Земли.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена расчетам ионизации атмосферы в результате событий аномально большого энерговыделения. Предложена и обоснована возможность регистрации вспышек сверхновых и космических гамма-всплесков в прошлом по концентрациям нитратов в полярных льдах. Рассчитано образование окислов азота при 5-аком сильном воздействии на земную атмосферу, как падение Тунгусского метеорита.. Чолучено количественное согласие между экспериментальными данными и результатами расчета.

Энергии космических гамма-всплесков и взрывов сверхновых, наблюдаемых в настоящее время, недостаточно для получения статистически значимого результата в нитратной записи. Однако в прошлом могли происходить гамма-всплески илн взрывы сверхновых на близких к Земле расстояниях. Одним из претендентов на такое событие является возможный взрыв сверхновой 35 тысяч лет назад [5].

Был сделан расчет ионизации атмосферы излучением гамма- • всплеска с предполагаемой энергией 10^2 -фг, помещенного в центр нашей галактики. Результаты расчета показали, что максимум ионизации находится на высотах 20 км - 30 км и слабо зависит от зенитного угла источника. Количество окислов азота, образовавшихся при этом, сопоставимо с их образованием солнечными протонами в августе 1972 года. Если бы такое событие реально имело место в прошлом, то информация о нем сохранилась бы в содержании нитратов в полярных льдах. При расчете ионизации атмосферы излучением от взрывов сверхновых 1006 года и 35 тысяч лет назад установлено, что •Максимальная ионизация происходит на высотах озонового слоя. Воздействие ионизирующего излучения сверхновой на атмосферу Земли остается высоким в течение десятков лет. Все это время образуются окислы азота, способные каталитически разрушать озон. Астрофизические события такого рода должны проявляться в вариациях содержания нитратов в полярных льдах.

Содержание нитратов в антарктическом снегу свидетельствует об образовании в атмосфере /V 10^4 молекул окислов азота в результате Тунгусской катастрофы. В диссертации рассмотрено образование окислов азота в результате падения и взрыва Тунгусского метеорита. Получено, что высвобождение кинетической энергии Тунгусского взрыва может привести к образованию ~ 6x10^3 молекул окислов азота, в то время как учет ионизации в метеорном следе, являющейся результатом неупругих соударений, испарившихся из метеорного тела частиц с молекулами воздуха, добавляет еще ^ 6x10^3 молекул. Суммарное количество окислов азота сопоставимо с величиной, измеренной в полярном льду Антарктиды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые предложена модель, объясняющая сохранение информации о степени ионизации атмосферы в содержании нитратов в полярном льду. Установлено, что солнечные протонные события с большим энерговыделением являются триггерным механизмом конденсационного процесса, приводящего к увеличению осаждения нитратов из атмосферы на поверхность Земли..

2. Определен пороговый уровень плотности энергии на орбите Земли для астрофизических явлений, при превышении которого информация о таком событии сохраняется в содержании нитратов в полярном льду ( Е = 3x10-5 эргсм"2 месяц'1).

4. Установлена. величина общего количества окислов азота, образовавшихся в атмосфере при падении Тунгусского метеорита,

~ 1034 молекул. Предложен механизм образевания окислов азота в результате испарения метеорита во время полета и при высвобождении кинетической энергии взрыва. Получено хорошее согласие результатов расчета и экспериментальных данных.

5. Рассмотрена возможность определения параметров солнечных протонных событий в прошлом ио изучению содержания нитратов в полярных льдах. Обоснована возможность регистрации вспышек

сверхновых п космических гамма-всплесков путем концентраций нитратов яа большой временной шкале.

измерения

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Gladysheva О., Kocharov G. Solar Protons from August 1972 Flare and

Nitrates Abundance in Antarctic Snow. - Proc. XXIV Tnt. Cosmic Ray Conf., Rome, 1995, P. 1126-1128.

2. Gladysheva O., Iwasaka Y., Kocharov G., MurakTY. Unique Possibility

to Obtain (Xpper Limit of Total Energy Induced by solar Flare Protons. - Proc. XXIV Int. Cosmic Ray Conf., Rome, 1995, P.l 129-1132.

3. Гладышева О.Г., Кочаров Г.Е. Возможность изучения солнечной

активности в прошлом. - Известия Академии наук, серия физическая, т.60, № 8, 1996, с. 121-124.

4. Гладышева О.Г. Образование нитратов во время сильных солнечных

вспышек. - Геомагнетизм и аэрономия, т.36,№ 5, 1996, с. 147-150.

5. Kocharov G.E., Gladysheva O.G. Long-term variations of solar internal

and external activity - Radiocarbon, V.38, № 1, 1996, P. 68.

6. Gladysheva O.G., Kocharov G.E. On the Integrated Investigations of the

Astrophysical, Atmospheric and Geophysical Phenomena. - J. Geomag. Geoelec, V.48.'№ 9, 1996, P. 1197-1199.

7. Гладышева О.Г. Влияние солнечной активности на концентрацию •

нитратов в снегу Антарктиды. - Препринт ФТИ РАН, № 1627, -СПб, 1994, 10 с.

8. Гладышева О.Г. Содержание нитратов в :негах полярных областей

как отражение степени ионизации атмосферы. - Препринт ФТИ РАН, № 1655, СПб, 1995, 18 с.

9. Гладышева О.Г., Скородумов Д.В. Образование окиси азота в земной

атмосфере е э время Тунгусского феномена. - Препринт ФТИ РАН, № 1654, СПб, 1J95, 10 с.

10. Gladysheva O.G., Dreschhoff G.A.M. Solar Cosmic Ray and Nitrate Abundance in Polar Ice. - Препринт ФТИ РАН, № 1673, СПб, 1996, 12 с.