Космогенные нуклиды: образование и применение в геологии и астрономии.

Введение

Редкие нуклиды, образующиеся при взаимодействии высокоэнергетических космических лучей с ядром атома.

Космогенные нуклиды (или космогенные изотопы) — это редкие нуклиды (изотопы), создаваемые при взаимодействии высокоэнергетического космического луча с ядром атома в Солнечной системе, в результате чего из атома выбиваются нуклоны (протоны и нейтроны) (см. спалляция космическими лучами). Эти нуклиды образуются в земных материалах, таких как горные породы или почва, в атмосфере Земли и во внеземных объектах, таких как метеориты. Измеряя космогенные нуклиды, ученые получают информацию о различных геологических и астрономических процессах. Существуют как радиоактивные, так и стабильные космогенные нуклиды. Некоторые из этих радионуклидов — тритий, углерод-14 и фосфор-32. Считается, что определенные легкие (с низким атомным номером) первичные нуклиды (изотопы лития, бериллия и бора) были созданы не только во время Большого взрыва, но также (и, возможно, преимущественно) после Большого взрыва, но до конденсации Солнечной системы, в результате спалляции космических лучей на межзвездный газ и пыль. Это объясняет их более высокую концентрацию в космической пыли по сравнению с их содержанием на Земле. Это также объясняет избыток легких переходных металлов непосредственно перед железом в периодической таблице — спалляция космических лучей железа приводит к образованию скандия и хрома, с одной стороны, и гелия и бора — с другой. Однако произвольное определение космогенных нуклидов как образованных "in situ в Солнечной системе" (то есть внутри уже сформировавшейся части Солнечной системы) не позволяет называть "космогенными нуклидами" первичные нуклиды, образовавшиеся в результате спалляции космических лучей до формирования Солнечной системы, хотя механизм их образования абсолютно одинаков. Эти же нуклиды в небольших количествах продолжают достигать Земли с космическими лучами и образуются в метеоритах, в атмосфере, на Земле, "космогенным" путем. Однако бериллий (весь он — стабильный бериллий-9) присутствует в Солнечной системе в гораздо большем количестве, существовавшем до её конденсации, и, следовательно, содержится в материалах, из которых сформировалась Солнечная система. Чтобы провести различие иным способом, время образования определяет, какая подгруппа нуклидов, образованных в результате спалляции космических лучей, классифицируется как первичная или космогенная (нуклид не может относиться к обоим классам). По соглашению, некоторые стабильные нуклиды лития, бериллия и бора, предположительно образовавшиеся в результате спалляции космических лучей в период между Большим взрывом и формированием Солнечной системы (и, следовательно, являющиеся первичными нуклидами по определению), не называются "космогенными", хотя они образовались тем же процессом, что и космогенные нуклиды (хотя и в более ранний период времени). Первичный нуклид бериллий-9, единственный стабильный изотоп бериллия, является примером такого типа нуклидов. В отличие от него, хотя радиоактивные изотопы бериллий-7 и бериллий-10 относятся к этой серии из трех легких элементов (лития, бериллия, бора), образованных в основном в результате нуклеосинтеза спалляции космических лучей, оба этих нуклида имеют слишком короткий период полураспада (53 дня и около 1,4 миллиона лет соответственно), чтобы они могли образоваться до формирования Солнечной системы, и поэтому они не могут быть первичными нуклидами. Поскольку спалляция космических лучей — единственный возможный источник природного образования бериллия-7 и бериллия-10, они, следовательно, являются космогенными.

Cosmogenic nuclides (or cosmogenic isotopes) are rare nuclides (isotopes) created when a high energy cosmic ray interacts with the nucleus of an in situ Solar System atom, causing nucleons (protons and neutrons) to be expelled from the atom (see cosmic ray spallation). These nuclides are produced within Earth materials such as rocks or soil, in Earth's atmosphere, and in extraterrestrial items such as meteoroids. By measuring cosmogenic nuclides, scientists are able to gain insight into a range of geological and astronomical processes. There are both radioactive and stable cosmogenic nuclides. Some of these radionuclides are tritium, carbon 14 and phosphorus 32. Certain light (low atomic number) primordial nuclides (isotopes of lithium, beryllium and boron) are thought to have been created not only during the Big Bang, but also (and perhaps primarily) to have been made after the Big Bang, but before the condensation of the Solar System, by the process of cosmic ray spallation on interstellar gas and dust. This explains their higher abundance in cosmic dust as compared with their abundances on Earth. This also explains the overabundance of the early transition metals just before iron in the periodic table – the cosmic ray spallation of iron produces scandium through chromium on the one hand and helium through boron on the other. However, the arbitrary defining qualification for cosmogenic nuclides of being formed "in situ in the Solar System" (meaning inside an already aggregated piece of the Solar System) prevents primordial nuclides formed by cosmic ray spallation before the formation of the Solar System from being termed "cosmogenic nuclides"—even though the mechanism for their formation is exactly the same. These same nuclides still arrive on Earth in small amounts in cosmic rays, and are formed in meteoroids, in the atmosphere, on Earth, "cosmogenically". However, beryllium (all of it stable beryllium 9) is present primordially in the Solar System in much larger amounts, having existed prior to the condensation of the Solar System, and thus present in the materials from which the Solar System formed. To make the distinction in another fashion, the timing of their formation determines which subset of cosmic ray spallation produced nuclides are termed primordial or cosmogenic (a nuclide cannot belong to both classes). By convention, certain stable nuclides of lithium, beryllium, and boron are thought to have been produced by cosmic ray spallation in the period of time between the Big Bang and the Solar System's formation (thus making these primordial nuclides, by definition) are not termed "cosmogenic", even though they were formed by the same process as the cosmogenic nuclides (although at an earlier time). The primordial nuclide beryllium 9, the only stable beryllium isotope, is an example of this type of nuclide. In contrast, even though the radioactive isotopes beryllium 7 and beryllium 10 fall into this series of three light elements (lithium, beryllium, boron) formed mostly by cosmic ray spallation nucleosynthesis, both of these nuclides have half lives too short (53 days and ca. 1.4 million years, resp.) for them to have been formed before the formation of the Solar System, and thus they cannot be primordial nuclides. Since the cosmic ray spallation route is the only possible source of beryllium 7 and beryllium 10 occurrence naturally in the environment, they are therefore cosmogenic.

Космогенные нуклиды

Применения в геологии, перечисленные по изотопам

+ Обычно измеряемые долгоживущие космогенные изотопы элемент масса период полураспада (лет) типичное применение бериллий 10 1 387 000 датирование времени экспозиции пород, почв, ледяных кернов алюминий 26 720 000 датирование времени экспозиции пород, отложений хлор 36 308 000 датирование времени экспозиции пород, трассер для подземных вод кальций 41 103 000 датирование времени экспозиции карбонатных пород йод 129 15 700 000 трассер для подземных вод углерод-14 5730 радиоуглеродное датирование сера 35 0,24 время пребывания воды натрий 22 2,6 время пребывания воды тритий 3 12,32 время пребывания воды аргон 39 269 трассер для подземных вод криптон 81 229 000 трассер для подземных вод

Корректировки по потокам космических лучей

Поскольку Земля имеет выпячивание на экваторе, а горы и глубоководные желоба допускают отклонения в несколько километров от идеально гладкого сфероида, космические лучи бомбардируют поверхность Земли неравномерно в зависимости от широты и высоты. Таким образом, для точного определения потока космических лучей необходимо учитывать множество географических и геологических факторов. Например, атмосферное давление, которое меняется с высотой, может изменить скорость образования нуклидов в минералах в 30 раз между уровнем моря и вершиной горы высотой 5 км. Даже небольшие изменения в уклоне поверхности могут повлиять на глубину проникновения высокоэнергетических мюонов в подповерхностные слои. Сила геомагнитного поля, изменяющаяся во времени, влияет на скорость образования космогенных нуклидов, хотя в некоторых моделях предполагается, что изменения силы поля усредняются за геологическое время и не всегда принимаются во внимание.