Тунгусский феномен / Исследования / Монографии / Проблемы метеоритики / Е.М.КОЛЕСНИКОВ, А.К.ЛАВРУХИНА, А.В.ФИСЕНКО, НОВЫЙ МЕТОД ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗ АШШГИЛЯЦИОННОГО И ТЕРМОЯДЕРНОГО ХАРАКТЕРА ТУНГУССКОГО ВЗРЫВА 1908 Г.

Причины катастрофы, происшедшей 30 июня 1908 г. в районе р. Подкаменной Тунгуски [1, 13, 20, 26], до сих пор дискутируются. Наиболее популярной в настоящее время является гипотеза, объясняющая тунгусское явление вторжением в атмосферу Земли небольшой кометы [12, 22—24, 27], хотя все еще появляются работы, авторы которых поддерживают гипотезы ядерного [10] и аннигиляционного [18] характера Тунгусского взрыва. Действительно, трудности объяснения очень большой энергии взрыва («1024 эрг), а также математической интерпретации получившейся характерной картины вывала леса заставили некоторых авторов искать более сложный механизм взрываТт:ем взрыв за счет простого резкого торможения и дробления быстро летящего тела. Большую энергию взрыва легко объясняет гипотеза об антивещественной природе Тунгусского тела [32], хотя остается неясным, как такое тело могло проникнуть так глубоко в атмосферу Земли [2]. Для экспериментальной проверки этой гипотезы был использован метод измерения радиоактивности С14 в кольцах деревьев, близких к 1908 г. [4, 8, 30]. В самом деле, возникший при аннигиляции нейтронный поток должен был увеличить поступление С14 в атмосферу Земли. Результаты экспериментов показали, что содержание С14 в кольцах деревьев 1908 г. не выходят за пределы обычных флюктуации в кольцах других лет. К сожалению, эти данные не отвергают полностью гипотезу аннигиляционного или термоядерного взрыва, поскольку ожидаемое увеличение содержания С14 лежит в пределах всего лишь 2% [5], что близко к предельной чувствительности метода. Низкий эффект связан в основном с тем, что С14, образованный за счет дополнительного потока нейтронов в районе Тунгусской катастрофы, должен был обязательно рассеяться в атмосфере Земли, поэтому этот метод является малочувствительным для обнаружения локального, хотя, быть может, и высокого потока нейтронов. Мы предлагаем новый, более чувствительный метод проверки гипотез аннигиляционного и термоядерного характера взрыва, основанный на обнаружении потока нейтронов в районе Тунгусского взрыва непосредственно по наведенной активности Аг39 в минералах почв и горных породах. Радиоактивный изотоп Аг89 был выбран по следующим причинам: 1. Измерению низких уровней радиоактивности многих изотопов мешают «радиоактивные осадки», выпавшие на поверхность всего земного шара после испытаний ядерного оружия. Аргон — инертный газ, и поэтому он не выпадал на поверхность Земли после ядерных испытаний. Кроме того, его легко отделить и полностью очистить от примесей любых других радиоактивных изотопов. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 2. Аг39 образуется под действием нейтронов из таких широко распространенных в горных породах элементов, как К и Са. Реакции приводимые к образованию Аг39, следующие: К39 (п, р) Аг > К39. 39. Г1/2 = 270 лет (гс,а) Аг39, Саю(п,2р) Аг39, гесс) Аг39, (М) Аг39, (п, Т^р =- 56 мин Аг38(я,у) Аг39. Наибольший эффект в данном случае — у реакции (1), ибо изотоп К39 имеет самую высокую распространенность (93,1%); реакция не имеет энергетического порога, а сечение ее довольно велико: от 0,1 барн для спектра реакторных нейтронов [33] до 0,4 барн для энергии нейтронов 13 МэВ [31]. В расчетах ожидаемой радиоактивности Аг39 в породах мы использовали эту реакцию. Учет остальных реакций только увеличит чувствительность метода. 3. Аг39 имеет «удобный» период полураспада — 270 лет. За прошедшие со дня катастрофы 64 года могло распасться всего около 15% от его первоначального количества. 4. Очень важным моментом является то обстоятельство, что предлагаемый метод — бесфоновый, так как (помимо отмеченного в п. 1): естественное содержание Аг39, образованного в верхних слоях земной коры под действием нейтронного потока от космических лучей и нейтронного фона в минералах, крайне ничтожно. Действительно, измеренная величина потока медленных нейтронов в атмосфере у поверхности Земли равна 3,2 • 10~3 нейтр/см2 • с, а естественный нейтронный поток в горных породах составляет обычно не более 5% от этой величины {9]. Активность Аг39, образованного потоком 3,5-10~3 нейтр/см2-с в 100 г горной породы с содержанием К=1% составляет 103 102 всего 3 • 10 4 расп/мин, что на два порядка ниже предельной чувствительности современных радиометрических установок для измерения Аг39. Таким образом, в случае обнаружения этого изотопа в горных породах, взятых под эпицентром взрыва, можно было бы совершенно определенно утверждать, что он образовался под действием нейтронного потока, сопровождавшего взрыв. ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ОЖИДАЕМОГО НЕЙТРОННОГО ПОТОКА Величина нейтронного потока у поверхности Земли от высотного ядерного взрыва зависит в основном от мощности взрыва, его характера и высоты. Мощность и высота взрыва Тунгусского тела в настоящее время достаточно надежно определены по картине вывала леса. Для расчетов мы взяли результаты последней работы В. А. Брошнтэна [3]: энергия взрыва Е > 10м эрг, высота взрыва Ь <^ 5 км. Результаты других авторов не очень отличаются от указанных [11, 19]. Так как взрыв произошел на значительной высоте, то интенсивность нейтронного потока, падающего на поверхность Земли, должна была сильно уменьшиться при взаимодействии нейтронов с ядрами элементов атмосферы. Характер этого взаимодействия довольно сложен, и детальное рассмотрение взаимодействия нейтронов с веществом от момента их выделения источником до поглощения представляет собой очень трудную задачу, которая значительно упрощается с применением возрастного приближения. Использование теории возраста возможно при квазинепрерывности потери энергии, когда средняя потеря энергии при столкновении мала, а число столкновений, заметно меняющих энергию, велико [6]. Сечение поглощения нейтронов ядрами элементов атмосферы мало по сравнению с сечением рассеяния на этих ядрах вплоть до энергии Е„ ^ 0,2 эВ, когда становится значительным сечение захвата нейтронов ядрами азота. Как вытекает из данных П. А. Ямпольского [28], длина рассеяния быстрых нейтронов в воздухе изменяется медленно, и, следовательно, для нахождения пространственного распределения потока нейтронов в воздухе П(7?) представляется возможным использование теории возраста, в которой поток нейтронов от моноэнергетического источника описывается формулой (8) где И — расстояние от источника; 5 — мощность источника; О — коэффициент диффузии; Ь — длина диффузии. 104 Коэффициент диффузии для воздуха можно принять равным 1,/3, где 1В — длина рассеяния. Длина диффузии вычисляется по формуле где | — средний логарифмический декремент энергии, характеризующий потерю энергии на одно соударение, для воздуха ^=0,129, Е0 — начальная энергия нейтронов; Еп — пороговая энергия, до которой замедляются нейтроны. Так как значения 5, 1В и Е0 для термоядерного взрыва и аннигиляции различны, то мы рассмотрим эти два случая отдельно. В обоих случаях пороговую энергию замедления нейтронов примем равной I МэВ, а минимальное расстояние до исследованных образцов, находящихся наиболее близко к эпицентру взрыва, равным 6,0 км (3,3 км от точки под эпицентром и высоте взрыва 5 км.) Термоядерный взрыв. Если предположить, что ядерный синтез шел по реакции Т(й,ге) Не4, то при мощности взрыва (1024 эрг) должно выделиться около 4-1028 нейтронов с начальной энергией 14 МэВ. Усредненная длина рассеяния для ней-^тршщв от 14 до 1 МэВ равна 130 м [28]. Тогда интегральный поток нейтронов от термоядерного взрыва у поверхности Земли равен 5-Ю10 нейтр/см2. Аннигиляционный взрыв. По расчетам Н. А. Власова [5], при равных мощностях взрывов выход быстрых нейтронов при аннигиляции почти в 4 раза меньше, чем при термоядерном взрыве. Следовательно, первоначальное количество нейтронов в этом случае можно принять равным 1028. Средняя энергия нейтронов при аннигиляции равна 60 МэВ, а усредненная длина рассеяния ^.5 = 140 м. Тогда поток нейтронов у поверхности Земли равен 5-Ю11 нейтр/см2. Полученные величины ожидаемых нейтронных потоков в обоих случаях являются минимальными, так как мы не учитывали нейтроны с энергией меньше Еп={ МэВ. Учет остальных нейтронов увеличит величину ожидаемых потоков, а следовательно, и чувствительность метода. ИЗМЕРЕНИЯ Аг3' Образцы, взятые в районе эпицентра Тунгусского взрыва, были исследованы на сконструированных нами вакуумной системе для выделения, очистки и заполнения аргона в счетчики, а также низкофоновой радиометрической установке со счетчиками малого объема, которые мы обычно используем для исследования радиоактивности космогенного Аг39 в метеоритах [35]. Конструкция наших миниатюрных счетчиков (объемом 10,5 7а Злказ Л» 454 о н О с< о с 11 п 2 . га ^2, я Э I « а л ОР. 1,2 см3) с внутренним наполнением описана в [25]. Фон радиометрической установки для различных экземпляров счетчиков в гейгеровском режиме равен 0,05—0,08 имп/мин. Методика выделения и измерения отлажена и многократно опробована на образцах метеоритов с известной активностью Аг39. Содержание К и Са в образцах определялось пламенной фотометрией. Для исследования были взяты (см. таблицу) образцы обогащенной на сепарационномстоле минеральной фракции верхнего трехсантиметрового слоя почвы [14, 15] (образцы 1Т— 101Т, нумерация Комитета по метеоритам АН СССР), а также образцы сколов траппов 1К (взятый на вершине горы Фар-ригтон) и ЗК (взятый на вершине горы Острая), отобранные таким образом, чтобы они не были экранированы выступами горы, растительностью и т. п. от точки взрыва. Для исследования брались только верхние части сколов толщиной 1,5—2 см. Приведенные в таблице расстояния от точки на местности, находящейся под эпицентром взрыва, до мест взятия образцов были определены И. Т. Зоткиньш (КМЕТ АН СССР). Может возникнуть вопрос о сохранности Аг33 в образцах. В результате многочисленных исследований было доказано, что образованный из калия аргон хорошо удерживается в кристаллической решетке минералов. На хорошей сохранности радиогенного аргона основан, например, широко используемый в геологии калий-аргоновый метод определения абсолютного «возраста» горных пород, образовавшихся сотни миллионов и миллиарды лет назад [7, 21]. Многие миллионы лет сохраняется аргон и другие инертные газы, образовавшиеся в метеоритах при распаде радиоактивных элементов, а также под действием космических лучей [29]. Космогенный Аг39 вместе со стабильными изотопами аргона широко используется при определении космического возраста метеоритов [17, 35]. При разработке так называемого Аг39/Аг40 метода определения возраста затвердевания метеоритов и земных горных пород [33, 34, 36] были проведены специальные исследования кинетики выделения Аг39, образовавшегося в образцах при их облучении нейтронами. Эти исследования показали, что Аг39 выделяется при относительно высоких температурах и, следовательно, хо^ рошо удерживается в решетке минералов. Определенный нами по отношению К40/Аг40 абсолютный возраст образца ЗК равен 240 млн. лет, что совпадает с геологической оценкой возраста данных пород [16] и свидетельствует об отсутствии значительных потерь аргона. В таблице приведены содержания К (и Са) и навески образцов, а также фон счетчиков, в которые переводился выделенный и очищенный аргон. Как видно из данных таблицы, в пределах точности измерений превышения скорости счета над фоном ни в одном из исследованных образцов не обнаружено. Максимальная активность Аг39, которую можно надежно ре- -ни м ч д,оо л: -ччрлиип/ояль. ;* 5 3 к а з ° н з "" *" ^ ос -Ч. о ос г- с; ^ ^ — - ^~, я а1 ,- ^ эт 1; 2 3 2 И „ *^ ^. о 0 Я Ж '== ж' 'Ж Ж Ж Ж^ >^ ж м ?" к к образец ?| +1 +! +1 +1 +! +! ^! ос ^ -* =2 и 9 И И С: = жж5:!5ос Г2 ^ЗГ' ^' 1 И „ о о -N1 --1 о ^ в в И X 3 0 к о — " •—" о" сГ о" о" с" сГ +| +! +1 И- +! +! 4-1 +! ОС 00 СЧ 0] СЯ О О.) =5 +1 +1 +1 1 я — ° - — -- — о 1 "«ч 0 !>-_ С^ ~г - ~„ С 1- П 1—" — " ОС" § 'В о И к ————————— - • — . — • а. Е- И а 13 0 2 о С" -1~ X « с; ~ >э 0 а с" и и ^ 5 3. . 3 5 о" о п и « ф « о 0 II*" 0000 СО Ю_ Т " 2 2 лу иинэйэ 1 О ОС ^? ^-1 — 5 к к ю % и я I г: о 0 С 8 & о 2 С " У — с; сб 3 § ч к я Ч 1 я я 7а* гистрироващ> при данной точности измерений, составляет 0,01 имп/мин. Взяв эту величину активности, известные навески и содержания К, мы рассчитали для всех образцов чувствительность каждого отдельного измерения к интегральному потоку нейтронов с учетом только реакции (1) распада Аг39 за прошедшие со дня взрыва 64 года и эффективности счетчиков 90%. Полученные величины интегрального потока приведены в последнем столбце таблицы. Чувствительность наших измерений к нейтральному потоку составляет « 3 • 109 нейтр/см2, что более чем на два порядка ниже уровня ожидаемого интегрального нейтронного потока через образцы, находящиеся наиболее близко к эпицентру для случаев аннигиляционного взрыва О 5 • 1011 нейтр/см2) и на 1,5 порядка —для случая термоядерного взрыва (> 5 • 1010 нейтр/см2). Энергия взрыва Е ^ 1024 эрг соответствует взрыву мощностью ^ 25 Мт тротила. Подобные энерговыделения не могут быть получены при «чистом» атомном взрыве, поэтому случай атомного взрыва можно отбросить как нереальный. Для остальных случаев ожидаемая активность Аг39, выделенного из образцов, взятых наиболее близко к эпицентру, составляет величину яь! имп/мин, что на два порядка превышает уровень чувствительности используемой низкофоновой радиометрической установки (0,01 имп/мин). Таким образом, полученные результаты свидетельствуют против ядерной природы тунгусского взрыва. В заключение авторы благодарят Н. И. Заславскую, А. П. Бояркину и Л. В. Кириченко за представленные образцы для исследований, Л. К. Левского за помощь в измерении абсолютного возраста образца ЗК, И. Т. Зоткина за определение расстояний от мест взятия образцов до эпицентра, а также Т. И. Холодковскую за участие в проведении измерений. / ЛИТЕРАТУРА 1. Аетапович И. С. Большой Тунгусский метеорит.—«Природа», 1951 > № 2, с. 23—32; № 3, с. 13—23. 2. Бронштэн В. А., Станюкович К. П. О проникновении антивещества в Солнечную систему и атмосферу Земли.— «Космические исследования», 1969, т. 7, № 4, с. 597—601. 3. Бронштэн В. А. Распространение ударных волн от Тунгусского метеорита в неоднородной атмосфере.— В кн.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (материалы совещания 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск). Томск, 1971, с. 6, 7. 4. Виноградов А. П., Девирц А. Л., Добкина Э. И. Концентрация С14 в атмосфере во время Тунгусской катастрофы и антивещество.—«Докл. АН СССР», 1966, т. 168, № 4, с. 900—903. 5. Власов Н. А. Антивещество. М., Атомиздат, 1966, 184 с. 6. Власов И. А. Нейтроны. М., «Наука», 1971, 552 с. 7. Герлинг Э. К. Современное состояние аргонового метода определения возраста и его применение в геологии. М.— Л., Изд-во АН СССР 1961, 130 с. 108 8. Девирц А. Л. Радиоуглерод в атмосфере Земли в период ТунтусЖой '"" катастрофы и в прошлом.— В кн.: Труды Всесоюзного совещения по проблеме «Астрофизические явления и радиоуглерод» (Тбилиси 25—27 ноября 1969 г.). Тбилиси, 1970, с. 21—25. 9. Горшков Г. В., Зябкий В. А., Летковская Н. М., Цветков О. С. Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры. М., Атомиздат, 1966, 410 с. 10. Золотое А. В. Проблема Тунгусской катастрофы 1908 г. «Наука и техника», 1969, 204 с. 11. Золотое А. В. Оценка энергии тунгусского взрыва 1908 г.— В кн.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (материалы совещения 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск). Томск, 1971, с. 22, 23. 12. Идлис Г. М., Корягина 3. В. О кометной природе Тунгусского метеорита.— «Метеоритика», 1961, вып. XXI, с. 32—42. 13. Кринов Е. Л. Тунгусский метеорит. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1949, 196 с. 14. Кирова О. А. О минералогическом изучении проб почв из района падения Тунгусского метеорита, собранных экспедицией 1958 года.— «Метеоритика», 1961, вып. XX, с. 32—39. 15. Кирова О. А., Заславская Н. И. Некоторые данные о распыленном веществе из района падения Тунгусского метеорита. —«Метеоритика», 1966, вып. XXVII, с. 119—127. 16. Кузнецов М. Ф., Наумов В. А., Тарасевич С. И. Абсолютный возраст траппов бассейна верхнего течения Нижней Тунгуски и его геолого-радиологическая интерпретация.— В кн.: Геолого-радиологическая интерпретация несходящихся значений возраста. М., «Наука», 1973, с. 206—213. 17. Лаврухина А. К. Эффекты ядерных реакций, вызванных быстрыми протонами в метеоритах.— В кн.: Ядерная химия. М., «Наука», 1965, с. 7-73. 18. Мехедов В. Н. О радиоактивности золы деревьев в районе Тунгусской катастрофы, г. Дубна, препринт ОИЯИ, 1967, 6—3311, с. 16. 19. Пасечник И. П. Предварительная оценка параметров взрыва Тунгусского метеорита 1908 г. по сейсмическим и барографическим данным.— В кн.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (материалы совещания 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск). Томск, 1971, с. 31—35. 20. Проблема Тунгусского метеорита. Вып. 2. Томск, 1967, 238 с. 21. Старик И. Е. Ядерная геохронология. М.— Л., Изд-во АН СССР, 1961, 632 с. 22. Фесенков В. Г. О кометной природе Тунгусского метеорита.— «Астрономия, ж.», 1961, т. 38, вып. 4, с. 577—592. 23. Фесенков В. Г. О природе Тунгусского метеорита.— «Метеоритика», 1961, вып. XX, с. 27—31. 24. Фесенков В. Г. Тунгусское падение и связанные с ним проблемы.— «Метеоритика», 1968, вып. XXVIII, с. 107—113. 25. Фисенко А. В., Колесников Е. М. Миниатюрные низкофоновые счетчики для измерения Аг37 и Аг39— «Приборы и техника эксперимента», 1971, № 6, с. 62, 63. 26. Флоренский К. П. Предварительные результаты Тунгусской метеоритной комплексной экспедиции 1961 г.— «Метеоритика», 1963, вып. XXIII, с. 3—29. 27. Хотинок Р. Л. X. Шепли о природе Тунгусского метеорита.— «Земля и Вселенная», 1970, № 4, с. 79. 28. Ямпольскпй П. А. Нейтроны атомного взрыва. М., Госатомиздат, 1961, 132 с. 29. Апйегв Е. Ме1еогНе а§ез.— «Кеу. Моо1. РЬуз.», 1962, v. 34, N 2. 287—325. 109 30. &шап С., АНшп С. К., ГЛЪЬу У. Г. Розз1Ые ааИ-тайег сопьет о! 1Ъе Тип^изЬа те1еог о! 1908.— «Калиге», 1965, v, 206, N 4987, р. 861-865. 31. 1е8веп Р., Вогтапп М., Вгеуег Р., Кеиег1 Н. ЕхрептепЫ ехсйаНоп Нипсйопз {ог (п, р), (п, {), (п, а), (п, 2га) (п, пр) апй (п, па) геасНопз,— «Мис1. Епещу», 1966, 2ОА, р. 103—202. 32. Ьа Раг Е. ТЬе епе^гу о{ Рос11гатегтуа Тип^изЬа, ЗШепа те(;еогШс Ы1.— «Рори1аг Аз1гопо1ше», 1948, v. 56, р. 330—331. 33. МйсЬеП I. 6. ТЪе а^гоп^О/аг^оп-ЗЭ теШос! ?ог ройаззшт-агдоп а^е Йе1егтшаиоп.— «Оеосшт. е1 СозтосЫт. Ас1а», 1968, v. 32, № 7, р. 781—790. 34. МетЬие С., Тигпег 6. РоЪаззшт — аг^оп Йа11п§ Ьу ас^уаИоп т1Ь. ^аз! пеиггопз.— «Т. ОеорЬуз. Нез.», 1966, v. 71, р. 2852—2857. 35. Ко1езшЬоу Е. М., Ьа«иЬЫпа А. К., РдзепЬо А. V., ЬеузЬу Ь. К. Вл-Й1а11оп а§ез о{ сННегеп! {га§теп!з о{ (Ье 811сЬо1е-А1ш те1еоп1е {аП.— «СеосЫт. е! СозтосЫт. Ас1а», 1972, v. 36, р. 573—576. 36. Тигпег 6. Аг§оп-40/агдоп-39 (Шшд о{ 1ипаг госЬ затр!ез.— 1п: Ргосе-еД^пдз о^ 1Ье Аро11о 11 Ьипаг зс!епсе соп^егепсе (ей. Ьу ЬеУ1Пзоп А. А.), Рег^апот ргезз, 1970, v. 2, р. 1665—1684.

Войти в систему

Е.М.КОЛЕСНИКОВ, А.К.ЛАВРУХИНА, А.В.ФИСЕНКО, НОВЫЙ МЕТОД ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗ АШШГИЛЯЦИОННОГО И ТЕРМОЯДЕРНОГО ХАРАКТЕРА ТУНГУССКОГО ВЗРЫВА 1908 Г.