Рис.4 Распространенность химических элементов относительно водорода в атмосфере Солнца По оси ординат - десятичный логарифм относительной (по отношению к водороду) концентрации различных химических элементов. Логарифм концентрации водорода принят равным 12. Различными символами отмечены данные, полученные разными исследователями.
Стало очевидно, что ядерные реакции, протекающие в солнечной атмосфере при участии энергичных частиц, могут привести к заметному изменению в составе СКЛ соотношения между различными изотопами по сравнению с их исходным положением. Особенно это относится к так называемым редким элементам: литий, бериллий и бор, само присутствие которых в составе вспышечных частиц, вероятнее всего обусловлено ядерными процессами между энергичными первичными ядрами - углеродом, кислородом и азотом с водородом атмосферы Солнца. Но даже изотопный состав такого обильного в природе элемента как гелий в СКЛ нередко отличается от изотопного состава гелия солнечной атмосферы. Причин здесь несколько: первая - ядерные взаимодействия, о роли которых мы уже упоминали, вторая - особенности, возможная селективность, избирательность, процесса ускорения энергичных частиц. Детальное изучение механизма селективности при генерации энергичных солнечных частиц было проведено сотрудниками Санкт-Петербургского Физико-технического института РАН.
Естественно, было ожидать, что результатом ядерных превращений будет присутствие среди энергичных частиц от солнечной вспышки не только стабильных изотопов различных ядер, но и радиоактивных изотопов. Конечно, из всех генерированных радиоактивных изотопов наблюдать на орбите Земли можно лишь такие, период полураспада которых достаточно велик, не меньше нескольких суток.
Совершенно неожиданно при теоретическом анализе выяснилось, что для некоторых химических элементов поток радиоактивных изотопов в СКЛ превысит поток стабильных изотопов. Такая ситуация, как показали расчеты, проведенные ещё в 1967 году в Институте ядерных исследований МГУ, должна наблюдаться для ядер бериллия и кобальта. Поток этих элементов должен в основном состоять из радиоактивного Ве-7 и радиоактивного Со-56. Экспериментальное подтверждение этого, возможно, пришло лишь сейчас, спустя 34 года, c совершенно неожиданной стороны, при исследовании проблем космического материаловедения.
Во время гамма-спектрометрического исследования в 1990 году состояния пластин из различных материалов, которыми был покрыт цилиндр длиной 9 метров и диаметром 3 метра, (эксперимент LDEF) американские ученые обнаружили большую концентрацию Ве-7. До этого почти 6 лет цилиндр провел в открытом космосе, на высоте в среднем 350 км. В течение всего времени полета его положение в пространстве было строго сориентировано. Распределение радиоактивного бериллия было необычным. Большая концентрация наблюдалась лишь на тех пластинах, которые находились на передней по вектору скорости стороне. Из этого вытекало, что радиоактивный бериллий был в тепловом равновесии с веществом верхней атмосферы Земли и просто собирался, прилипал, к пластинам. Как это могло произойти? Откуда в верхней атмосфере Земли появился радиоактивный бериллий. Атмосфера Земли - гигантская ловушка солнечных частиц
Дальнейшее интенсивное изучение обнаруженного факта проводилось совместно американскими и российскими учеными. С 1996 года сотрудники отдела космофизических исследований, Института ядерных исследований МГУ с помощью ИСЗ серии "Космос" и "Ресурс" ведут непрерывные наблюдения в верхней атмосфере Земли, на высоте примерно 200 км. за радиоактивным Ве-7, чтобы выяснить природу его образования там. В гипотезах недостатка нет.
Во - первых он может возникать в земной атмосфере в результате ядерных взаимодействий галактических космических лучей с кислородом и азотом атмосферы Земли. В этом случае его концентрация в атмосфере должна испытывать временные вариации характерные для галактических космических лучей, то есть быть в антикорреляции с солнечной активностью.
Во - вторых он может возникать также как результат ядерных взаимодействий, но при вторжении в земную атмосферу солнечных энергичных частиц от вспышек. Тогда его концентрация должна, наоборот, быть в прямой корреляции со вспышечной активностью Солнца.
Казалось бы, все просто - надо установить временную зависимость концентрации Ве-7 в верхней атмосфере Земли и его природа станет ясна. Но существует такая трудность. Радиоактивный бериллий, возникая в земной атмосферы по причинам, указанным выше, образуется в основном, а затем и приходит в тепловое равновесие с окружающей атмосферой, на высотах гораздо меньших, чем высоты ИСЗ, - порядка десятков километров. Из этого следует, что должен ещё существовать механизм "заброса", образующихся на малых высотах ядер, на высоты спутников. Необходимость в существовании такого механизма может спутать все карты. Поскольку этот механизм может иметь свои собственные временные характеристики, которые либо имеют сложную связь с циклом солнечной активности, либо не имеют её вовсе.
Однако прежде чем предпринять усилия по экспериментальному выбору между приведенными гипотезами, пришлось вспомнить о существовании ещё двух возможностей объяснения присутствия радиоактивного Ве-7 в верхней атмосфере Земли. Ведь известно, мы об этом говорили выше, что среди СКЛ должны быть радиоактивные изотопы, генерированные в ядерных реакциях между средними и тяжелыми энергичными ядрами и водородом солнечной атмосферы. Энергия основной доли таких вторичных ядер составит единицы и десятки МэВ на нуклон. С одной стороны такой энергии достаточно, чтобы ядро смогло преодолеть барьер, создаваемый земной магнитосферой, и проникнуть вглубь атмосферы, с другой, поскольку ядро многозарядное, оно быстро затормозится и вступит в тепловое равновесие с земной атмосферой на достаточно большой высоте, чтобы затем оказаться на высотах ИСЗ. То есть речь идет о том, что зарегистрированный в атмосфере Земли радиоактивный бериллий - солнечного происхождения. Тогда, предсказанная в 1967 году, возможность эффективного образования радиоактивных элементов в СКЛ получает экспериментальное подтверждение.
Но Ве-7, зарегистрированный на высотах спутников в земной атмосфере, может иметь солнечное происхождение ещё и по другому каналу. Как следовало из детальных расчетов, проведенных независимо нами и специалистами из НАСА, концентрация бериллия в атмосфере Солнца, возможно, вообще определяется радиоактивным изотопом Ве-7. В этом случае он будет присутствовать в солнечном ветре, вместе с ним достигать орбиты Земли и проникать через полярные области в её верхнюю атмосферу.
Представляется, что выбрать между первыми двумя гипотезами и вторыми двумя можно, если бы удалось наблюдать в земной атмосфере элемент, который возникнуть в ней в результате ядерных реакций между галактическими или солнечными космическими лучами и элементами атмосферы Земли, не может. Таким элементом вполне может быть радиоактивный Со-56, который, кстати, мы выше уже обращали на это внимание, также очень эффективно должен образовываться среди вторичных изотопов СКЛ.
Если выяснится, что происхождение в земной атмосфере Ве-7 связано с солнечным ветром, то это подтвердит, развиваемые нами представления о том, что ядерные взаимодействия между СКЛ и веществом солнечной атмосферы существенно влияют на химический и изотопный состав самой солнечной атмосферы. Поскольку, как уже отмечалось, процесс ускорения энергичных частиц в атмосфере Солнца можно считать квазинепрерывным, то фактически оказывается, что в атмосфере Солнца идет постоянная "переработка" первичного вещества. Того вещества, из которого миллиарды лет назад возникло само Солнце и планеты Солнечной системы.
Современная космология утверждает, что химические элементы тяжелее гелия возникли, и возникают периодически и сейчас, при взрывах так называемых сверхновых звезд. Лишь элемент литий, возможно, также частично образовался во время Большого взрыва. Тем поразительнее обнаружение того факта, что в атмосфере такой рядовой звезды как Солнце (при этом надо помнить, что Солнце является типичным представителем звездного населения Галактики) может происходить переработка изотопного состава первичного вещества. В области легких и редких ядер этот процесс будет наиболее эффективным.
Поскольку вещество атмосферы звезд, также как и нашего Солнца, постоянно истекает в межзвездное пространство ( для Солнце это явление получило название - солнечный ветер), то вполне возможно, что не только сверхновые звезды определяют естественную распространенность химических элементов во Вселенной, но и рядовые звезды вносят свою лепту. Кроме того, лично для себя, для своей атмосферы, по-видимому, каждая звезда сама формирует изотопный состав радиоактивных ядер, период полураспада которых не очень большой. В этом смысле наше Солнце вполне может оказаться заслуживает называться радиоактивным.
Радиоактивное Солнце
Многочисленные определения химического состава атмосферы Солнца обнаружили странный на первый взгляд факт. По существующим представлениям о естественной распространенности химических элементов такого элемента как бериллий в атмосфере Солнца должно быть меньше чем такого элемента как литий. В тоже время для солнечной атмосферы это не так. В ней бериллия не только не меньше чем лития, но соотношение концентраций этих химических элементов меняется. И меняется, по-видимому, в согласии с циклом солнечной активности. Когда активность высокая (в этом случае много различных по мощности вспышек), отношение концентраций бериллия к литию явно больше единицы. При уменьшении солнечной активности соотношение концентраций этих элементов уменьшается. И тот, и другой факт можно понять, лишь учитывая возможность образования этих элементов в солнечной атмосфере. При этом ясно, что концентрация образующихся элементов будет меняться с циклом активности, если они не только эффективно возникают за короткое время, но и могут разрушаться за время сравнимое с циклом активности.