ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 6, с. 490-495

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

АНОМАЛИЯ В СПЕКТРЕ ЯДЕР ГАЛАКТИЧЕСКИХ

КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ОЛИВИНАХ ИЗ МЕТЕОРИТОВ

Поступила в редакцию 20.06.2021 г.; после доработки 20.06.2021 г.; принята к публикации 20.06.2021 г.

В настоящей работе исследовалась аномалия в спектре ядер галактических космических лучей в

кристаллах оливинов из метеоритов, которая возникла в зарядовом спектре при изучении кристаллов,

близко расположенных к поверхности метеорита. При падении метеорита и движении через атмосферу

Земли его поверхность сильно нагревается. Была исследована динамика прогрева вещества метеори-

та, предложено решение уравнения распространения тепла и выполнено его моделирование в среде

Borland C++ builder. Получены оценки прогрева вещества палласита за время падения метеорита.

Показано, что температура кристаллов оливина вблизи поверхности метеорита может достигать

более 1300^◦С, что может приводить к эффекту отжига треков. Из-за эффекта отжига часть треков

исчезает, а другие меняют свои геометрические характеристики. Это может объяснить необычную

форму распределения зарядов ядер, найденных в кристаллах оливина вблизи края метеорита.

DOI: 10.31857/S0044002721060088

1. ВВЕДЕНИЕ

для образования в оливине химически трави-

мого трека (пороговое значение ионизационных

В лаборатории элементарных частиц ФИАН с

потерь энергии для оливина составляет около

2005 г. проводится работа по поиску треков сверх-

18 МэВ/(мг см-2) [4]. Это фактически означает

тяжелых ядер в кристаллах оливинов из метео-

отсутствие фоновых событий в этих исследованиях.

ритов [1]. Два фрагмента палласитов Marjalahti и

Eagle Station были переданы из ОИЯИ в ФИАН

Поврежденные из-за прохождения заряженной

для проведения исследований с использованием

частицы области кристалла имеют более высокую

новых технических средств и методов регистрации.

химическую активность по сравнению с неповре-

В результате начался эксперимент ОЛИМПИЯ

жденным материалом, в результате чего возни-

(ОЛИвины из Метеоритов — Поиск тяжелых И

кает возможность визуализировать трек частицы

сверхтяжелых Ядер) по поиску и идентификации

в кристалле путем его травления в комплексном

тяжелых и сверхтяжелых ядер ГКЛ в кристаллах

химическом растворе. Параметры протравленных

оливина из палласитов, представляющий собой

треков ядер (травимая длина и скорость травления)

совместный проект институтов Российской акаде-

зависят от ионизации, производимой быстрым тя-

мии наук: ФИАН им. П.Н. Лебедева и ГЕОХИ

желым ионом в веществе кристалла [5, 6].

им. В.И. Вернадского. Подробности эксперимента,

методы обработки и анализа данных представлены

Исследование кристаллов осуществляется ори-

в работах [2, 3].

гинальным авторским методом поэтапной обработ-

ки, при котором после фиксации обнаруженных ви-

Треки ядер тяжелых компонент ГКЛ регистри-

димых участков треков и измерения их параметров

руются в полупрозрачных кристаллах магний-

часть кристалла толщиной 50-100 мкм (с точно-

железосиликатного оливина (Mg0.8Fe0.2)₂SiO₄,

стью до нескольких мкм) удаляется, и процессы

заключенных в железо-никелевой матрице пал-

обработки поверхности и измерения треков повто-

ласита. В отличие от трековых детекторов других

ряются. При обработке кристалла на каждой новой

типов, эмульсионных или пластиковых, оливин не

стадии осуществляется поиск как новых треков,

накапливает фоновые треки от ядер с Z ≤ 24, что

так и продолжений участков, уже найденных на

обусловлено высоким порогом удельных энергети-

предыдущем этапе; в этом случае производится ко-

ческих потерь заряженной частицы, необходимым

ординатная “сшивка” трека. В результате восста-

навливается его полная длина до точки остановки в

¹⁾Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вер-

надского РАН, Москва, Россия.

детекторе. Для установки на микроскоп кристаллы

²⁾Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва,

оливина, извлеченные из железо-никелевой мат-

Россия.

рицы, закрепляются в эпоксидных таблетках по

^*E-mail: dr.thannaingsoe.lpiras@gmail.com

∼15 штук.

490

АНОМАЛИЯ В СПЕКТРЕ ЯДЕР

491

Рис. 1. Фотографии кристаллов оливина после травления. а — Типичная сетка ядер группы железа, б — изображение

кристалла, взятого вблизи края метеорита. Размер поля зрения 550 × 444 мкм.

За время эксперимента было обработано 890

В процессе работы было обнаружено, что ряд

кристаллов из метеоритов Marjalahti и Eagle

кристаллов оливина обладают некоторыми осо-

Station, и определены параметры 28275 треков

бенностями по сравнению с другими кристалла-

ядер с Z > 24, включая три трека с зарядом 119+10-6.

ми. В частности, было замечено, что в них после

травления отсутствуют треки ядер группы железа.

Разработанный с использованием калибровочных

Обычно после травления поверхность кристал-

данных авторский метод определения заряда ядра,

лов покрыта густой сеткой таких треков длиной

сформировавшего трек [7, 8], позволяет на основе

10-15 мкм (рис. 1а). Так как эта сетка мешает

проведенных измерений определять зарядовый

измерениям геометрических характеристик треков

спектр зарегистрированных ядер [9].

более тяжелых ядер, чей поток на шесть порядков

меньше потока ядер группы железа, слой 15-

20 мкм убирается с помощью шлифовки поверхно-

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА

сти кристалла. На рис. 1б для сравнения показана

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ТРЕКОВ

поверхность кристалла, в котором после травления

треки группы железа отсутствуют.

В 2019 г. была начата очередная серия обра-

Более внимательное изучение необычных кри-

ботки кристаллов оливина метеорита Marjalahti.

сталлов показало, что основное их отличие от дру-

гих кристаллов заключается в том, что они взяты

из другого места, а именно из небольшой лунки

вблизи края метеорита (рис. 2). Толщина железо-

никелевого слоя до края метеорита в этом месте со-

ставляет 3-5 мм. При таком расположении лунки

кристаллы оливина в ней могли за время падения

прогреться до высокой температуры за счет на-

грева поверхности метеорита при его прохождении

через атмосферу Земли.

Время пролета метеорита через атмосферу за-

висит от его скорости, угла, под которым он вхо-

дит в атмосферу, и его размеров. Влетев в зем-

ную атмосферу со скоростью, например, от 11 до

72 км/с [10], метеорит уже на высоте 100-150 км

над Землей встречает очень сильное сопротивление

воздуха. Воздух перед метеоритом мгновенно сжи-

Рис. 2. Фотография части метеорита Marjalahti. а —

мается и вследствие этого разогревается. В итоге

Лунка с кристаллом оливина вблизи края метеорита,

образуется так называемая воздушная подушка.

часть кристаллов оливина уже вынута; б — железо-

Поверхность метеорита нагревается очень сильно,

никелевая матрица.

до температуры в несколько тысяч градусов. В

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

492

КАЛИНИНА и др.

Количество

300

150

280

140

260

130

240

120

220

110

200

100

180

160

140

120

100

Заряд

Рис. 3. Распределения количества треков по зарядам ядер в оливинах из метеоритов. а — Обычное распределение в

кристаллах, взятых из глубины; б — аномальное распределение в кристаллах из лунки вблизи края метеорита.

этот момент он становится заметным, как летящий

также далеки от тех, что возникают в метеорите при

по небу болид. Его остаток, не успевший полно-

его движении в атмосфере. Тем не менее, на основе

стью распылиться, падает на Землю под влиянием

этих работ с большой вероятностью можно ска-

силы притяжения, как обыкновенный брошенный

зать, что причиной отсутствия треков ядер группы

камень. В результате полное время пролета ме-

железа является их отжиг.

теорита через атмосферу составляет от нескольких

Другим свидетельством наличия отжига треков

секунд до десятков секунд. Находясь в условиях

в кристаллах, взятых из лунки, является форма

высокой температуры, следы треков ядер в оливине

распределения зарядов ядер в них. На рис.

могут подвергаться отжигу и вследствие этого ме-

представлены распределения количества треков по

нять свои характеристики или вовсе исчезать.

зарядам в кристаллах упомянутой серии, взятых из

Вопрос о влиянии нагревания и охлаждения на

глубины метеорита (а) и из лунки (б). Видно, что

свойства треков широко обсуждался в литературе

во втором случае распределение сильно смещено в

в связи с применением методов минералогического

область больших зарядов. Сравнивая эти рисунки,

и трекового анализа для решения различных геоло-

можно увидеть качественное различие в форме

гических и тектонических задач [11]. Это связано с

распределений. “Обычное” распределение имеет

тем, что форма распределения длин протравленных

резкий пик в области Z = 56, затем оно круто спа-

треков от осколков радиоактивных ядер зависит

дает, сменяясь на более пологую часть при Z > 70.

от температурной истории геологических пород,

В то же время “необычное” распределение имеет

т.е. времени их нагревания и остывания. В ре-

высокий и широкий пик в области 65 < Z < 75.

зультате трековый анализ применяется для оценки

Такое смещение могло быть результатом отжига,

скоростей тектонических процессов для различных

чье влияние, как было сказано ранее, тем больше,

регионов (Южная Корякия, Камчатка, Российская

чем меньше заряд.

Арктика, Крым и другие) [12], реконструкций ис-

точников сноса терригенного материала и тестиро-

Таким образом, находясь в условиях высокой

вания палеогеографических и палеотектонических

температуры, следы треков ядер в кристаллах оли-

моделей. К сожалению, этот опыт мало может по-

вина, содержащихся в метеоритах — палласитах,

мочь в нашей задаче, так как его временная шкала

могут подвергаться отжигу и вследствие этого ме-

исчисляется сотнями тысяч и миллионами лет.

нять свои характеристики или вовсе исчезать. Для

Другой опыт исследования результатов отжига

выяснения этого вопроса были проведены расчеты

связан, в основном, с работами В.П. Перелыгина

распространения тепла внутри железо-никелевой

[13]. Им был разработан метод определения заря-

матрицы, окружающей оливин, и оливина. Матри-

дов сверхтяжелых ядер в оливинах из метеоритов с

ца палласита — железо-никелевого метеорита с

предварительным отжигом кристаллов. На основе

включениями оливинов — имеет сложную форму.

ряда калибровочных измерений им было установ-

Распространение тепла в объекте такой формы

лено, что отжиг в течение 32 ч при температуре

представляет собой непростую задачу, поэтому в

430^◦C приводит к полному исчезновению треков

настоящей работе мы ограничимся пока упрощен-

группы железа и укорочению в 6-8 раз треков

ным подходом оценки условий, возникающих в

с Z > 50 [13]. К сожалению, эти условия отжига

объеме метеорита.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

АНОМАЛИЯ В СПЕКТРЕ ЯДЕР

493

Температура, °С

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

Расстояние, мм

Рис. 4. Зависимость температуры от расстояния до конца стержня и времени. Время прогрева: 1 — 5 с, 2 — 10 с, 3 —

20 с и 4 — 25 с.

Процесс распространения тепла в полубеско-

нескольких до десятков секунд), приведем резуль-

нечном железном стержне, свободный конец кото-

таты расчета для нескольких значений времени.

рого поддерживается при постоянной температуре

Результаты расчетов для полубесконечного стерж-

в 2000^◦С, а начальная температура самого стержня

ня представлены на рис. 4 в виде зависимости

одинакова по всей его длине и равна 0^◦С, описы-

температуры как функции расстояния от края

вается уравнением теплопроводности, показываю-

стержня для t = 5, 10, 20 и 25 с. За это время

щим изменение температуры T на расстоянии x от

материал метеорита прогревается до значительных

его конца в зависимости от времени t

величин на глубину до 2-3 см, а на расстоянии 7 мм

достигает 1200-1300^◦С, что близко к температуре

∂T

∂²T

= α(T )

(1)

плавления оливина (1400^◦С).

∂t

∂x²

Полубесконечный стержень — это очень при-

ближенная модель для железо-никелевой матрицы

Коэффициент α(T ) называется коэффициентом

метеорита класса палласитов, тем не менее, дает

температуропроводности. При постоянной вели-

картину эволюции температурных условий.

чине α(T ) = const решение уравнения (1) известно

Рассмотрим более близкую к метеориту модель

в аналитическом виде [14]. Однако в нашем случае

в виде железной решетки, в ячейки которой раз-

ситуация сложнее, так как коэффициент темпе-

мером 5 мм встроен оливин. На краю решетки при

ратуропроводности α(T ) зависит от температуры,

Y = 0 поддерживается температура 2000^◦С. Сама

поэтому будем решать уравнение (1) численно.

решетка в начальный момент времени имеет тем-

Для решения уравнения (1) будем использовать

пературу 0^◦С. Двумерная модель распространения

явную разностную схему [15] с учетом темпера-

тепла описывается уравнением

турной зависимости коэффициента α(T ). Условие

)

∂T

⁽∂²T

∂²T

сходимости используемой схемы, в которое входит

= α(T )

(2)

и коэффициент α(T ) накладывает ограничение на

∂t

∂x²

∂y²

шаги как по времени Δt, так и по длине стержня

Как и ранее, для его решения будем использо-

Δx: Δt < Δx²/2/α(T). В качестве рабочих значе-

вать явную разностную схему с теми же парамет-

ний были выбраны величины Δx = 0.05 см, Δt =

рами Δx = 0.05 см, Δt = 0.0005 с, которые удо-

= 0.0005 с. Задачей расчета является оценка про-

влетворяют условиям сходимости и для двумерного

грева материала на определенную величину вдоль

случая.

стержня за время падения метеорита.

На рис. 5 представлены результаты расчетов

Чтобы оценить температуру его разогрева за

по распространению тепла вдоль решетки в за-

время пролета метеорита через атмосферу (от

висимости от расстояния до ее нагретого края

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

494

КАЛИНИНА и др.

Температура, °С

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

Координата X, см

Рис. 5. Распределение температуры вдоль координаты X при фиксированных координатах Y при разных значениях

времени: а — t = 10 с и б — 20 с. Номера рядом с кривыми соответствуют координатам Y : 1 — 3 мм, 2 — 7 мм, 3 — 9 мм

и 4 — 12 мм.

(координата Y ) и времени. Видно, что величины

В. А. Алексеев, А. В. Багуля, А. Е. Волков,

немного отличаются от тех, что показаны на рис. 4,

А. А. Гиппиус, Л. А. Гончарова, С. А. Горбунов,

т.е. форма объекта нагрева влияет на результат, но

Г. В. Калинина, Н. С. Коновалова, Н. М. Окатьева,

Т. А. Павлова, Н. Г. Полухина, Н. И. Старков,

значения температуры близки на обоих графиках.

Т. Н. Сое, М. М. Чернявский, Т. В. Щедрина,

Таким образом, можно сделать вывод, что разогрев

Краткие сообщения по физике ФИАН 44 (11), 41

метеорита на расстоянии 5 мм от оплавленного

(2017) [Bull. Lebedev Phys. Inst. 44, 336 (2017), doi:

края может достигать 500^◦С через 10 с и 1100^◦С

10.3103/S1068335617110069].

через 20 с падения. Это вполне может повлиять на

P. Horn, M. Maurette, and W. Von Oertzen,

характеристики трека.

Z. Naturforsch. 22a, 1793 (1967), doi: 10.1515/zna-

1967-1117

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С. Дюррани, Р. Балл, Твердотельные ядер-

ные детекторы (Энергоатомиздат, Москва, 1990)

Близость отдельных кристаллов оливина к

[S. A. Durrani and R. K. Bull, Solid State

оплавленному и по этой причине сильно разогре-

Nuclear Track Detection: Principles, Methods and

тому краю метеорита привела к отжигу треков за

Applications (1987)].

счет нагревания метеорита при его прохождении

Р. Л. Флейшер, П. Б. Прайс, Р. М. Уокер, Треки

через атмосферу во время падения на Землю. При

заряженных частиц в твердых телах, т. 1,

отжиге треков происходит их укорачивание, причем

Методы исследования треков (Энергоатомиз-

в разной степени, в зависимости от заряда ядра

дат, Москва, 1981) [R. L. Fleischer, P. Buford Price,

[5, 6]. Этот эффект, как показали проведенные

R. M. Walker, Nuclear Tracks in Solids (Univ.

исследования, привел к существенному изменению

California Press, Berkeley, 1975)].

геометрических характеристик треков и, следо-

А. Б. Александров, А. В. Багуля, М. С. Владими-

вательно, к появлению аномалии в зарядовом

ров, Л. А. Гончарова, А. И. Ивлиев, Г. В. Калинина,

распределении.

Л. Л. Кашкаров, Н. С. Коновалова, Н. М. Окатье-

ва, Н. Г. Полухина, А. С. Русецкий, Н. И. Старков,

В. А. Царев, Краткие сообщения по физике ФИАН

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

35 (7), 19 (2008) [Bull. Lebedev Phys. Inst. 35, 205

1. В. Л. Гинзбург, Н. Г. Полухина, Н. И. Старков,

(2008), doi: 10.3103/S1068335608070038].

Е. Л. Фейнберг, В. А. Царев, Докл. Акад. наук 402,

А. Б. Александров, В. А. Алексеев, А. В. Багуля,

472 (2005).

А. Б. Дашкина, М. М. Чернявский, А. А. Гиппиус,

2. V. Alexeev, G. Kalinina, T. Pavlova, A. Bagulya,

Л. А. Гончарова, С. А. Горбунов, В. М. Грачев,

M. Chernyavsky, A. Gippius, L. Goncharova,

Г. В. Калинина, Н. С. Коновалова, Н. М. Окатьева,

S. Gorbunov, N. Konovalova, N. Okatyeva,

Т. А. Павлова, Н. Г. Полухина, Н. И. Старков,

N. Polukhina, N. Starkov, T. N. Soe, T. Shchedrina,

Тан Найнг Со и др., Краткие сообщения по физике

A. Volkov, M. Gorshenkov, et al., Astrophys. J. 829,

ФИАН 46 (12), 23 (2019) [Bull. Lebedev Phys. Inst.

120 (2016), doi: 10.3847/0004-637X/829/2/120

46, 383 (2019), doi: 10.3103/S1068335619120042].

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

АНОМАЛИЯ В СПЕКТРЕ ЯДЕР

495

9. V. Alexeev, A. Bagulya, M. Chernyavsky, A. Gippius,

ных плит: методы трекового датирования и

L. Goncharova, S. Gorbunov, M. Gorshenkov,

структурного анализа (Наука, Москва, 2008);

G. Kalinina, N. Konovalova, Jie Liu, Pengfei Zhai,

Труды ГИН РАН, вып. 577.

N. Okatyeva, T. Pavlova, N. Polukhina, N. Starkov,

13. V. P. Perelygin, S. G. Stetsenko, H. J. Crawford, and

Than Naing, Soe, et al., Astrophys. J. 829, 120

T. J. M. Symons, Z. Phys. A 338, 435 (1991).

(2016), doi: 10.3847/0004-637X/829/2/120

10. E. A. Silber, M. Boslough, W. K. Hocking,

14. Н. С. Кошляков, Э. Б. Глинер, М. М. Смирнов,

M. Gritsevich, and R. W. Whitaker, Adv. Space

Уравнения в частных производных математи-

Res. 62, 489 (2018).

ческой физики (Высшая школа, Москва, 1970),

11. P. B. Price, D. Lal, A. S. Tamhane, and V. P. Perelygin,

с. 451.

Earth Planet. Sci. Lett. 19, 377 (1973).

15. Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков,

12. А. В. Соловьев, Изучение тектонических про-

цессов в областях конвергенции литосфер-

Численные методы (Наука, Москва, 1987), с. 512.

ANOMALY IN THE NUCLEI SPECTRUM OF GALACTIC SPACE RAYS

IN OLIVINES FROM METEORITES

G. V. Kalinina¹⁾, Than Naing Soe²⁾, N. I. Starkov²⁾

¹⁾Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

(GEOKHI RAS), Moscow, Russia

²⁾Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

In this work, we investigated the anomaly in the spectrum of galactic cosmic ray nuclei in olivine crystals

from meteorites, which arose in the charge spectrum when studying crystals close to the meteorite surface.

When a meteorite falls and moves through the Earth’s atmosphere, its surface is very hot. The dynamics

of heating of the meteorite substance was investigated, a solution to the heat propagation equation was

proposed and its modeling was carried out in the Borland C++ builder environment. Estimates of the

heating of the pallasite material during the meteorite fall are obtained. It is shown that the temperature

of olivine crystals near the surface of a meteorite can reach more than 1300 degrees Celsius, which can

lead to the effect of track annealing. Due to the annealing effect, some of the tracks disappear, while others

change their geometric characteristics. This may explain the unusual shape of the distribution of nuclear

charges found in olivine crystals near the edge of the meteorite.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021