宇宙成因同位素10Be的生成Word文档格式.docx

1、Corresponding author. E-mail address: ilya.usoskinoulu.fi （I.G. Usoskin）.一个通过地球大气层的宇宙射线生成宇宙成因同位素10Be新的定量模型。10Be（宇宙射线引起10Be的大气级联）模型是一个基于完整的蒙特卡罗全数字的，可模拟由大气中的宇宙射线引起的核子电磁介子级联，可以计算出任何给定的三维位置（地理位置和海拔高度）和时间的同位素生成速率，并适用于所有可能类型的宇宙射线的参数包括太阳高能粒子事件。 2010 Elsevier B.V.版权所有1 地球不断遭到来自太空的宇宙射线高能粒子的轰击，从而在地球的大气层中产生核子电

2、磁介子级联反应。作为这一过程的副产品，各种同位素都是本地生成的，否则是不会自然存在于地球环境中的（？）。它们被称为宇宙成因同位素。宇宙成因同位素，主要由宇宙射线产生，在不同的研究中可提供一个有用的工具，在这里提到几项研究：重建过去的陆地气候和太阳变化（例如，Raisbeck等人1979；Bard等人1997；Beer2000）、古地磁研究（瑞斯贝克等人2006），年代测定（Siame等人2004）、跟踪大气动力学（Raisbeck等人，1981；Lal2007；Usoskin等人2009b）等。其中最重要的是宇宙成因同位素10Be，由于其半衰期长约一百五十万年，这对太阳活动的长期研究是非常有用

3、的。它的丰度通常是通过独立测量分层的冰芯样本得到的。在这方面有不同的尝试模型，如在地球大气中全球宇宙成因同位素铍生成模型，表1。第一个模型是经验和半经验的，是基于对大气中一些零星的次级中子通量的测量。重大的突破发生在20世纪90年代，原因在于大气中的宇宙射线传播模型Monte Carlo法的使用（Masarik and Reedy 1995；Masarik and Beer 1999）。现代的模型掌握所有关于铍的生成过程和精确运行模式。然而，从表1的最后一行可以很明显地看出，在不同的模型中，对全球同位素生成的预测具有很大的不确定性，其中至少有两个因素。如我们早先（Usoskin和Kovalts

4、ov，2008）提出的，不确定性是与不同模式的全面规范化有关，如宇宙射线的强度和磁通量单位之间的换算系数（见1.6.2 and 1.6.3章iGrieder, 2001）。因此，基于模型的任何定量结果都存在1.52个不确定的因素。我们注意到，大多数的早期模型对于铍生成平均值的估计，不可能研究其三维的分布，只有少数的模型（MB99/09 and部分WH07表1）才能够模拟在海拔高度和地理分布上生成。本CRAC模型第一次提出，包括其他关联程序相关（例如，大气传输源代码）合并在内的铍生成的全三维仿真。表1全球大气层中铍同位素生成模型的参数比较（单位：原子（atoms）/cm/s，超过一个平均太阳周期

5、）：LP67（Lal and Peters, 1967；Lal and Suess, 1968）；OB79（OBrien, 1979;；OBrien等人1991）；L88（Lal, 1988）；MR95（Masarik and Reedy, 1995）；MB99（Masarik and Beer, 1999）；K00（Kollr et al., 2000）；N00（Nagai et al., 2000）；WH03/07（Webber and Higbie, 2003；Webber等人2007）；MB09（Masarik and Beer, 2009）；CRAC本项工作（针对10Be）（Usos

6、kin andKovaltsov, 2008）针对7Be.通常基于使用10Be数据的一个简单的假设首先是：在大气中的某些区域中同位素首先是均匀混合的，然后沉积于自然环境（档案）中，如极地冰（例如，McCracken, 2004; McCracken等人2004; Usoskin等人2004）。典型的假设是极地混合（仅含纬度高于60以上的地区，大致对应于极地涡旋）、全球混合（整个大气混合）和一个中间模式（整个平流层但只有极地的对流层有助于10Be的沉积）。其次是铍的沉积量被认为是成正比于相应生成区域的平均值。在这种方法的框架下，生成模式规范化的不确定性是不重要的，因为一个特设的比例因子是无论如何

7、都要使用的。最近，一个新的实际方法已被开发运用，结合同位素生成模型，使用大气环流模型直接模拟铍的传输（例如，Field等人2006; Heikkil等人2009; Pedro等人2006;等人2009b）。相比早期模型使用的特设的比例因子，这种方法能够计算同位素绝对沉积。这已被下面的案例研究所证明（Usoskin等人2009b），在2005年12月期间，分布在世界各地的不同的小组，通过运用生成+传输组合模型，很好的再现了铍另一个同位素7Be丰度的实际测量。这种方法对解决生成模式的规范化问题是非常重要的。为了使组合模型达到更加逼真的效果，同位素生成模型需要提供3D（地理坐标和海拔）和时间的数据输

8、出。最早期的模型没有提供的同位素生成的垂直剖面信息。尽管他们中的一些人有能力做3D的建模，但在公开的版本中该信息是不可用的或是该信息缺乏一个明确的数值方法。在这里，我们提出了一个新的在地球大气层中10Be生成数值模型，称为CRAC：10Be（宇宙线大气级联的10Be），这是基于一个完整的物理蒙特卡罗模拟（见2节）。为了检验模型定量的有效性，我们比较了它与直接生成实验（第3节）的结果。该模型对整个大气层中的太阳活动条件变量是有效的。它也能够计算太阳高能粒子事件的影响。我们还提供了详细的求值方法（见附录）和一组预先计算的形式表，可做为你自己的组件，以便用户可以计算任何地点和时间的10Be生成率，并

9、可与另一种模型合并（例如，大气环流的源代码）。2大气中的同位素生成建模在大气中生成的同位素10Be主要是由高能质子、中子和-粒子引起的氧和氮的散裂造成的结果。这些高能粒子可以是高层大气中初级宇宙射线或是在大气中由宇宙射线相互作用引发级联的次级粒子。在这里，我们提出了一个新的数值模型的CRAC：10Be计算各种条件下大气中同位素的生成。该模型包括使用Monte Carlo模拟工具CORSIKA大气级联全仿真程序（宇宙射线模拟KASCADE，6.617版，2007（Heck等人，1998）并对低能（低于80 GeV的能量总能量）强子的相互作用延伸使用了FLUKA工具（版本2006.3b，2007（

10、FASS等人2001）。我们使用了一个实际的大气密度曲线，并适用于二次粒子。大气化学组成中的N2，O2和Ar分别占总体积的78.1%、21%和0.9%。大气的密度分布的模型是根据美国的标准大气参数（Keilhauer等人2004）。首先运用Monte Carlo工具非常详细地计算了规定类型和能量的初级宇宙射线粒子引发级联后的次级核子（质子，中子和粒子）的能谱。这一步与CRAC：7Be模型是相同的（Usoskin和Kovaltsov, 2008）。计算完成后随即与散裂反应生成的10Be的截面进行转换。由质子和中子引发氧和氮和氩散裂的截面已被WebberHigbie （2003）采用，而粒子的截面

11、则被Lange等人采用1994，图2。这样散裂反应截面的精度通常是10%（MasarikReedy, 1995; Webber et等人2003; Masarik and Beer, 2009）。下一步，我们计算了同位素生成的屈服函数Yi（单位原子g1cm2sr），这与Usoskin and Kovaltsov（2008）的方式类似。屈服函数定义是：在地球轨道上的星际空间中规定类型i与单位能量Ji的初级粒子在局部地球大气层中生成同位素原子的数量即，一个下降中撞击能量为T/ sr s cm2的初级宇宙射线核子。在这里，我们假设初级宇宙射线的通量具有各向同性。屈服函数是计算给定能谱的宇宙射线生成同

12、位素的主要工具。表3和表4分别列明了初级宇宙质子和粒子的屈服函数。在后面，我们假设每个生成同位素核子的初级粒子事件，即，生成同位素的粒子是在这里显示的四倍。同位素的生成在一个给定的大气水平h（g/cm2）和地磁截止刚度Pc，可以对不同种类的宇宙射线总和进行下面完整的计算：这里的是调制势能的时间变量，这取决于太阳磁场活动水平（Gleeson和Axford, 1968; Caballero-Lopez和Moraal, 2004）。Ji给出了核子数（即四个质子粒子相当于粒子）单位：核子（nucleons）（cm2sr s GeV/nuc）1。方程式（1）的整合是动能高于Tc,i的T，这是当地的垂直地

13、磁截止刚度Pc,对应的动能，定义为Tr是质子的静止质量，和Zi和Ai分别是宇宙射线粒子的电荷和质量数。Tci的数值，取决于粒子的Zi/Ai比，即：受到日光层较弱的调制，同时在同位素生成中起主要作用的Ai1宇宙射线种类（WebberHigbie, 2003）。垂直地磁截止刚度的使用是简化的，这可能低估了赤道上方大气的影响（如OBrien, 2008, 2009）。然而，这是一种宇宙射线在低层大气中常用的近似方法（低于20公里），倾斜入射的宇宙射线粒子的贡献在此方程中是很微小的（例如，KudelaBobik, 2004；KudelaUsoskin 2004; Smart等人2006）。作为接近地球的银河宇宙射线能谱的合理参数，我们使用近似的力场（force field）（Usoski等人2005），能谱ith是在地球轨道的宇宙射线种类，Ji，是和未调制的本地星际能谱相关（LIS）的同一种类，JLIS,i通过调制势能（GV）并有：其中T是每核子的粒子动能，且i=（eZi/Ai）