ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗ АННИГИЛЯЦИОННОГО И ТЕРМОЯДЕРНОГО ХАРАКТЕРА ТУНГУССКОГО ВЗРЫВА 1908 г.
Е. М. КОЛЕСНИКОВ, А. К. ЛАВРУХИНА, А. В. ФИСЕНКО
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР, Москва
Предлагается метод экспериментальной проверки гипотез аннигиляционного и термоядерного характера Тунгусского взрыва 1908 г. с помощью измерения Аr39, который должен был образоваться под действием нейтронного потока (в случае справедливости этих гипотез) из К и Са в породах под эпицентром взрыва. Исследованы образцы минеральной составляющей почв и верхние сколы траппов. Выделенный и очищенный Аr закачивался в миниатюрные низкофоновые счетчики объемом 1,2 см3. Фон счетчиков в гейгеровском режиме 0,05—0,08 имп/мин. В изученных образцах Аг39 не обнаружен, хотя ожидаемая активность для образцов, взятых наиболее близко к эпицентру, должна быть на 2 порядка больше, чем уровень чувствительности используемой радиометрической установки. Эти результаты свидетельствуют против ядерной природы Тунгусского взрыва.
Причины катастрофы, происшедшей 30 июня 1908 г. в районе р. Подкаменной Тунгуски [1—4], до сих пор дискутируются. Наиболее общепризнанной в настоящее время является гипотеза, объясняющая Тунгусский взрыв вторжением в атмосферу Земли небольшой кометы [5—9]. Однако все еще появляются работы, авторы которых поддерживают гипотезы ядерного [10] и аннигиляционного [11] характера Тунгусского взрыва. Действительно, трудность объяснения очень большой энергии взрыва (~1024 эрг), а также математической интерпретации получившейся характерной картины вывала леса заставила некоторых авторов искать более сложный механизм взрыва, чем взрыв за счет простого резкого торможения и дробления быстро летящего тела.
Большую энергию взрыва легко объясняет гипотеза об антивещественной природе Тунгусского тела [12], хотя остается неясным, как такое тело могло проникнуть так глубоко в атмосферу Земли [13]. Кован и др. [14], а также А. П. Виноградов с сотрудниками [15], а в дальнейшем и другие авторы (см. обзор [16]) использовали метод экспериментальной проверки этой гипотезы с помощью измерения радиоактивности С14 в кольцах деревьев, близких к 1908 г. В самом деле, возникающий 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% [17], что близко к предельной чувствительности метода. Низкий эффект связан в основном с тем, что С14, образованный за счет дополни тельного потока нейтронов в районе Тунгусской катастрофы, должен был обязательно рассеяться в атмосфере Земли. Поэтому, этот метод малочувствителен 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 Аr39 был выбран по ряду причин.
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.
2. Аr39 образуется под действием нейтронов из таких широко распространенных в горных породах элементов, как К и Са. Реакции, приводящие к образованию Аг39, следующие:
К39(n,р)Аr39 ―> К39, (1)
Т=270 лет Са42(n, α)Аr39, (2)
Ca40(n,2p)Ar39, (3)
Ca43(n, n α)Аr39, (4)
К40 (n, d)Ar39, (5)
Аг40 (п, d) Cl39 → Аr39---- (6)
Т=56 мин. Аr38(n, γ)Аr39. (7)
Наибольшим эффектом в данном случае обладает реакция (1), ибо изотоп К39 отличается самой высокой распространенностью (93,1%), реакция не имеет энергетического порога, а сечение ее довольно велико: от 0,1 барн для спектра реакторных нейтронов [18] до 0,4 барн для энергии нейтронов 13 Мэв [35]. В расчетах ожидаемой радиоактивности Аr39 в породах мы использовали одну эту реакцию. Учет остальных реакций только увеличит чувствительность метода.
3. Аr39 имеет «удобный» период полураспада — 270 лет. За прошедшие со дня катастрофы 64 года могло распасться всего ~ 15% от его первоначального количества.
Очень важным моментом является то обстоятельство, что предлагаемый метод бесфоновый, так как (помимо отмеченного в п. 1) естественное содержание Аr39, 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•103 нейтр/см2·сек, а естественный нейтронный поток в горных породах составляет обычно не более 5% от этой величины [19]. Активность Аr39, образованного потоком 3,5·10~3 нейтр/см2·сек в 100 г горной породы с содержанием К 1%, составляет всего 3-10~4 расп/мин, что на 2 порядка ниже предельной чувствительности современных радиометрических установок для измерения Аr39. 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. Бронштэна [20]: энергия взрыва >1024 эрг, высота взрыва h<5 км. Результаты других авторов не сильно отличаются от указанных [21, 22].
Так как взрыв произошел на значительной высоте, то интенсивность нейтронного потока, падающего на поверхность Земли, должна была сильно уменьшиться в результате взаимодействия нейтронов с ядрами элементов атмосферы. Характер этого взаимодействия отличается большой сложностью, и детальное рассмотрение взаимодействия нейтронов с веществом от момента их выделения источником до поглощения представляет собой очень трудную задачу. Она значительно упрощается, если применить возрастное приближение. Использование теории возраста возможно при квазинепрерывности потери энергии, т. е. в случае, когда средняя потеря энергии при столкновении мала, а число столкновений, заметно меняющих энергию, велико [34].
Сечение поглощения нейтронов ядрами элементов атмосферы мало по сравнению с сечением рассеяния на этих ядрах вплоть до энергии Еп-~0,2 эВ, когда сечение захвата нейтронов ядрами азота становится значительным. Как вытекает из данных П. А. Ямпольского [23], длина рассеяния быстрых нейтронов в воздухе изменяется медленно и, следовательно, для нахождения пространственного распределения потока нейтронов в воздухе П(R) (формула 1, где R— расстояние oт источника; S — мощность источника; D — коэффициент диффузии; L — длина диффузии) представляется возможным воспользоваться теорией возраста. По этой теории, поток нейтронов от моноэнергетического источника описывается формулой 2, где ξ — средний логарифмический декремент энергии, характеризующий потерю энергии на одно соударение (для воздуха ξ = 0,129); Ео — начальная энергия нейтронов; Еп — пороговая энергия, до которой замедляются нейтроны.
Так как значения S, 1s и Ео для термоядерного взрыва и аннигиляции различны, рассмотрим эти два случая отдельно. В обоих случаях пороговую энергию замедления нейтронов примем равной 1 Мэв, а минимальное расстояние до исследованных образцов, находящихся наиболее близко к эпицентру взрыва, R = 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 T(d, п) Не4, то при мощности взрыва (1024 эрг) дол жно выделиться около 4-1028 нейтронов с начальной энергией 14 Мэв. Усредненная длина рассеяния для нейтронов от 14 до 1 Мэв равна 130 м. Тогда интегральный поток нейтронов от термоядерного взрыва у поверхности Земли получаем равным 5-1010 нейтр/см2.
Аннигиляционный взрыв. По расчетам Н. А. Власова [17], 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 ls=140 м. Тогда поток нейтронов у поверхности Земли получаем равным 5-1011 нейтр/см2.
Полученные величины ожидаемых нейтронных потоков в обоих случаях минимальные, так как мы не учитывали нейтроны с энергией меньше ЕП=1 Мэв. Учет остальных нейтронов увеличит величину ожидаемых потоков, а следовательно, и чувствительность метода,
ИЗМЕРЕНИЯ Ar39
Исследования образцов, взятых в районе эпицентра Тунгусского взрыва, были проведены на сконструированных нами вакуумной системе для выделения, очистки и заполнения аргона в счетчики, а также низкофоновой радиометрической установке со счетчиками малого объема. Эти установки мы обычно используем для исследования радиоактивности космогенного Аг39 в метеоритах [24]. Конструкция наших миниатюрных счетчиков (объемом 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 Аr39. Содержание К и Са в образцах определялось методом пламенной фотометрии. Для исследования были взяты (таблица) образцы обогащенной на сепарационном столе минеральной фракции верхнего 3-см слоя почвы [26, 27] (образцы 1T—101Т, нумерация Комитета по метеоритам АН СССР), а также образцы сколов траппов (1К и ЗК). Образец 1К взят на вершине горы Фаррингтон, а ЗК — на вершине горы Острая. Образцы 1К и ЗК были специально отобраны 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 места взятия образцов были определены И. Т. Зоткиным (КМЕТ АН СССР).
Может возникнуть вопрос о сохранности Аr39 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 [28, 29]. Многие миллионы лет сохраняются аргон и другие инертные газы, образовавшиеся в метеоритах при распаде радиоактивных элементов, а также под действием космических лучей [30]. Космогенный Аr39 вместе со стабильными изотопами аргона широко используется для определения космического возраста метеоритов (см. ссылки в обзоре А. К. Лаврухиной [31], а также в работе [24]). При разработке так называемого Аr39/Аr40-метода определения возраста затвердевания метеоритов и земных горных пород [18, 32, 33] были проведены специальные исследования кинетики выделения Аr39, образовавшегося в образцах при их облучении нейтронами. Эти исследования показали, что Аr39 выделяется при относительно высоких температурах и, следовательно, хорошо удерживается в решетке минералов. Определенный нами по отношению К40/Аr40 абсолютный возраст образца ЗК равен 240 млн. лет, что совпадает с геологической оценкой возраста данных пород 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. Минимальная активность Аг39, которую можно надежно регистрировать 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 Аr39 за прошедшие со дня взрыва 64 года и эффективности счетчиков 90%. Полученные величины интегрального потока приведены в последнем столбце таблицы. Чувствительность наших измерений к нейтронному потоку составляет величину ~3•109 нейтр/см2, что более чем на 2 порядка ниже уровня ожидаемого интегрального нейтронного потока через образцы, находящиеся наиболее близко к эпицентру, для случая аннигиляционного и на 1,5 порядка — для случая термоядерного взрыва: >5•1011 и >5•1010 нейтр/см2 соответственно.
Энергия взрыва >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 ~1 имп/мин, что в 100 раз 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 предоставленные образцы для исследований, Л. К. Левского за помощь в измерении абсолютного возраста образца ЗК; И. Т. Зоткина за определения расстояний от мест взятия образцов до эпицентра, а также Т. И. Холодковскую за участие в проведении измерений.
Поступила в редакцию 21 июля 1972 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кр и н о в Е. Л. Тунгусский метеорит. Изд-во АН СССР, М.—Л., 1949.
2. Астапович И. С. Большой Тунгусский метеорит — Природа, № 2 и 3, 1951.
3. Флоренский К. П. Предварительные результаты Тунгусской метеоритной комплексной экспедиции 1961 г.— В сб.: Метеоритика, вып. 23, 1963.
4. Проблема Тунгусского метеорита. Изд-во Томск ун-та, вып. 1, 1963; вып. 2, 1967.
5. Фесенков В. Г. О кометной природе Тунгусского метеорита.— Астрон. ж., т. 38,вып. 4, 1961.
6 Фесенков В. Г. О природе Тунгусского метеорита.— В сб.: Метеоритика, вып. 20, 1961.
7. И д л и с Г. М., Карягина 3. В. О кометной природе Тунгусского метеорита.—В сб.: Метеоритика, вып. 21, 1961.
8. Фесенков В. Г. Тунгусское падение и связанные с ним проблемы.— В сб.: Метеоритика, вып. 28, 1968.
9. Хотинок Р. Л. X. Шепли о природе Тунгусского метеорита.— Земля и Вселенная, № 4, 1970.
10. 3 о л о т о в А. В. Проблема Тунгусской катастрофы 1908 г. «Наука и техника», Минск, 1969.
11. Мехедов В. Н. О радиоактивности золы деревьев в районе Тунгусской катастрофы.- Препринт ОИЯИ, г. Дубна, № 6—3311, 1967.
12. La P a z L. The energy of Podkamennaya Tynguska Siberia meteoritic fall.— Popul.Astronom., № 56, 1948.
13. Б р о н ш т э н В. А., Станюкович К. П. О проникновении антивещества в Солнечную систему и атмосферу Земли.— Космические исследования, т. 7, № 4, 1969.
14. Cowan С, At lu r i С. R., Libby W. F. Possible antimatter content of the Tunguska meteor of 1908.—Nature, v. 206, № 4987, 1965.
15. Виноградов А. П., Девирц А. Л., Добкина Э. И. Концентрация С14 в атмосфере во время Тунгусской катастрофы и антивещество.— Докл. АН СССР, т. 168, № 4, 1966.
16. Девирц А. Л. Радиоуглерод в атмосфере Земли в период Тунгусской катастрофы и в прошлом.— Тр. Всес. совещ. по проблеме «Астрофизические явления и радиоуглерод». Тбилиси, 25—27 ноября 1969.
17. В л а с о в Н. А. Антивещество. Атомиздат, М., 1966.
18. Mitchell J. G. The argon-40/argon-39 method for potassium-argon age determination.— Geochim. et cosmochim. acta, v. 32, № 7, 1968.
19. Горшков Г. В., Зябкий В. А., Летковская Н. М., Цветков О. С. Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры. Атомиздат, М., 1966.
20. Бронштэн В. А. Распространение ударных волн от Тунгусского метеорита в неоднородной атмосфере.— В сб.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (материалы совещания 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск), Изд-во Томск. ун-та, 1971.
21. Золотов А. В. Оценка энергии Тунгусского взрыва 1908 г.- В сб.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (Материалы совещания 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск). Изд-во Томск. ун-та, 1971.
22. П а с е ч н и к И. П. Предварительная оценка параметров взрыва Тунгусского метеорита 1908 г. по сейсмическим и барографическим данным.— В сб.: Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита (Материалы совещания 14—16 апреля 1971 г., Новосибирск). Изд-во Томск. ун-та, 1971.
23. Я м п о л ь с к и й П. А. Нейтроны атомного взрыва. Госатомиздат, М., 1961.
24. Kolesnikov E. M., Lavrukhina А. К., Fisenko A. V., Levsky L. К. Radiation ages of different fragments of the Sikhote — Alin meteorite fall. — Geochim et cosmochim. acta, v. 36, № 5, 1972.
25. Фисенко А. В., Колесников Е. М. Миниатюрные низкофоновые счетчики для измерения Аг37 и Аг39.— Приборы и техн. экспер., № 6, 1971.
26. Кирова О. А. О минералогическом изучении проб почв из района падения Тунгусского метеорита, собранных экспедицией 1958 г — В сб : Метеоритика выи 20 1961.
27. Кирова О. А., Заславская Н. И. Некоторые данные о распыленном веществе из района падения Тунгусского метеорита.— В сб.: Метеоритика, вып. 27, 1966.
28. Г е р л и н г Э. К. Современное состояние аргонового метода определения возраста и его применение в геологии. Изд-во АН СССР, М.— Л., 1961.
29. С т а р и к И. Е. Ядерная геохронология. Изд-во АН СССР, М.— Л., 1961.
30. An d e r s E. Meteorite ages.— Rev. Mod. Phys., v. 34, № 2, 1962.
31. Лаврухина А. К. Эффекты ядерных реакций, вызванных быстрыми протонами в метеоритах.— В сб.: Ядерная химия. «Наука», М., 1965.
32. М е г г i h u е С, Turner G. Potassium-argon dating by activation with fast neutrons.—J. Geophys. Res., v. 71, № 11, 1966.
33. T u r n e r G. Argon-40/argon-39 dating of Lunar rock samples.— In Proc. Apollo 11 lunar science conference (ed. A. A. Levinson), v. 2, Pergamon.
34. В л а с о в Н. А. Нейтроны. «Наука», М., 1971.
35. J e s s e n P., Bormann M., Dreyer F., Neuert H. Experimental excitation functions for (n, p), (n, t), (n, α), (n, 2n) (n, np) and (n, nα) reactions.— Nucl. Energy, v. 20A, p. 103, 1966.