Естественные архивы солнечной активности и термоядерной истории Солнца за последние миллионы лет

Г. Е. Кочаров, Санкт-Петербургский государственный технический университет

Рассмотрены возможности естественных детекторов для изучения истории термоядерного горючего в недрах Солнца путем измерения содержания изотопов технеция и свинца в земной коре. Результаты высокоточных измерений содержания радиоуглерода в кольцах деревьев и прироста годичных колец за последние 8 тыс. лет выявили корреляцию между глубокими минимумами солнечной активности и депрессиями годичных колец.

Проблема будущего Солнца и Солнечной системы обсуждается в последние годы с нарастающей активностью. Для построения конкретной теоретической модели настоящего и будущего Солнца требуется знание динамики процессов в солнечном веществе за большой интервал времени, миллионы и даже миллиарды лет. Единственным источником такой информации являются те природные архивы, которые способны фиксировать время поступления солнечного сигнала, его тип и амплитуду.

Естественные архивы астрофизических явлений

Земная кора является перманентным детектором космических частиц и излучений. Только она создает принципиальную возможность установить динамику генерации термоядерной энергии в глубоких недрах Солнца за последние десятки миллионов лет. Эта возможность связана с прецизионными измерениями содержания изотопов свинца и технеция в веществе земной коры [1], [2].

Годичные кольца деревьев уже стали традиционным источником количественных данных о временных вариациях интенсивности галактических космических лучей на шкале времени от современности до 10 тыс. лет назад. Ширина годичных колец и их изотопный состав содержат информацию о солнечной активности и климатических эффектах на большой шкале времени в прошлом. Недавно было установлено, что по ширине годичных колец можно даже восстановить динамику солнечной активности на огромной шкале времени вплоть до 25 млн лет назад.

Полярный лед также является важным источником информации о вспышечной активности Солнца, взрывов сверхновых звезд и климатических эффектов. Частота и амплитуда солнечно-вспышечных протонов определяются по концентрации нитратов в датированных слоях полярного льда. Амплитудно-временные характеристики взрывов сверхновых звезд устанавливаются путем измерения временного хода концентрации космогенных изотопов 14С, 10Ве и 36Сl в датированных независимо образцах полярного льда. Эти изотопы образуются в ядерных реакциях в атмосфере Земли под действием галактических космических лучей, источником которых считаются взрывы сверхновых звезд. Эти же изотопы генерируются и под действием гамма-квантов космической природы. Согласно современному представлению, при взрыве сверхновых звезд образуются как высокоэнергичные протоны, так и жесткие гамма-кванты. Полярный лед является уникальным детектором амплитудно-временных характеристик космического гамма-излучения и высокоэнергичных протонов. Шкала времени получения астрофизической информации с использованием полярного льда в настоящее время охватывает сотни тысяч лет.

Таким образом, обнаруженные и разработанные уже архивы позволяют исследовать природу физических процессов по всему объему Солнца на огромной шкале времени в прошлом. Совместный анализ результатов современных прецизионных измерений солнечных излучений и частиц с данными расшифровки природных архивов может позволить получить уникальную информацию о солнечно-земных связях в далеком прошлом. Такая информация необходима не только для восстановления истории Солнца, но и для предсказания будущего Солнечной системы.

Солнечные нейтрино о термоядерной истории Солнца

Нейтринная палеоастрофизика – относительно новая область науки, экспериментально еще не реализована. Здесь мы лишь кратко рассмотрим основные возможности этой области науки по термоядерной истории Солнца. Идея базируется на генерации в земной коре характерных изотопов под действием солнечных нейтрино различной энергии.

Реакция 205Tl + e 205Pb + е- чувствительна к нейтрино малых энергий из-за низкого порога реакции (43 кэВ) и большого потока рр-нейтрино. Источником этой группы нейтрино является первая реакция протон-протонного цикла р + р 2D + e+ + е . Поскольку эта реакция наиболее медленная в протон-протонном цикле, она является прямым индикатором мощности горения водорода в недрах Солнца. Сравнение результатов Tl–Pb эксперимента с данными современных исследований с галлиевым детектором позволит ответить на вопросы, является ли водород единственным горючим и меняется ли мощность горения водорода во времени. Оба вопроса являются принципиально важными. Эксперименты на основе реакций

98Мo + e 98Тс + е-,

97Мo +e 97Тс + е-,

98Мo + e 97Тс + n + ечувствительны к нейтрино высокой энергии (8В-нейтрино). Поскольку поток 8В-нейтрино очень сильно зависит от центральной температуры Солнца, результаты таких экспериментов в сочетании с данными современных исследований позволят ответить на вопрос фундаментальной важности о динамике физических условий в ядре Солнца.

Установлено, что для таллиевого эксперимента наилучшими являются лорендиты в Югославии. Руда из Колорадо удовлетворяет необходимым требованиям с молибденовым детектором. Выделение из огромной массы детекторов небольшого количества атомов свинца и молибдена и их счет – задача чрезвычайного масштаба и трудности. Эксперименты по нейтринной палеоастрофизике являются крупномасштабными, дорогостоящими и требуют сотрудничества многих стран. Учитывая фундаментальную важность проблемы, можно надеяться, что в новом столетии экспериментальная нейтринная палеоастрофизика будет одной из центральных областей науки.

Годичные кольца деревьев о глубоких минимумах солнечной активности

Профессор Новороссийского университета Федор Никифорович Шведов был первым, кто понял уникальные возможности годичных колец деревьев для изучения окружающей среды. Его статья "Дерево как летопись засух" была опубликована в 1892 году в журнале "Метеорологический вестник". В настоящее время исследования по дендрохронологии, дендроклиматологии и изотопному составу годичных колец деревьев ведутся во многих странах. Есть все основания считать основоположником этой комплексной области науки нашего соотечественника Ф.Н. Шведова.

В 1965 году Б.П. Константинов и автор настоящих строк сформулировали комплексную проблему "Астрофизические явления и радиоуглерод", основанную на высокоточном измерении содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев [3]. За прошедшие 30 лет выполнен большой цикл дендроклиматохронологических и радиоуглеродных исследований учеными России, Литвы, Украины, Грузии под руководством автора данной статьи. Ниже будут рассмотрены наиболее яркие результаты в контексте обсуждаемой в работе проблемы.

Основное внимание в исследованиях было уделено проблеме долговременных вариаций интенсивности галактических космических лучей путем высокоточных измерений содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев. Напомним, что радиоуглерод 14С генерируется в атмосфере Земли в ядерных реакциях, инициируемых космическими лучами. Затем радиоуглерод совместно со стабильными изотопами 12С и 13С попадает в годичные кольца деревьев. Внесенная в кольца информация сохраняется сотни и тысячи лет. Поэтому, определяя содержание радиоуглерода в точно датированных кольцах деревьев, можно восстановить временной ход галактических космических лучей на большой шкале времени в прошлом. Известно, что с ростом энергии поток космических лучей падает. Однако чем больше энергия частиц, тем легче преодолеть магнитный экран Солнца и достичь атмосферы Земли. В результате компромисса эффективной оказывается область энергии космических лучей от 200 до 50 000 МэВ. Эффект динамики магнитного экрана хорошо проявляется в эпохи глубоких и протяженных минимумов солнечной активности.

На рис.1 приведены экспериментальные данные по временному ходу интенсивности галактических космических лучей за последние 8 тыс. лет, восстановленные по данным высокоточных измерений содержания радиоуглерода в датированных кольцах деревьев [4]. Видно, что в жизнедеятельности Солнца были регулярные и длительные минимумы активности, подобные маундеровскому минимуму (1645-1715 годы). Теория таких минимумов еще не разработана.