Космогенный радиоуглерод в полярных льдах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН

005006110 На правах рукописи

Нестерёнок 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

1 5 ДЕК 2011

Санкт-Петербург 2011

005006110

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом 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 10Ве и 36С1 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 14С в образцах льда гренландской и антарктических скважин. В работе рассматривается возможность использования данных по |4С 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 |4С 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 GISP2 систематически меньше теоретически рассчитанных значений. Подобный результат был получен ранее в работе [4] для образцов льда антарктических скважин. Таким образом, дефицит космогенного радионуклида С 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 |4С 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 |4С в образцах льда рассмотрено образование радиоуглерода во льду в реакциях, вызванных частицами ядерно-активного и мюонного компонентов космических лучей. Полученные

р1чуп.глп.1 имени значение для теоретических расчетов концентрации ,4С и ишсрмрстации экспериментальных данных.

В работе рассматривается влияние метаморфозных и диффузионных процессов в слое фирна, покрывающем ледник, на уровень концентрации космогенного радионуклида |4С в образцах фирна и льда. При интерпретации экспериментальных данных по концентрации космогенного радионуклида ИС в образцах льда периода голоцена гренландской скважины 018Р2 рассматривается возможность исключения климатических факторов. В этом случае основным параметром, определяющим относительные вариации концентрации |4С 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 |4С 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 |4С во льду на основе рассчитанных энергетических спектров частиц ядерно-активного компонента космических лучей.

3. Теоретический расчет концентрации космогенного радионуклида ,4С в образцах льда гренландской скважины 018Р2. Построение качественной модели накопления |4С в полярных льдах.

4. Теоретический расчет концентрации космогенного радионуклида |4С 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 2011 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 A.B., Найденов В.О.

2. 31 Всероссийская конференция по космическим лучам, Россия, Москва, НИИЯФ МГУ, 2010, доклад «Механизмы сохранения космогенного |4С в полярных льдах», Нестеренок A.B., 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 A.B., 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 91 страницу печатного текста, 18 рисунков и список литературы, включающий 128 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации (глава 1) показана актуальность темы диссертации, дано описание процессов образования и накопления космогенного радионуклида |4С 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 3 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 XX 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 Z>2, в потоки протонов и высокоэнергичных нейтронов в атмосфере Земли. Потоки частиц космического излучения в атмосфере, инициированные ядрами Z>2 галактических космических лучей, оценивались на основе данных, полученных для ядер 4Не 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].

Е, МэВ

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 |4С 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 1бО(п,Х)14С, где X обозначает продукты реакции. На Рис. 2 приведены экспериментальные данные и результаты теоретических расчетов для функции возбуждения реакции 160(п,Х)14С: круги - экспериментальные значения сечений [13], треугольники - сечения, предоставленные доктором Робертом Риди из Университета Нью Мексике 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 |60(п,Х)|4С с помощью пакета программ вЕАШЧ 9.4 [2а]. Для описания мсупруют

взаимодействия нейтронов с ядрами использовались данные полных сечений ^ГЛЭЬ/НЕ [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 0,3 мбарн (1 барн = 10"24 см2). Данные по сечениям, предоставленные Робертом Риди, а также функция возбуждения реакции |60(п,Х)14С, полученная в результате численного моделирования внутриядерного бинарного каскада, приводят к результатам, наиболее хорошо согласующимся с опубликованными экспериментальными данными по скорости образования 14С в кварце [2а].

В Таблице 1 приведены значения скорости образования ,4С 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 160(п,Х)'4С.

Е, МэВ

Рис. 2. Функции возбуждения реакции ,60(п,Х)'4С.

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

Ядерная реакция Данные по сечениям Скорость образования, ат/г/год

|60(п,Х)|4С [13], Р. Риди 26

Р. Михель 39

Модель каскада Бертини 66

Модель бинарного каскада 26

160(р,Зр)14С [19,20] 0,6

В работе [2а] было получено, что длина, на которой скорость образования радионуклида 14С во льдах частицами ядерно-активного компонента космических лучей уменьшается в е ~ 2,72 раз, составляет 130 г/см2. Это меньше значений 150-160 г/см2, которые использовались в работах, посвященных анализу экспериментальных данных по |4С 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 |бО(п,Х)14С [2а]. Обсуждается вопрос химических реакции с участием энергичного атома 14С, приводятся опубликованные в литературе экспериментальные данные по относительному содержанию продуктов «горячей» химии энергичного атома углерода во льду. Энергетическое распределение ядер |4С может быть использовано для моделирования торможения энергичного иона С 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 С18Р2 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 [За,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» |4С определялась согласно выражению [За]:

1 + Л14с).ехРНО,

где V- объем воздуха на единицу массы льда при нормальных условиях [17,18], pCQ2 - объемное содержание углекислого газа в воздухе в единицах ppmv в период времени, соответствующий возрасту образца льда, NA и VM - число Авогадро и молярный объем, соответственно, "к - постоянная распада радиоуглерода, "К = 1/8270 лет"', |4С/12С - «стандартное» отношение концентраций изотопов углерода в воздухе, /в - возраст воздуха в образце льда, параметр Д|4С характеризует отклонение содержания |4С в атмосфере Земли в прошлом от «стандартного». Размерность концентрации латм - атом/г.

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

"in situ, эксп — ^эксп ~~ "атм ~~ ''втор'

где лэксп - экспериментально измеренные значения концентрации 14С [17,18], пвтор -

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

В параграфе 4.2 приводятся результаты расчетов концентрации космогенного радионуклида |4С «in situ» на основе данных по потокам частиц вторичного космического излучения и сечений реакций образования. Концентрация радионуклида |4С «in situ» во льдах на глубине z0 равна:

'о

"/„„v«,Teop(zo) = \dt P[z(i)]-exp[-A(i0 -*)],

о

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 » Л и spj » ЯЛ, где А ~ 1000 г/см2 - глубина образования радионуклида, - средняя скорость аккумуляции льда в эквивалентных см льда в год, pi - плотность льда. В этом случае для концентрации радионуклида 14С «in situ» во льдах на глубине z0 имеем [За,4а]:

/ \ 00

sPi о

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 |4С во льду различными компонентами космического излучения для высоты полярной станции GISP2; Q„ - в реакциях, вызванных частицами ядерно-активного компонента космических лучей, - в реакциях захвата отрицательных мюонов, Qflf - 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

Станция а G,- Q,r &

Ю3 атом/см2/год

GISP2, Гренландия 54±10 33±9 3,2±2,1 90±14

1,2 1,0

С.

о

| 0,8

\ 0,6 е

0

1 0,4 0,2 0,0

0 3000 6000 9000 12000

Возраст образца льда, лет

Рис. 3. Отношение экспериментальных данных по концентрации 14С «in situ» к расчетным значениям для образцов льда гренландского керна G1SP2.

На Рис. 3 представлены значения отношения и,я оксп/иишм,теоР ■ Указанные

ошибки соответствуют ошибкам экспериментальных значений концентрации |4С 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 С на стадии льдообразования.

Параграф 4.3 посвящен проблеме потерь содержащих |4С 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 [За]. (Нчлж иски ро II. процессов мс|аморфшма фирновых зерен в дефиците 14С «in situ» н <h')|uiiu4 it. и - м |vi> iiuii' инк.юн с>блпмашш и конденсации водяного пара

происходит высвобождение летучих химических соединений, образовавшихся и содержащихся в крупинках льда. Сделан вывод, что дефицит концентрации космогенного радионуклида 4С «in situ» во льдах является закономерным результатом процессов метаморфизма фирновых зерен и диффузии содержащих ,4С химических соединений.

В параграфе 4.4 обсуждаются астрофизические и геофизические факторы, которые оказывают влияние на уровень концентрации |4С «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 |4С «in situ» в образцах гренландского льда периода голоцена является уровень солнечной активности [5а].

В главе 5 проводится анализ данных по концентрации космогенного радионуклида |4С «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 |4С, образованного космическим излучением в образцах льда. Показано, что значения концентрации, предсказываемые теорией, много больше экспериментальных значений. Это означает, что космогенный радионуклид |4С «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 |4С «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:

г, dz

где z0 - глубина образца льда, zc - толщина слоя фирна в период времени, соответствующий возрасту образца, i(z) - функция, обратная к функции зависимости глубины пробного слоя льда от времени z('). 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 |4С и 36С1 в образцах фирна и льда скважины Восток. Высказано предположение, что высокая степень дефицита концентрации НС «in situ» в образцах льда и особенности распределения концентрации 36С1 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.

10%

«

к и

сз &

В и а аз

о «

10J

10'

1(1 • 1 1 1 1 • • г f • ' ■

* тш р ■ т * * •

» • • • I * ? : I ;

' ч -

f f " ' "Т . i • i > ■ i i . 1 i ■ ...I

5000 10000 15000 Возраст льда, лет

20000

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 |4С, 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 ,4С 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 |бО(п,Х)'4С. 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 С 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 A.B., Найденов В.О. Моделирование процессов распространения ядерно-активной компоненты космических лучей в атмосфере Земли // Научно-технические 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., Naidcnov V.O. In situ formation of cosmogenic 14C by cosmic ray nucléons 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).

За. Нестеренок A.B., Найденов В.О. Радиоуглерод в полярных льдах: механизмы сохранения в зернах фирна // Геомагнетизм и Аэрономия. 2011. Т. 51. №3. С. 425432 (участие в постановке задачи, проведение численных расчетов, анализ результатов, подготовка статьи к публикации).

4а. Нестеренок A.B., 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 A.B., 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 конференции).

Список литературы

1. Константинов Б.П., Кочаров Г.Е., ДАН СССР, т. 165, с. 63-64 (1965).

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

3. Блинов A.B., Научно-технические ведомости СПбГПУ, №4, с. 108-139 (2003).

4. Lai D., Jull A.J.T., Donahue D.J. et al., J. of Geophysical Research D, vol. 106, № 23, p. 31933-31941 (2001).

5. Agostinclli 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 30.05.2011.

8. Nuclear Data Evaluation Center of Japan Atomic Energy Agency, URL: 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 _ATOM_dataentCIRA , дата обращения 22.02.2011.

10. Usoskin I.G., Alanko-Huotari K., Kovaltsov G.A., Mursula K., J. of Geophysical Research, vol. 110, № A12, CitelD 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 Т., 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. Lai D., Nishiizumi K„ Arnold J.R., J. of Geophysical Research, vol. 92, p. 4947-4952 (1987).

17. Lai D., Jull A.J.T., Burr G.S., Donahue DJ„ J. of Geophysical Research C, vol. 102, p. 26505-26510

(1997).

18. Lai 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. 3025-3036

(1998).

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 В., Lai D., Jull A.J.T. et al„ Earth Planetary Science Letters, vol. 200, p. 345-355 (2002).

23. Heisinger В., Lai 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).

Подписано в печать 24.11.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8412Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

I. Введение.

1.1. Актуальность темы диссертации.

1.2. Основные понятия.

1.2.1. Космические лучи.

1.2.2. Космогенный нуклид 14С.

1.2.3. Накопление космогенного нуклида 14С в полярных льдах.

1.2.4. Краткий обзор литературы.

1.3. Цель и задачи работы.

II. Статистическое моделирование распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах.

2.1. Введение.

2.2. Численная модель.

2.2.1. Спектр галактических космических лучей.

2.2.2. Модель атмосферы.

2.2.3. Физическая модель.

2.2.4. Расчет потоков частиц.

2.3. Ядерно-активный компонент космического излучения.

2.3.1. Интегральные и дифференциальные потоки нуклонов в атмосфере Земли.

2.3.2. Всенаправленный дифференциальный поток нейтронов на уровне моря.

2.3.3. Интегральные и дифференциальные потоки нейтронов во льду.

2.4. Выводы.

III. Образование 14С космическим излучением в полярных льдах.

3.1. Образование 14С во льдах нуклонами ядерно-активного компонента космического излучения на уровне моря и высоких геомагнитных широтах.

3.1.1. Сечения реакций.

3.1.2. Скорость образования 14С в приповерхностном слое льда.

3.1.3. Зависимость скорости образования |4С от глубины во льдах.

3.1.4. Распределение по энергии дочерних ядер 14С.

3.2. Образование 14С во льдах мюонами космических лучей.

3.2.1. Поток мюонов космических лучей во льдах.

3.2.2. Образование 14С высокоэнергичными мюонами.

3.2.3. Образование |4С в реакции захвата отрицательных мюонов.

3.2.4. Образование 14С во льдах на уровне моря.

3.3. Образование 14С во льдах на разных высотах над уровнем моря.

3.3.1. Образование 14С ядерно-активным компонентом космических лучей.

3.3.2. Образование 14С мюонами космических лучей.

3.3.3. Скорость образования 14С во льдах для полярных станций GISP2, Восток и Тейлор Доум.

3.4. Выводы.

IV. Анализ данных по 14С в образцах льда скважины GISP2 в Гренландии.

4.1. Введение.

4.2. Данные по 14С в образцах льда скважины GISP2.

4.2.1. Экспериментальные значения концентрации 14С в образцах льда.

4.2.2. Расчет концентрации «атмосферного» 14С и экспериментальных значений концентрации 14С «in situ» в образцах льда.

4.2.3. Теоретический расчет концентрации 14С «in situ» в образцах льда.

4.2.4. Дефицит концентрации 14С «in situ» в образцах льда скважины GISP2.

4.3. Механизмы потерь космогенного радионуклида l4C «in situ» зернами фирна.

4.3.1. Диффузия газов в фирне.

4.3.2. Метаморфизм крупинок льда в слое фирна.

4.3.3. Химические процессы на (в) зернах фирна.

4.3.4. Изотопный обмен и высвобождение газов, заключенных в зернах фирна.

4.4. Астрофизические и геофизические параметры, определяющие уровень концентрации |4С в полярных льдах.

4.5. Выводы.

V. Анализ данных по 14С в образцах льда скважин Восток и Тейлор Доум в Антарктиде.

5.1. Введение.

5.2. Экспериментальные данные по 14С в образцах льда скважин Восток и Тейлор Доум.

5.3. Полная концентрация 14С «in situ» в образцах льда.

5.3.1. Зависимость плотности фирна от глубины.

5.3.2. Расчет концентрации космогенного 14С «in situ» в образцах льда.

5.4. Концентрация |4С «in situ», образованного на глубинах, больших глубины границы фирна и льда.

5.4.1. Восстановление толщины фирнового слоя по данным климатических условий

5.4.2. Расчет концентрации 14С «in situ» в образцах льда.

5.4.3. Обсуждение результатов.

5.5. Космогенные радионуклиды 14С и 36С1 в антарктических льдах.

5.6. Выводы.

1.1. 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 [10]. Данные по космогенному радионуклиду ,4С в кольцах деревьев совместно с данными по 10Ве и 36С1 в полярных льдах являются хрониками прошлых изменений интенсивности космических лучей, солнечной активности и магнитного поля Земли, а также климатических условий [2]. В данной работе проводится детальное рассмотрение процессов образования и накопления в полярных льдах космогенного радионуклида 14С. Проводится анализ и предлагается интерпретация экспериментальных данных по 14С 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.

1.2. Основные понятия 1.2.1. Космические лучи

По природе происхождения можно выделить галактические космические лучи и солнечные энергичные частицы. Ускорение солнечных космических лучей происходит в атмосфере Солнца и в процессе их распространения в межпланетной среде. Энергия частиц солнечных космических лучей варьируется от нескольких десятков кэВ до сотен МэВ. В области больших энергий основной вклад в поток космических лучей вносят потоки частиц галактического происхождения [3,4]. Химический состав космических лучей приблизительно соответствует распространенности элементов во Вселенной за исключением повышенного содержания некоторых легких элементов и тяжелых ядер вблизи железа. Приходящие извне Солнечной системы галактические космические лучи взаимодействуют с плазмой солнечного ветра. Заряженные частицы рассеиваются и теряют энергию. Потоки частиц в гелиосфере ослабляются в низкоэнергичной части спектра. Степень ослабления -модуляции спектра — зависит от положения внутри гелиосферы и уровня солнечной активности. Минимум солнечной активности соответствует максимуму потока галактических космических лучей.

Достигнув околоземного пространства, заряженные частицы космических лучей испытывают воздействие магнитного поля Земли. Характер движения частицы в магнитном поле определяется значением жесткости частицы - отношением импульса к заряду. Для определенных направления движения частицы и местоположения над поверхностью Земли существует некоторое минимальное значение жесткости - частицы с меньшей жесткостью отклоняются в магнитном поле Земли, не достигая ее поверхности. Вблизи полярных областей магнитное поле Земли ослаблено, и возмущение потока частиц космических лучей геомагнитным полем минимально.

Попадая в атмосферу, частицы космических лучей испытывают столкновения с атомами и молекулами воздуха. В реакциях взаимодействия рождается множество вторичных частиц, которые, имея достаточную энергию, генерируют новые каскады частиц (рис. 1). В актах взаимодействия высокоэнергичных нуклонов с ядрами атомов рождаются заряженные и нейтральные я-мезоны. Заряженные пионы могут либо вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха, либо распасться на мюон и нейтрино, давая начало мюонному компоненту излучения. Нейтральные я°-мезоны распадаются на гамма-кванты, которые в кулоновском поле ядер рождают электрон-позитронные пары. Тормозное излучение электронов и позитронов приводит к появлению фотонов электромагнитного излучения.

Среди вторичного излучения различают ядерно-активный, электромагнитный и мюонный компоненты. Часть вторичного космического излучения достигает поверхности Земли, где также способно вступить во взаимодействие с веществом и вызвать рождение новых частиц. Основной вклад в развитие каскада частиц вторичного космического излучения в атмосфере Земли и в веществе земной поверхности вносят частицы галактических космических лучей. Энергий частиц солнечных космических лучей, как правило, недостаточно для генерации каскадных процессов в атмосфере. компонент компонент

Рис. 1. Взаимодействие первичной частицы с веществом атмосферы и рождение вторичного космического излучения

6.1. Основные выводы и результаты работы

Данная работа посвящена детальному рассмотрению процессов образования и накопления космогенного радионуклида 14С в полярных льдах.

В работе приводятся результаты статистического моделирования процессов распространения космического излучения в атмосфере Земли и в полярных льдах. В расчетах получены всенаправленные дифференциальные и интегральные потоки протонов и нейтронов ядерно-активного компонента космического излучения в атмосфере и во льдах. Задачи распространения космического излучения в двух средах рассматриваются неразрывно. Согласие результатов расчетов потоков частиц в атмосфере с данными измерений и результатами расчетов других авторов можно рассматривать как косвенное подтверждение справедливости результатов расчетов во льдах, где аналогичное сравнение невозможно вследствие отсутствия экспериментальных данных. Полученные энергетические спектры нуклонов ядерно-активного компонента космических лучей используются для расчета скорости образования радионуклида 14С во льдах.

Проводится анализ экспериментальных данных по !4С в образцах льда гренландской скважины GISP2. Показано, что экспериментальные значения концентрации |4С «in situ» систематически меньше теоретически рассчитанных значений, что указывает на потери 14С зернами фирна во время льдообразования. Дефицит концентрации 14С «in situ» во льдах является закономерным результатом процессов метаморфизма фирновых зерен и диффузии содержащих 14С химических соединений. Проводится рассмотрение астрофизических и геофизических параметров, определяющих уровень концентрации 14С «in situ» в образцах льда. Рассматривается возможность исключения климатических факторов при интерпретации данных по концентрации ,4С «in situ» в образцах льда периода голоцена. В этом случае основным параметром, определяющим относительные вариации концентрации 14С «in situ» во льдах является уровень солнечной активности.

Проводится анализ экспериментальных данных по ,4С в образцах льда антарктических скважин Восток и Тейлор Доум. Показано, что значительная часть концентрации 14С в образцах льда антарктических скважин обусловлена образованием радиоуглерода мюонами космических лучей. Исследования космогенного нуклида |4С в антарктических льдах позволят решать такие задачи, как ограничение значений потока мюонов космических лучей в периоды времени прошлом.

6.2. 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 GISP2 систематически меньше теоретически рассчитанных значений. Подобный результат был получен ранее для образцов льда антарктических скважин [20]. 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 |4С в образцах льда антарктических скважин обусловлена образованием радиоуглерода мюонами космических лучей.

6.3. 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 |4С глубинным образованием радионуклида мюонами космических лучей.

Автор выражает благодарность своему педагогу и научному руководителю Виктору Олеговичу Найденову за неоценимую помощь и руководство научной работой. Особую благодарность автор выражает педагогу и научному руководителю Дмитрию Александровичу Варшаловичу за поддержку на пути становления как молодого ученого. Благодарю также всех преподавателей и сотрудников кафедры «Космические исследования» СПбГПУ за бескорыстное отношение к своей работе, а также за понимание и теплое отношение к своим ученикам.

Выражаю благодарность своим коллегам и друзьям за помощь и оптимизм. Огромное спасибо всем членам семьи за понимание и поддержку.

VI. Заключение

1. Константинов Б.П., Кочаров Г.Е. Астрофизические явления и радиоуглерод // ДАН СССР. 1965. Т. 165. С. 63-64.

2. Блинов A.B. Долгоживущие космогенные радионуклиды как индикаторы физических процессов в окружающей среде // Научно-технические ведомости СПбГГТУ. 2003. № 4. С. 108-139.

3. Блинов A.B. Космические лучи; учеб. пос. для вузов. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. 154 с.

4. Панасюк М.И. Странники Вселенной или эхо Большого взрыва. Фрязино: «Век 2», 2005. 272 с.

5. Дергачев В.А. Радиоуглеродный хронометр // Природа. 1994. Т. 1. № 1. С. 3-15.

6. Нестеренок A.B., 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.

7. Нестеренок A.B., Найденов В.О. Радиоуглерод в полярных льдах: механизмы сохранения в зернах фирна // Геомагнетизм и Аэрономия. 2011. Т. 51. №3. С. 425-432.

8. Нестеренок A.B., Найденов В.О. Моделирование процессов распространения ядерно-активной компоненты космических лучей в атмосфере Земли // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011. № 1. С. 94-98.

9. Suter М. Accelerator mass spectrometry fascinating applications and their technical challenges // Nuclear Instruments in Physics Research B. 1992. Vol. 64. Pp. 321-329.

10. 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.

11. Ice Core Contributions to Global Change Research: Past Successes and Future Directions / National Ice Core Laboratory, Ice Core Working Group. May 1998. URL: http://www.nicl-smo.sr.unh.edu/icwg/publications.shtml. Дата обращения 6.05.2011.

12. Fireman E.L., Norris T.L., Ages and composition of gas trapped in Allan Hills and Byrd core ice // Earth and Planetary Science Letters. 1982. Vol. 60. Pp. 339-350.

13. Lai D., Nishiizumi K., Arnold J.R. In situ cosmogenic 3H, 14C, and Be for determining the net accumulation and ablation rates of ice sheets // Journal of Geophysical Research B. 1987. Vol. 92. Pp. 4947-4952.

14. Lai D., Jull A.J.T. On determining ice accumulation rates in the past 40000 years using in situ cosmogenic 14C //Geophysical Research Letters. 1990. Vol. 17. Pp. 1303-1306.

15. Wilson A.T., Donahue D.J. AMS Radiocarbon dating of ice: validity of the technique and the problem of cosmogenic in-situ production in polar ice cores // Radiocarbon. 1992. Vol. 34. No. З.Рр 431-435.

16. Radiocarbon analysis of the EPICA Dome С ice core: no in situ 14C from the firn observed / A.F.M. de Jong, C. Alderliesten, K. van der Borg et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2004. Vol. 223-224. Pp. 516-520.

17. In search of in situ radiocarbon in Low Dome ice and firn / A.M. Smith, V.A. Levchenko, D.M. Etheridge et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2000. Vol. 172. Pp.610-622.

18. In situ produced 14C by cosmic ray muons in ablating Antarctic ice / W.J.M. van der Kemp, C. Alderliesten, K. van der Borg et al. // Tellus B. 2002. Vol. 54. No. 2. Pp. 186-192.

19. Polar ice ablation rates measured using in situ cosmogenic ,4C / D. Lai, A.J.T. Jull, D.J. Donahue et al. //Nature. 1990. Vol. 346. Pp. 350-352.

20. Lai D., Jull A.J.T. Studies of cosmogenic in-situ 14CO and 14CC>2 produced in terrestrial and extraterrestrial samples: experimental procedures and applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1994. Vol. 92. Pp. 291-296.

21. Measurements of cosmic-ray-produced 14C in firn and ice from Antarctica / A.J.T. Jull, D. Lai, D.J. Donahue et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1994. Vol. 92. Pp. 326-330.

22. On the characteristics of cosmogenic in situ l4C in some GISP2 Holocene and late glacial ice samples / D. Lai, A.J.T. Jull, G.S. Burr, D.J. Donahue // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2000. Vol. 172. Pp. 623-631.

23. O'Brien K. Cosmic-ray propagation in the atmosphere // Nuovo Cimento A Serie. 1971. Vol.3. Pp. 521-547.

24. Cosmic-ray spectra as calculated from atmospheric hadron cascades / M. Lumme, M. Nieminen, J. Peltonen et al. // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 1984. Vol. 10. No 5. Pp. 683-694.

25. Masarik J., Reedy R.C. Terrestrial comogenic-nuclide production systematics calculated from numerical simulations //Earth and Planetary Science Letters. 1995. Vol. 136. Pp. 381-395.

26. Masarik J., Beer J. Simulation of particle fluxes and cosmogenic nuclide production in the Earth's atmosphere // Journal of Geophysical Research. 1999. Vol. 104. No D10. Pp. 1209912111.

27. Masarik J., Kim K.J., Reedy R.C. Numerical simulations of in situ production of terrestrial cosmogenic nuclides // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2007. Vol. 259. Pp. 642-645.

28. Masarik J., Beer J. An updated simulation of particle fluxes and cosmogenic nuclide production in the Earth's atmosphere // Journal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114. No. D11. CitelD D11103.

29. Gleeson L.J., Axford W.I. Solar modulation of galactic cosmic rays // Astrophysical Journal. 1968. Vol. 154. Pp. 1011-1026.

30. Heliospheric modulation of cosmic rays: Monthly reconstruction for 1951-2004 / I.G. Usoskin, K. Alanko-Huotari, G.A. Kovaltsov, K. Mursula // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110. No. A12. CitelD A12108.

31. Steinhilber F., Abreu J.A., Beer J. Solar modulation during the Holocene // Astrophysics and Space Science Transactions. 2008. Vol. 4. Pp. 1-6.

32. The production of cosmogenic nuclides in stony meteoroids by galactic cosmic-ray particles / I. Leya, H.-J. Lange, S. Neumann et al. // Meteoritics & Planetary Science. 2000. Vol. 35. Pp. 259-286.

33. Wiebel-Sooth B., Biermann P.L., Meyer H. Cosmic rays. VII. Individual element spectra: prediction and data // Astronomy and Astrophysics. 1998. Vol. 330. Pp. 389-398.

34. Shea M.A., Smart D.F. A World Grid of Calculated Cosmic Ray Vertical Cutoff Rigidities for 1980 // International Cosmic Ray Conference. 1983. Vol. 3. P. 415.

35. The absolute flux or protons and helium at the top of the atmosphere using IMAX / W. Menn, M. Hof, O. Reimer et al. // Astrophysical Journal. 2000. Vol. 533. Pp. 281-297.

36. The cosmic-ray proton and helium spectra between 0.4 and 200 GV / M. Boezio, P. Carlson, T. Francke et al. // Astrophysical Journal. 1999. Vol. 518. Pp. 457-472.

37. Precise measurement of cosmic-ray proton and helium spectra with the BESS spectrometer / T. Sanuki, M. Motoki, H. Matsumoto et al. // Astrophysical Journal. 2000. Vol. 545. Pp. 11351142.

38. Cosmic protons / J. Alcaraz, B. Alpat, G. Ambrosi et al. // Physics Letters B. 2000. Vol. 490. Pp.27-35.

39. Helium in near Earth orbit / J. Alcaraz, B. Alpat, G. Ambrosi et al. // Physics Letters B. 2000. Vol. 494. Pp. 193-202.

40. U.S. Standard Atmosphere 1976 / Committee on Extension to the Standard Atmosphere COESA. Washington D.C.: U.S. Government Printing Office, 1976. 241 p.

41. The COSPAR International Reference Atmosphere CIRA-86 / NCAS British Atmospheric

42. Data Centre. URL: http://badc.nerc.ac.uk/view/badc.nerc.ac.ukATOM dataent CIRA .

43. Дата обращения 22.02.2011.

44. Geant4 a simulation toolkit / S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2003. Vol. 506. Pp. 250-303.

45. Geant4 Physics reference manual / Geant4 Collaboration. URL: http://geant4.cern.ch/support/index.shtml. Дата обращения 31.03.2011.

46. Mochiutti E. Atmospheric and Interstellar Cosmic Rays Measured with the CAPRICE98 Experiment: PhD Thesis. Stockholm, 2003. 188 p.

47. Gosse J.C., Phillips F.M. Terrestrial in situ cosmogenic nuclides: theory and application // Quaternary Science Reviews. 2001. Vol. 20. Pp. 1475-1560.

48. Measurement of the flux and energy spectrum of cosmic-ray induced neutrons on the ground / M.S. Gordon, P. Goldhagen, K.P. Rodbell et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2004. Vol. 51. No. 6. Pp. 3427-3434.

49. Ziegler J.F. Terrestrial cosmic ray intensities // IBM Journal of Research and Development. 1998. Vol. 42. No. l.Pp. 117-139.

50. Neutron and proton fluxes in the atmosphere / Home page of Jozef Masarik. URL: http://masarik.dnp.fmph.uniba.sk/toky.html. Дата обращения 11.08.2011.

51. Sato T., Niita К. Analytical Functions to Predict Cosmic-Ray Neutron Spectra in the Atmosphere // Radiation Research. 2006. Vol. 166. Pp. 544-555.

52. Cosmic-Ray Neutron Energy Spectrum / W.N. Hess, H.W. Patterson, R. Wallace, E.L. Chupp // Physical Review. 1959. Vol. 116. Pp. 445-457.

53. Ashton F., Edwards H.J., Kelly G.N. The spectrum of cosmic ray neutrons at sea level in the range 0.4-1.2 GeV // Journal of Physics A: General Physics. 1971. Vol. 4. P. 352.

54. The Level of Solar Modulation of Galactic Cosmic Rays from 1997 to 2005 as Derived from ACE Measurements of Elemental Energy Spectra / M.E. Wiedenbeck, A.J. Davis, R.A. Leske et al. // International Cosmic Ray Conference. 2005. Vol. 2. P. 277.

55. New neutron and proton production cross section measurements for cosmic ray studies / J.M. Sisterson, J. Vincent, S. Yen et al. // Lunar and Planetary Institute Science Conference Abstracts. 1999. Vol. 30. P. 1202.

56. Reedy R.C., Arnold J.R. Interaction of solar and galactic cosmic-ray particles with the moon // Journal of Geophysical Research. 1972. Vol. 77. No. 4. Pp. 537-555.

57. Kim K.J., Masarik J., Reedy R.C. Numerical simulations of production rates for 10Be, 26A1 and 14C in extraterrestrial matter using the MCNPX code // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2010. Vol. 268. Pp. 1291-1294.

58. Michel R. Персональное сообщение. 2010.

59. I4C depth profiles in Apollo 15 and 17 cores and lunar rock 68815 / A.J.T. Jull, S. Cloudt, D.J. Donahue et al. // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1998. Vol. 62. Pp. 3025-3036.

60. Reedy R.C. Proton cross sections for producing cosmogenic radionuclides // Lunar and Planetary Institute Science Conference Abstracts. 2007. Vol. 38. P. 1192.

61. Dugan В., Lifton N., Jull A.J.T. New production rate estimates for in situ cosmogenic 14C // Geochimica et Cosmochimica Acta Supplement. 2008. Vol. 72. P. 231.

62. Dugan B. New Production Rate Estimates for In situ Cosmogenic 14C from Lake Bonneville, Utah, and Northwestern Scotland: Master Thesis. The University of Arizona, USA, 2008. 51 p.

63. Desilets D., Zreda M., Prabu T. Extended scaling factors for in situ cosmogenic nuclides: New measurements at low latitude // Earth and Planetary Science Letters. 2006. Vol. 246. Pp. 265276.

64. Production of selected cosmogenic radionuclides by muons: 2.Capture of negative muons / B. Heisinger, D. Lai, A.J.T. Jull et al. // Earth Planetary Science Letters. 2002. Vol. 200. Pp. 357-369.

65. Cosmogenic Nuclide Production Rates: Carbon-14 from Neutron Spallation / A.J.T. Jull, P.A.J. Englert, D.J. Donahue et al. // Lunar and Planetary Institute Science Conference Abstracts. 1989. Vol. 20. Pp. 490-491.

66. Studies of the production rate of cosmic-ray produced 14C in rock surfaces / A.J.T. Jull, N. Lifton, W.M. Phillips, J. Quade //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1994. Vol. 92. Pp. 308-310.

67. Kollar D. Neutron Cross Sections and Interactions of Cosmic Ray Particles with Terrestrial and Extraterrestrial Matter: PhD Thesis. Comenius University in Bratislava, Bratislava, 2003. 112 p.

68. Бекман И.Н. Курс лекций по радиохимии: Химический факультет МГУ, кафедра радиохимии. 2006. URL: http://profbeckman.narod.ru/RHO.htm . Дата обращения 17.07.2011.

69. Rogers I.W., Tristam M. The absolute depth-intensity curve for cosmic-ray muons underwater and the integral sea-level momentum spectrum in the range 1-100 GeV/c // Journal of Physics G: Nuclear Physics. 1984. Vol. 10. Pp. 983-1001.

70. Production of selected cosmogenic radionuclides by muons. 1. Fast muons / B. Heisinger, D. Lai, A.J.T. Jull et al. //Earth Planetary Science Letters. 2002. Vol. 200. Pp. 345-355.

71. Measurement of cosmic ray muon flux in the Belgrade ground level and underground laboratories / A. Dragic, D. Jokovic, R. Banjanac et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2008. Vol. 591. Pp. 470-475.

72. Measday D.F. The nuclear physics of muon capture // Physics Reports. 2001. Vol. 354. Pp. 243-409.

73. Dunai T.J. Scaling factors for production rates of in situ produced cosmogenic nuclides: a critical réévaluation // Earth and Planetary Science Letters. 2000. Vol. 176. Pp. 157-169.

74. Desilets D., Zreda M. Spatial and temporal distribution of secondary cosmic-ray nucléon intensities and applications to in situ cosmogenic dating // Earth and Planetary Science Letters. 2003. Vol. 206. Pp. 21-42.

75. Addressing solar modulation and long-term uncertainties in scaling secondary cosmic rays for in situ cosmogenic nuclide applications / N.A. Lifton, J.W. Bieber, J.M. Clem et al. // Earth and Planetary Science Letters. 2005. Vol. 239. Pp. 140-161.

76. Measurement of the flux of atmospheric muons with the CAPRICE94 apparatus / M. Boezio, P. Carlson, T. Franke et al. // Physical Review D. 2000. Vol. 62. ID 032007.

77. Lai D. In situ produced cosmogenic isotopes in terrestrial rocks // Annual review of earth and planetary sciences. 1988. Vol. 16. Pp. 355-388.

78. The Greenland Summit Ice Cores CD-ROM. URL: http://www.ncdc.noaa.gov /paleo/icecore/greenland/summit/index.html . Дата обращения 8.05.2011.

79. Российские Антарктические Станции обзорная информация. URL: http://www.aari.aq/defaultru.html. Дата обращения 9.05.2011.

80. The Greenland Ice Sheet Project 2 depth-age scale: Methods and results / D.A. Meese, A.G. Gow, R.B. Alley et al. // Journal of Geophysical Research C. 1997. Vol. 102. Pp. 2641126423.

81. Alley R.B. The Younger Dryas cold interval as viewed from central Greenland // Quaternary Science Reviews. 2000. Vol. 19. Pp. 213-226.

82. Cuffey K.M., Clow G.D. Temperature, accumulation, and ice sheet elevation in central Greenland through the last deglacial transition // Journal of Geophysical Research C. 1997. Vol. 102. Pp. 26383-26396.

83. Age scale of the air in the summit ice: Implication for glacial-interglacial temperature change / J. Schwander, T. Sowers, J.-M. Barnola et al. // Journal of Geophysical Research D. 1997. Vol. 102. Pp. 19483-19493.

84. National Climatic Data Center. Ice Core Data. URL: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore.html. Дата обращения 9.05.2003.

85. Climate and atmospheric history of the past 420000 years from the Vostok ice core, Antarctica / J.R. Petit, J. Jouzel, D. Raynaud et al. //Nature. 1999. Vol. 399. Pp. 429-436.

86. McCracken K.G., Beer J., McDonald F.B. The Long-Term Variability of the Cosmic Radiation Intensity at Earth as Recorded by the Cosmogenic Nuclides // ISSI Scientific Reports Series. 2005. Vol. 3. Pp. 83-97.

87. Jockel P., Brenninkmeijer C.A.M. The seasonal cycle of cosmogenic CO at the surface level: A solar cycle adjusted, zonal-average climatology based on observations // Journal of Geophysical Research D. 2002. Vol. 107. P. 4656.

88. Reeh N. The age-depth profile in the upper part of a steady-state ice sheet // Journal of Glaciology. 1989. Vol. 35. No. 121. Pp. 406-417.

89. Carbon dioxide concentration in bubbles of natural cold ice / A. Neftel, H. Oeschger, J. Schwander, B. Stauffer // Journal of Physical Chemistry. 1983. Vol. 87. Pp. 4116-4120.

90. Hemmingsen E. Permeation of gases through ice // Tellus. 1959. Vol. 11. Pp. 355-359.

91. CO2 diffusion in polar ice: observations from naturally formed CO2 spikes in the Siple Dome (Antarctica) ice core / J. Ahn, M. Headly, M. Wahlen et al. // Journal of Glaciology. 2008. Vol. 54. No. 187. Pp. 685-695.

92. Ikeda-Fukuzawa Т., Kawamura K., Hondoh T. Mechanism of molecular diffusion in ice crystals // Molecular Simulation. 2004. Vol. 30. Pp. 973-979.

93. Albert M.R., Shultz E.F. Snow and firn properties and air-snow transport processes at Summit, Greenland // Atmospheric Environment. 2002. Vol. 36. Pp. 2789-2797.

94. Perrier S., Sassin P., Dominé F. Diffusion and solubility of HCHO in ice: preliminary results //Canadian Journal of Physics. 2003. Vol. 81. Pp. 319-324.

95. Thibert E., Dominé F. Thermodynamics and Kinetics of the Solid Solution of HC1 in Ice // Journal of Physical Chemistry B. 1997. Vol. 101. Pp. 3554-3565.

96. Huthwelker T., Ammann M., Peter T. The Uptake of Acidic Gases on Ice // Chemical Reviews. 2006. Vol. 106. Pp. 1375-1444.

97. Bender M., Sowers T., Brook E. Gases in ice cores // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, colloquium "Carbon Dioxide and Climate Change". 1997. Vol. 94. Pp. 8343-8349.

98. Duval P., Castelnau O. Dynamic Recrystallization of Ice in Polar Ice Sheets // Journal de Physique IV. 1995. Vol. 5. Pp. 197-205.

99. Alley R.B., Woods G.A. Impurity influence on normal grain growth in the GISP2 ice core, Greenland //Journal of Glaciology. 1996. Vol. 42. Pp. 255-260.

100. Dash J.G., Rempel A.W., Wettlaufer J.S. The physics of premelted ice and its geophysical consequences // Reviews of Modern Physics. 2006. Vol. 78. Pp. 695-741.

101. An overview of snow photochemistry: evidence, mechanisms and impacts / A.M. Grannas, A.E. Jones, J. Dibb et al. // Atmospheric Chemistry and Physics. 2007. Vol. 7. Pp. 4329-4373.

102. Ocampo J., Klinger J. Adsorption of N2 and CO2 on ice // Journal of Colloid and Interface Science. 1982. Vol. 86. No. 2. Pp. 377-383.

103. Johnson K.S. Carbon dioxide hydration and dehydration kinetics in seawater // Limnology and Oceanography. 1982. Vol. 27. Pp. 849-855.

104. Experimental and Theoretical Reinvestigation of CO Adsorption on Amorphous Ice / C. Manca, C. Martin, A. Allouche, P. Roubin // Journal of Physical Chemistry B. 2001. Vol. 105. Pp. 12861-12869.

105. Baker I., Cullen D. and Iliescu D. The microstructural location of impurities in ice // Canadian Journal of Physics. 2003. Vol. 81. Pp. 1-9.

106. Assonov S.S., Brenninkmeijer C.A.M., Jockel P. The 180 isotope exchange rate between firn air CO2 and the firn matrix at three Antarctic sites // Journal of Geophysical Research D. 2005. Vol. 110. P. 18310.

107. Holocene thinning of the Greenland ice sheet / B.M. Vinther, S.L. Buchardt, H.B. Clausen et al. //Nature. 2009. Vol. 461. Pp. 385-388.

108. Evidence for general instability of past climate from a 250-kyr ice-core record / W. Dansgaard, S.J. Johnsen, H.B. Clausen et al. // Nature. 1993. Vol. 364. Pp. 218-220.

109. Extending the Vostok ice-core record of paleoclimate to the penultimate glacial period / J. Jouzel, N.I. Barkov, J.M. Barnola et al. //Nature. 1993. Vol. 364. Pp. 407-412.

110. Synchronous Climate Changes in Antarctica and North Atlantic / E.J. Steig, EJ. Brook, J.W.C. White et al. // Science. 1998. Vol. 282. Pp. 92-95.

111. Clow G.D., Waddington E.D. Acquisition of borehole temperature measurements from Taylor Dome and the dry valleys for paleoclimate reconstruction // Antarctic Journal of U.S. 1996. Vol. 31. Pp. 71-72.

112. Wisconsinan and Holocene climate history from an ice core at Taylor Dome, Western Ross Embayment, Antarctica / E.J. Steig, D.L. Morse, E.D. Waddington et al. // Geografiska Annaler A. 2000. Vol. 82. Pp. 213-235.

113. Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya. Simple relations for the close-off depth and age in dry-snow densification // Annals of Glaciology. 2008. Vol. 49. Pp. 71-76.

114. What was the surface temperature in central Antarctica during the last glacial maximum? / T. Blunier, J. Schwander, J. Chappellaz et al. // Earth and Planetary Science Letters. 2004. Vol.218. Pp. 379-388.

115. The Taylor Dome Antarctic 180 Record and Globally Synchronous Changes in Climate / P.M. Grootes, E.J. Steig, M. Stuiver et al. // Quaternary Research. 2001. Vol. 56. Pp. 289-298.

116. Bender M.L. Orbital tuning chronology for the Vostok climate record supported by trapped gas composition // Earth and Planetary Science Letters. 2002. Vol. 204. Pp. 275-289.

117. Atomic and Nuclear Properties of Materials / Particle Data Group (PDG). URL: http://pdg.lbl.gov/2010/AtomicNuclearProperties/. Дата обращения 3.04.2011.

118. Bomb-test CI measurements in Vostok snow (Antarctica) and the use of 36C1 as a dating tool for deep ice cores / R.J. Delmas, J. Beer, H.-A. Synal et al. // Tellus B. 2004. Vol. 56. Pp. 492-498.