22. Земля — детектор излучения

22. Земля — детектор излучения

ВОПРОС: Трудно представить, как сверхновая, расположенная за миллионы миль, может создать на Земле новые элементы, такие как радиоуглерод. Как это может произойти?

Даже хотя космические лучи от сверхновой крайне малы, они движутся столь быстро, что могут причинить существенный ущерб, когда попадают в другие атомы — такие, как атмосферный азот. Когда космические лучи врезаются в атомы атмосферных газов и Землю, то, помимо создания множества различных частиц, они производят и радиоактивные изотопы, некоторые из которых имеют время полураспада тысячи и даже миллионы лет. Самыми важными изотопами космического происхождения из тех, что создаются космическими лучами, являются углерод-14 (¹⁴С), бериллий-10 (¹⁰Ве), алюминий-26 (²⁶Аl), хлор-36 (³⁶Cl) и кальций-41 (⁴¹Са). Для нас ¹⁴С является самым важным, поскольку излучение сверхновой производит его мною. Как мы уже видели, имеет место внезапный, резкий подъем уровня радиоуглерода, относящийся примерно ко времени 41 тысячу лет назад.

ВОПРОС: Может, что-либо кроме сверхновой или столкновения вызвало увеличение количества ¹⁴С?

Давайте посмотрим, что происходит с ¹⁴С, который космические лучи создают в нашей атмосфере. ¹⁴С становится радиоактивным диоксидом углерода (¹⁴СО₂), который вместе с СО₂ земной атмосферы растворяется в почве и океане и поступает в растения. Перемещение ¹⁴СО₂ становится частью более глобального круговорота углерода

Чтобы понять «Событие», которое включает в себя и значительное увеличение количества радиоуглерода, нам нужно понять, как уровни радиоуглерода могут возрастать или уменьшаться. Во-первых, нам нужно пересмотреть один ключевой момент: чтобы имело место большое возрастание, которое мы видим в записях уровня радиоуглерода, «что-то» должно добавить большое количество радиоуглерода в атмосферу. Ученые знают, что атмосфера содержит по большей части нерадиоактивный СО₂ — радиоактивного ¹⁴СО₂ содержится только 750 тонн (менее 2 процентов) из примерно 41 тысячи тонн всего количества СО, Количество ¹⁴С в атмосфере равно его количеству на Земле и в океане, и космические лучи в настоящее время производят около 5 тонн ¹⁴СО₂ в год в атмосфере, что превышает количество, которое разрушается в воздухе, на земле и в море. 750 тонн ¹⁴СО₂ представляют для нас особый интерес, поскольку что-то удвоило содержание ^|4С до примерно 82 000 тонн где-то 41 тысячу лег назад Содержание радиоуглерода в воздухе внезапно возросло более чем на 50 процентов, после чего радиоуглерод растворился в океане, но в атмосфере осталось еще 1500 тонн; позднее он разрушился.

Мог ли этот избыток радиоуглерода иметь земные причины? Большое количество обычного углерода (¹²С) есть в земле и содержится в угле, нефти и других источниках отложившегося в древности углерода, но они не содержат радиоуглерода Это означает, что, если вулканическое извержение или горение ископаемых освободит углерод из этих древних источников в атмосферу, доля радиоуглерода в общем объеме СО₂ только уменьшится, а не увеличится, т. е. произойдет обратное тому, что было во время «События». Таким образом, вулканы и горение каменноугольных залежей не могут быть причиной возрастания количества радиоуглерода.

Большое количество радиоуглерода накопили океаны, так что давайте посмотрим, как они могут повлиять на положение вещей. Если бы океаны внезапно освободили тысячи тонн СО₂ в атмосферу, к примеру, из-за внезапных изменений температуры воды или перемешивания донных пород то небольшие порции ¹⁴СО₂, высвобожденные из океана, не изменили бы долю ¹⁴СО₂, поскольку соотношение одинаково для океана и воздуха. С другой стороны, если бы общее содержание СО₂ на Земле внезапно уменьшилось в объеме из-за изменений океанических течений, количество ¹⁴С в атмосфере не могло бы увеличиться сразу — чтобы это произошло, потребовалось бы 10 тысяч лет.

Так что еще может внезапно произвести еще 41 тысяч тонн радиоуглерода? Вспышка сверхновой приводит к излучению гамма-лучей, нейтронов и космических лучей — все они могут производить ¹⁴С в атмосфере. Подсчеты Томми Раушера и коллег показывают, что сверхновая типа II, которая в двадцать пять раз массивнее нашего Солнца, может привести к появлению ¹⁴С в количествах, в 10 миллионов раз больше его уровня на Земле. Таким образом, внезапный выброс радиации, космических лучей или продуктов взрыва, богатых радиоуглеродом, может резко удвоить количество ¹⁴СО₂ в атмосфере. Этот сценарий — единственный, который хорошо соответствует всем фактам, известным нам в отношении значительного возрастания уровня радиоуглерода.

ВОПРОС: Есть ли научные доказательства того, что вспышка сверхновой привела, к возрастанию уровня радиоуглерода?

Да, есть научные доказательства возрастания уровня радиоуглерода благодаря вспышке сверхновой. После взрыва сверхновой SN1006 в 1006 году н. э., по прошествии 1000 лет, Пол Дэмон стал искать подобные следы в годовых кольцах деревьев, имеющих датировку. Он выбрал секвойи в роще Биг-Стамп в национальном паре Секвойя, поскольку эти деревья живут больше тысячи лет и могут иметь следы вспышки сверхновой Полученные Дэмоном результаты показаны на илл. 22.1.

_{Илл. 22.1 Возрастание количества радиоуглерода в кольцах дерева в 1006 г. н. э. приписывается сверхновой SN1006. На протяжении нескольких лет ¹⁴С смешивался с атмосферой и растворялся в океане. Данные из Дэмона и др. (1995)}

Он обнаружил, что количество ¹⁴С возросло на величину, эквивалентную постоянному добавлению (250 тонн) ¹⁴С в окружающую среду. Как вы можете вспомнить из главы 21, все количество радиоуглерода в атмосфере составляет только примерно 250 тонн, так что «Событие» привело к увеличению количество радиоуглерода на одну треть всего за несколько секунд — при нормальном космическом излучении это возрастание могло произойти только за пятьдесят лет.

РАДИОУГЛЕРОД В ГЛУБОКОВОДНЫХ ОСАДКАХ

Мы можем убедиться, что исторически зафиксированная сверхновая оставила свой след в данных, полученных радиоуглеродным методом в относительно недавнее время. Илл. 22.2 показывает намного более древние данные, относящиеся ко времени до появления письменности. Эго данные, полученные радиоуглеродным методом, из морских осадков в Исландии. На этом графике используется термин дельта ¹⁴С, который означает превышение количества ¹⁴С от существующего ныне уровня ¹⁴С (что равно 0 процентов дельта ¹⁴С). График показывает три основных пика увеличения количества радиоуглерода:

_{Илл. 22.2. Данные по радиоуглероду из прибрежных осадков Исландии за последние 46 тысяч лет. Внезапные возрастания происходили 41, 34 и 13 тысяч лет назад. Данные по Воелкеру и др. (1998)}

• 41 тысяча лет назад. В это время содержание радиоуглерода внезапно увеличилось до дельты, равной 150 процентов, что эквивалентно 250-процентному возрастанию в количестве радиоуглерода Это соответствует первому выбросу излучения сверхновой.

• 30 тысяч лет назад. Дельта ¹⁴С возрастает до этого времени, затем происходит еще одно резкое возрастание. Дельта ¹⁴С стремительно поднимается на 175 процентов. Это соответствует прибытию ударной волны сверхновой.

• 13—16 тысяч лет назад. Содержание радиоуглерода снова уменьшается до почти что нормального уровня вплоть до этого времени, когда следует третье резкое возрастание. Оно означает приход вещества, выброшенного сверхновой.

Подобное резкое возрастание в ¹⁴С на Земле может быть вызвано только внезапным возрастанием космического излучения или прямым осаждением радиоуглерода от прилетевшего небесного тела. Между подобными событиями радиоуглерод на Земле исчезает с обычным для ¹⁴С временем полураспада.

Толстая серая кривая на илл 22.2 показывает ожидаемый период распада внезапно появившегося радиоуглерода ¹⁴С с периодом полураспада 5730 лет. Жирная более светлая серая кривая показывает скорость, с которой увеличивалось бы количество радиоуглерода на Земле из-за удвоения космического излучения за определенный период. Как показывает график, это привело бы к увеличению на 70 процентов дельта ¹⁴С на Земле за 10 тысяч лет.

Этот график позволяет нам проанализировать расстояние до сверхновой. Если внезапное возрастание количества радиоуглерода ¹⁴С произошло благодаря вспышке сверхновой, мы можем сравнить это с увеличением ¹⁴С на кольцах дерева oт SN1006 (см. илл. 22.1). SN1006 оказывается в 2180 парсеках (7100 световых лет) от Земли и вызывает возрастание содержания радиоуглерода на 0,61 ±0,16 процентов, сверхновая, взорвавшаяся 41 тысячу лет назад, привела к внезапному возрастанию ¹⁴С в прибережных осадках Исландии по меньшей мере на 150 процентов. Данные по SN1006 говорят, что это возрастание происходило в течение десяти лет. Данные же осадков у берегов Исландии свидетельствуют о пятидесяти годах, так что пик содержания радиоуглерода должен быть в пять раз выше. Если мы возьмем время, за которое сверхновая SN1006 вызвала повышение количества радиоуглерода на Земле, и попытаемся оценить расстояние до сверхновой, вызвавшей повышение количества углерода 41 тысячу лет назад, то получим расстояние в 200 световых лет (62 парсека) от Земли. Оно очень хорошо соответствует определенному учеными расстоянию до сверхновой Геминги. Если события, произошедшие 34 тысячи лет назад, являются результатом распространения ударной волны от сверхновой, летящей со скоростью 10 000 км/с, тогда прибытие ее через 7000 лет после взрыва соответствует расстоянию в 230 световых лет от Земли (72 парсека) — эта цифра довольно хорошо соответствует первой оценке.

ВОПРОС: Итак, мы видим, что вспышка сверхновой породила повышение количества ¹⁴С, но было ли что-нибудь еще, что отразилось на Земле?

На протяжении определенного времени под влиянием сверхновой появилось большое количество изотопов, которые были вынесены в космос расширяющейся ударной волной. Когда Земля встретила выброшенное сверхновой вещество, эти изотопы отложились в осадках, кольцах деревьев и ледниках. Сегодня ученые могут определить сверхновые давнего времени, изучая накопление пришедших из космоса изотопов по геологическим данным. Кроме сверхновых не известно ничего, что бы могло увеличить количество этих изотопов одновременно по всей Земле.

К примеру, радиоактивный изотоп бериллий-10 (¹⁰Ве) является главным элементом, который связанные со сверхновой элементы производят в атмосфере под влиянием космических лучей.

Илл. 22.3 показывает график для ¹⁰Ве. Этот график был составлен благодаря осуществлению проекта по проведению бурений в Калифорнийском заливе около «залива» Гуаймас. Мак Харг и коллеги (1995) обнаружили отчетливо видимые пики концентрации ^юВе, приходящиеся на время примерно 43 и 31 тысячу лет назад — очень близко к пикам ¹⁴С, которые был определены по образцам со дна у берегов Исландии. В своей работе Мак Харг и его коллеги приводят доводы в пользу того, что только массивная сверхновая, близко расположенная к Земле, может быть причиной этих пиков. Пики ¹⁰Ве также близко соответствуют резкому изменению магнитного поля Земли в указанные времена Исследователи искали другие объяснения, но ничего не нашли. Кроме того, они предположили, что эти два пика, похоже, соответствуют ожидаемому действию ударных волн от сверхновой. Сопровождающее этот процесс изменение магнитного поля тоже было внезапным (Магнитное поле остается постоянным большую часть времени; это отвергает утверждения некоторых исследователей, что изменения в количестве изотопов космического происхождения отражают возросшие скорости космических лучей из-за изменяемого магнитного поля.)

_{Илл. 22.3. Этот график отражает данные, полученные из образцов из-под дна Калифорнийского залива. График показывает возрастание уровня ¹⁰Be 43 и 31 тысячу лет назад, во времена взрыва сверхновой и прихода ударной волны. Также оба пика соответствуют двум значительным изменениям магнитного поля: они почти что изменили полярность, но затем вернулись к своему первоначальному направлению север-юг. Данные из Мак Харг и др. (1995)}

Пик, приходящийся на 43 тысячи лет назад, значительно ниже, чем пик, имевший место 31 тысячу лет назад, в то время как для данных со дна у берегов Исландии более ранний пик радиоуглерода был больше. Чтобы понять это, нам нужно вернуться назад к нашему сценарию, в котором взрыв сверхновой начинается с внезапной вспышки гамма-лучей и оканчивается частицами движущимися с высокой скоростью и волной с выбросом пыли. Требуется больше энергии для производства ¹⁰Ве, чем для ¹⁴С, так что меньшая энергия от первоначальной вспышки гамма-излучения даст меньше ¹⁰Ве с меньшим пиком — именно это показывают данные. Обратная ударная волна и выброшенное вещество сверхновой принесут ¹⁰Ве, который возник во время взрыва, так что пик получается больше, чем 31 тысячу лет назад. Данные как: для ¹⁰Be, так и для ¹⁴С совпадают с нашим сценарием воздействия на землю сверхновой.

Илл. 22.3 показывает также ориентацию магнитного поля Земли в это же самое время. Резкие флуктуации, называемые отклонениями Моно-Лайк и Лашамп, произошли во время, когда магнитные полюсы Земли временно поменялись местами. Каждое отклонение почти совершенно соответствует данным по ¹⁰Ве, что заставляет думать о их связи. Мак Харг и его команда считают, что вызвала эти отклонения вспышка сверхновой Исследователи обсуждают средства, при помощи которых вызванные сверхновой волны оказали столь сильное воздействие на магнитное ноле Земли.

Мак Харг и его соавторы также составили график отношения бериллия к алюминию (Be/AI) и сравнили его с другими, где Be и Аl возрастают примерно одинаково. Как и раньше, исследователи увидели те же самые два пика, приходящиеся на 41 и 31 тысячу лет до нашего времени; это подтверждает, что Be пришел из-за пределов атмосферы Земли, то есть от сверхновой. Вдобавок ученые обнаружили еще одну аномалию, относящуюся, ко времени примерно 13 тысяч лет назад, где они увидели свидетельства наводнения от талых вод, точно такого же, как мы видели в Мексиканском заливе, Атлантике и Северном Ледовитом океане. Поскольку образцы, исследованные учеными, были из Калифорнийского залива, в который впадает река Колорадо, это говорит о том, что наводнение имело импульс, который унес талые воды далеко от ледника, и служит подтверждением мысли, что столкновение внезапно расплавило лед и послало огромный вал вниз по Колорадо в Калифорнийский залив. Группа Мак Харга не обнаружила ни одного другого резкого подъема воды, кроме этого.

В ПОИСКАХ ДРУГИХ ИЗОТОПОВ

Таблица на илл. 22.4 показывает дополнительные стратиграфические данные со всего мира, полученные в результате изучения осадков, сталагмитов, годовых колец деревьев и образцов льда, которые также показывают пики в содержании ¹⁴С, ¹⁰Ве или ³⁶Сl, которые могут соответствовать этим-трем событиям Данные не совпадают точно из-за множества переменных. Но даже при этом имеется наличие трех исключительных событий. Отношение содержания радиоуглерода в ледниковую эпоху по отношению к нашему времени оценивалось по опубликованным данным, и они показывают, что поток космических лучей удвоился примерно 40 тысяч лет назад.

_{Илл. 22.4. Эти пики по ¹⁴С, ¹⁰Ве и ³⁶Сl показывают, что за последние 50 тысяч лет на Землю оказали воздействие три космических события. Данные из многочисленных источников}

Пиковые значения всех переменных приходятся примерно на одно время, и эти данные совпадают с данными относительно космических лучей, интенсивность которых в период 40–13 тысяч лет назад была в два-три раза выше, чем в настоящее время.

Наиболее точные данные по ¹⁴С были получены в работе «Intercal-104» (Реймер и др.), в которой исследовались измерения по годовым кольцам деревьев и — для более отдаленною времени — образцы, взятые из коралловых рифов. Эти данные были тщательно исследованы на предмет совпадений и широко использовались для коррекции данных по радиоуглероду. Илл. 22.5 показывает избыточное количество радиоуглерода для последних 16 000 лет.

_{Илл. 22.5. График для углерода-14 за последние 16 тысяч лет.}

_{Жирная серая кривая показывает ожидаемые рост и распад ¹⁴С, следующие за взрывом сверхновой, 16 и 13 тысяч лет назад.}

_{Действительная кривая для ¹⁴С хорошо соответствует вычисленной кривой. Данные из работы Реймера, «IntCal04» (2004)}

Уровень радиоуглерода возрос между 13 и 16 тысяч годами примерно на 35 процентов, а затем постепенно понизился до современного уровня. Жирная серая кривая показывает ожидаемую скорость исчезновения излишнего радиоуглерода, рассчитанную из предположения, что полураспад ¹⁴С происходит за 5,73 тысяч лет. После времени 13 тысяч лет назад количество радиоуглерода, а также всего, что возникает от действия космических лучей, возвращается к нормальному уровню, что говорит, что эффект от ударной волны сверхновой закончился. Небольшие отклонения в данных недавнего времени, возможно, являются следствием изменений в магнитном поле Земли, которое защищает нас от солнечных лучей.

ИЗОТОПЫ В ОБРАЗЦАХ ЛЬДА

Недавние независимые исследования образцов льда подтвердили увеличение космической радиации примерно 41 тысячу лет назад, то есть во время предполагаемого нами взрыва сверхновой. Нишицуми и его коллеги (2005) изучили образцы с места GISP2 на гренландском леднике и измерили уровни ¹⁰Ве, ³⁶Сl и ²⁶ Аl — трех радиоактивных изотопов, которые формируются под действием сверхновой. Они обнаружили, что все три изотопа имеют одновременное увеличение концентрации примерно на 300 процентов перед временем 41 тысячу лет назад и после него. Исследователи пришли к выводу, что такие пики возникли «благодаря более высокой интенсивности космических лучей в пиковые периоды». Они предположили, что причиной этого могла быть сверхновая.

ОБЗОР ИЗОТОПОВ

Данные по изотопам, возникшим по космическим причинам, постоянны в следующем.

Во-первых, сверхновая взорвалась на расстоянии примерно в 200 световых лет (60 парсеков) от Земли 41 тысячу лет назад, обрушив на Землю космическое излучение и увеличив содержание радиоуглерода на 150 процентов, наряду со значительно возросшими уровнями ¹⁰Ве, ³⁶Сl и ²⁶Аl.

Во-вторых, примерно через 7 тысяч лет еще одно событие снова существенно увеличило содержание радиоуглрода на Земле. Выброс из сверхновой поначалу несся со скоростью примерно 6000 миль в секунду (10 000 км/с); предположив, что он дошел до нас с этой скоростью через 7 тысяч лет, расстояние от Земли до сверхновой можно оценить в 230 световых лет (72 парсека). Это расстояние хорошо согласуется с данными, полученными ранее. Второе событие, наиболее вероятно, включает в себя прибытие с высокой скоростью, богатого изотопами вещества, выброшенного из сверхновой.

В-третьих, через 20 тысяч лет после второго события, в конце ледникового периода, произошло последнее крупное событие, которое принесло на Землю еще больше радиоуглерода, наиболее вероятно — в результате ударной волны с веществом сверхновой. Время прибытия совпадает со временем, рассчитанном для скорости ударной волны остатков сверхновой, а эта скорость больше 2 000 000 миль в час (1000 км/с). Все три связанные со сверхновой события, очень хорошо соответствуют свидетельствам геологической истории Земли.

ВЫЖИВШИЕ: НАВАХО

Третье событие в сценарии взрыва сверхновой включает столкновение Земли с веществом сверхновой, кометами и астероидами. Следующая легенда племени навахо описывает множество событий, которые говорят о столкновении к северу от стоянки племени в Канаде и на севере Соединенных Штатов: взрыв, бури из черного песка и золы, сильная снежная буря с севера, потоп и массовое вымирание.

Конец третьего мира

До этого мира существовал еще один, в котором мужчины, женщины и животные постоянно враждовали друг с другом. Бегочидди (сын Творца) под названием Золотой ребенок Солнца, предупреждал людей: «Если вы не прекратите воевать, вас затопит ужасное громадное наводнение, которое уничтожит этот мир».

Некоторое время люди слушали его и старались не враждовать, но затем Койот, который любил провоцировать, не мог больше себя сдерживать. Он украл детеныша у большого речного животною, и война началась с новой силой.

Однажды в разгар большого сражения люди с испугом услышали звуки взрывов, которые раздавались с разных сторон. Внезапно сильная буря из черного песка и золы подула на них с востока. Очень скоро сильный ветер с желтым песком начал дуть с запада. Прошло немного времени, и сильный ветер с ледяными иглами и чем-то ослепляющим, похожим на белый снег, пришел с севера. Затем внезапно на Землю полились потоки дождя. Вода начала прибывать, поднимаясь все выше и выше. Люди беспомощно барахтались в воде, пока не тонули в волнах. Только несколько человек и животных смогли взобраться на стебли огромного полого тростника, который плавал вокруг них на поднимающейся воде. Прошло немного времени, и почти все живое скрылось под водой.

Видя, что все кончено, Бегочидди махнул воде рукой, и она вернулась обратно в землю. Тогда Бегочидди позвал огромных великанов из пыли, чтобы они прокатились по мокрой земле и высушили ее. Когда они закончили свою работу, начался Четвертый мир.

Пересказано по Брухаку, 1991 г.

ЧТО ПОКАЗЫВАЮТ СВИДЕТЕЛЬСТВА

• Многие радиоактивные изотопы подтверждают наличие «События», имевшего три временные фазы: 41 тысячу лет назад, 34 тысячи лет назад и 13 тысяч лет назад.

• Эти три фазы связаны с (1) радиацией, (2) первоначальной ударной волной и (3) облаком выбросов.

• Образцы, взятые у берегов Калифорнийского «залива», показывают пики ¹⁰Ве, приходящиеся на время 41 и 33 тысячи лет назад.

• Образцы со дня «залива» говорят о большой волне тающей воды, имевшей место 13 тысяч лет назад.

• Те же образцы показывают, что сверхновая вынудила магнитные полюсы кратковременно изменить свое положение.

• В образцах льда изотопы сверхновой ¹⁰Ве, ³⁶Сl и²⁶ Аl имеют пик, относящийся ко времени 41 тысячу лет назад.

• Время всех трех событий совпадает с тем, что мы знаем относительно остатков сверхновой.

Теперь давайте посмотрим, как излучение от сверхновой оказало воздействие на ваши гены и, как это ни странно звучит, — группу крови.