IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЗЮССА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Малышева А.В. 1

---

1ГБОУ СОШ ОЦ "Лидер" №5, г.о. Кинель, Самарская область

Гуськова Е.М. 1

---

1ГБОУ СОШ ОЦ

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Актуальность: научно-технический прогресс и многогранная хозяйственная деятельность человека в настоящее время вызывает серьезные опасения о возможных антропогенный изменение природной среды. Сотни миллионов лет в окружающей среде поддерживалось динамической равновесие между поступлением важнейших элементов для жизни из разных источников и их удалением. Однако, антропогенное воздействие постоянно нарушает это равновесие, что, безусловно, может оказаться катастрофическим для важнейшего функционирования и развития человеческого общества. В связи с этим возникает настоятельная необходимость в более современных методах качественной и количественной оценки изменения концентрации элементов, необходимых для сохранения окружающей среды в благоприятном для человека состоянии.

К важнейшим биогенным элементам относится углерод. Он играет существенную роль во всех формах жизни и участвует в большинстве биологических, биохимических, биогенных процессах, происходящих на земле

Известно, что кроме космического углерода в атмосферу попадает и антропогенный углерод, количество которого зависит от многих причин и плохо поддается оценке.

Исходя из выше сказанного не подлежит сомнению, что исследование процесса накопления CO₂ в атмосфере в широком интервале времени, схватывающем прошлое, настоящее и будущее актуальны.

Цель: подробно изучить Зюсс-эффект и рассчитать коэффициент корреляции вариации радиоуглерода с различными индексами солнечной активности.

Задачи:

Исследовать изменения концентрации радиоуглерода, начиная с 20 века, в период, когда различные виды деятельности человека внесли существенный вклад в концентрации углерода.

Изучить и оценить Зюсс-эффект.

Изучить различные подходы получения антропогенного углерода.

Исключить из радиоуглеродных данных и затем исследовать связь «чистых» данных с различными индексами солнечной активности.

Объект исследования: образование и миграция радиоуглерода.

Предмет исследования: связь концентрации радиоуглерода с астрофизическими процессами на основе пятирезервуарной модели.

Новизна и оригинальность работы: рассмотрены наряду с природными источниками вариации радиоуглерода антропогенные факторы изменения концентрации радиоуглерода и исследована корреляционная связь между вариациями радиоуглерода и солнечной активностью.

Значимость работы: к настоящему времени еще не сделан точный прогноз потребление ископаемого и не завершено исследование глобального углеродного цикла Земли – задач, решение которых необходимо для определение реального роста концентрации атмосферного СО₂ в будущем. Но уже на основе сегодняшних достижений можно прогнозировать увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере за счет сжигания топлива.

Глава I. Обзор литературы.

2.1 Радиоуглерод в земных резервуарах.

2.1.1 Образование радиоуглерода в земных резервуарах.¹

Под действием космического излучения в атмосфере и веществе Земли образуется и накапливается стабильные и радиоактивные космогенные изотопы. Одним из таких изотопов является изотопы углерода.

В настоящее время известны 6 изотопов углерода. Два из них ¹²C и ¹³С являются стабильными. Остальные 4 изотопа ¹⁰С, ¹¹С, ¹⁴С и ¹⁵С – радиоактивные и имеют периоды полураспада от 0,74 с до 5 730 лет. Наибольший интерес предоставляет долгоживущий изотоп ¹⁴С, некоторое количество которого (10^-10%) всегда находится в природной смеси изотопов углерода. Период полураспада радиоуглерода ¹⁴С – 5 730 + 40 лет. Благодаря большому периоду полураспада ¹⁴С, в природном резервуаре накапливается некоторая равновесная величина, которой с одной стороны определяется скоростью образования ¹⁴С, а с другой стороны скоростью его распада.

Источником образования ¹⁴С в атмосфере являются нейтроны, образующиеся главным образом при расщеплении ядер атмосферных газов космических излучений.

Высокоэнергетическое первичное космическое излучение, наблюдаемое на границы атмосферы Земли, состоит из галактических и солнечных космических лучей (КЛ), причем большую часть, не менее 90-95% от глобальной средней интенсивности, составляют галактические КЛ. Солнечные КЛ состоят в основном из высокоэнергетических протонов, которые образуются при вспышках на Солнце.

Космогенные радиоизотопы углерода ¹⁴С образуются в природе естественным путем в результате взаимодействия нейтронов космического происхождения с земной атмосферой (см. рис. 1)

Рисунок 1. Образование, распределение и распад радиоуглерода.

Главным образом изотоп ¹⁴С образуется по реакции:

₇N¹⁴ + n  ₆C¹⁴ + p + 0.626 МэВ

Скорость образования радиоуглерода составляет 2.2 - 2.3 атом/(см2 с) — по массе это примерно 22.5 г/сут. Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остается примерно постоянным: (227 ± 1) Бк/кг. Общее количество космогенного ¹⁴C в биосфере около 8.5 ЭБк. Таким образом, в атмосфере Земли в общей сложности постоянно находится около 80 тонн радиоуглерода. Удельная активность углерода в обменной системе составляет около 15 распадов за 1 мин на 1 г углерода. За 80 лет распадается около 1% первоначального числа атомов ¹⁴С.

Образовавшийся в атмосфере ¹⁴С окисляется до углекислого газа. Растения поглощают углекислый из атмосферы, а животные питаются растениями, поэтому растительный и животный мир содержат радиоуглерод. Атмосферный углекислый газ проникает так же в океаны в виде растворенного карбоната и гидрокарбоната. Таким образом, в земных условиях сфера обменной системы углерода охватывает атмосферу, биосферу, поверхностные слои океанов и морей, глубинные океанические воды, органическое вещество почвы, отложения озер, морей, океанов, то есть радиоуглерод включается в природный круговорот углерода.

2.1.2 Миграция радиоуглерода.²

Большая часть естественного радиоуглерода образуется в атмосфере. Перенос ¹⁴С из стратосферы в тропосферу зависит от времени года и широты. Естественный ¹⁴С сравнительно быстро (от 3 до 5 лет) перемешивается в стратосфере каждого полушария и в течение 2-4 лет переносится в тропосферу преимущественно весной и в начале лета.

Возникающий в атмосфере ¹⁴С окисляет до углекислого газа и смешивается с нерадиоактивной двуокисью углерода (см. рис. 2). В процессе фотосинтеза ¹⁴С проникает в биосферу, которая охватывает часть атмосферы, гидросферы и часть литосферы. На земле ¹⁴С накапливается в растениях за счет фотосинтеза, а затем, по пищевым цепочкам поступает в организмы животных и, в составе продуктов питания — в организмы людей. Участвуя в обменных процессах вместе со стабильным углеродом, ¹⁴С проникает во все органы, ткани и молекулярные структуры живых организмов. При разложении органических соединений часть атомов радиоуглерода вновь поступает в атмосферу. В среднем, содержание радиоуглерода в биосфере близко к его содержанию в атмосфере.

Рисунок 2. Перенос радиоуглерода во все резервуары.

Перенос ¹⁴С из атмосферы в океан и его распределение в океане осуществляется путем обмена углекислого газа между атмосферой и поверхностным слоем океана и перемешивания океанических бассейнов. Глубинные слои океана, где время, проводимое углеродом - более тысячи лет, будут заметно обеднены ¹⁴C по сравнению с атмосферой. Поверхностные слои океана, со средним временем жизни в 100-150 лет будут тоже обеднены.

Часть углерода на земле сосредоточена в осадочных породах в виде карбонатов и органического углерода. По данным А.П. Виноградова, карбонатные осадочные породы содержат около 5*10²² г углерода, глины и сланцы - 10²²г, угли и нефти - 6,4*10²² г. Часть углерода (около 44*10¹⁸г) содержится в быстро перемешивающимся углеродом резервуаре – атмосфере, биосфере, гидросфере (см. таблица 1).

Таблица 1. Распределение изотопов углерода в обменном резервуаре.

Рассмотрим пятирезервуарную модель.³

Рисунок 3. Пятирезервуарная модель

Обозначение:

τ21 - из Атмосферы в Биосферу; 30, 8 лет;

τ12 – из Биосферы в Атмосферу; 30,6 лет;

τ32 – из Биосферы в Гумус; 37 лет;

τ13 – из Гумуса в Атмосферу; 101 год

τ41 - из Атмосферы в Поверхностный слой океана; 10 лет

τ14 – из Поверхностного слоя океана в Атмосферу; 8,5 лет

τ54 – из Поверхностного слоя океана в Глубинный слой океана; 145 лет

τ45 – из Глубинного слоя океана в Поверхностный слой океана; 25 лет

τ – из Поверхностного слоя океана в Осадок; 46*103 лет

2.2 Солнечная активность.⁴

С изменением потока первичных КЛ меняется и скорость образования нейтронов, а, следовательно, и скорость образования ¹⁴С в атмосфере Земли. Струве предложил и качественно рассмотрел связь между солнечной активностью и концентрацией радиоуглерода в атмосфере Земли.

Известно, что поток космических лучей непостоянен, а, следовательно, и скорость образования радиоуглерода меняется во времени. Хорошо установлен эффект влияния солнечной модуляции на поток галактических космических лучей, а также ее воздействие на образование ¹⁴С. Этот поток, достигающий поверхности Земли, “обратно коррелирует” с 11-летним циклом солнечной активности. Между результатами измерений концентрации ¹⁴С и числами солнечных пятен удалось установить следующее соотношение: когда солнечная активность высока, Земля сильнее экранирована от галактических космических лучей и образование ¹⁴С уменьшается; когда же солнечная активность низка, в окрестности Земли растет поток космических лучей и, соответственно, сильнее генерируется ¹⁴С. Важно также учитывать и другие эффекты. Наиболее очевидный - это изменяющаяся во времени напряженность магнитного момента Земли.

Некоторое увеличение концентраций ¹⁴С могут вызвать потоки частиц, возникающих при мощных вспышках на Солнце. Так во время сильной вспышки 23 февраля 1956 года скорость образования ¹⁴С увеличилось примерно в 2 раза, что привело к увеличению концентрации радиоуглерода на 0,75 %, а все вспышки цикла: 20 января 1957г., 23 марта и 7 июля 1958 г., 10мая,10,14,16 июля 1959г., 12 и 15 ноября 1960г., 12 и 18 июля 1961г. дали увеличение концентрации ¹⁴С на 1,1 %.

2.2.1 Изменение магнитного поля Земли.⁵

В последние годы в связи с накоплением значительного количества экспериментального материала из архео-и палеомагнитных исследований, стало ясно, что магнитное поле Земли не осталось постоянным во времени. Известно, что с ростом геомагнитного поля интенсивность КЛ, подающих на атмосферу Земли, уменьшается, и наоборот. Это означает, что любое изменения геомагнитного поля должно отражаться на содержании радиоуглерода в атмосфере Земли.

Влияние величины магнитного поля Земли на концентрацию ¹⁴С обусловлено тем, что заряженные частицы первичных КЛ захватываются магнитным полем Земли, вызывая движения этих частиц по спирали вокруг магнитных силовых линий. Благодаря ряду процессов, связанных с потерей энергии при этом движении захваченные частицы, теряют энергию и становятся не способными вызывать ядерные реакции с образованием ¹⁴С.

2.2.2 Климатические факторы и изменение концентрации радиоуглерода.⁶

Поскольку ¹⁴С после его образования за счет космических лучей учувствует затем в круговороте в обменной системе, то, излучая изменения концентрации радиоуглерода в образцах известного возраста, можно получить информацию не только космических причинах изменения концентрации ¹⁴С, но также учить возможное влияние изменения климата.

Безусловно, чрезвычайно трудно оценить влияние климатических эффектов на амплитуду изменений концентрации радиоуглерода из – за различный характер их воздействия. В то же время такой климатический параметр, как температура, регулирует содержания СО₂ в различных частях обменного резервуара. В результате изменения температуры должны меняться и скорости перемещения углерода в атмосфере, гидросфере и т.д., т.е. должно меняться содержание ¹⁴С в образцах.

Считают, что более холодный климат ведет к увеличению содержания радиоуглерода в атмосфере, при чем это увеличение может быть значительным. Это было подтверждено результатами экспериментальных исследований, которые показали, что холодные периоды 15 и 16 веков совпадают с возрастанием уровня ¹⁴С.

Таким образом, солнечные космические лучи наряду с галактическими космическими лучами, могут вносить заметный вклад в образование космогенных изотопов радиоуглерода.

2.3 Антропогенный углерод.⁷

Радиоуглерод относится к радиоуглеродам, которые образуются в атмосфере Земли не только под действием КЛ, но и в результате человеческой деятельности.

С 50-х годов 20 века появились следующие источники образования изотопа углерода – ядерные взрывы, производившиеся в атмосфере; АЭС; атомные ускорители; исследовательские, промышленные, энергетические, транспортные реакции.

При взрыве ядерных бомб образуется большое количество нейтронов. Нейтроны поглощаются ядрами ¹⁴N, в результате чего образуется искусственный радиоуглерод. Он, в основном, образуется по той же реакции, что и естественный ¹⁴ N (n, p)¹⁴С.

Количество образовавшегося при этом ¹⁴С зависит от типа взрываемого ядерного устройства, его конструкции и мощности, а также от типа взрыва: в атмосфере, на земле, под водой. Особенно большое количество ¹⁴С образуется при воздушных взрывах, почти вдвое больше, чем при взрывах на земле. Однако при наземных взрывах также может образоваться большое количество ¹⁴С. Это связано со способностью свойств пород поверхности отражать нейтроны (альбедо). При высоком альбедо может значительно возрасти доля потока нейтронов в воздухе, а с ней и количество образовавшегося ¹⁴С.

При ядерных испытаниях в 50-е начале 60-х гг практически мгновенно в атмосферу было инжектировано огромное количество радиоуглерода, образующегося при атомном взрыве в азотной среде, что дало мощный, но короткий импульс, оказавшийся весьма полезным для изучения вопросов обмена радиоуглерода в реальных системах (см. рис. 4).⁸

Рисунок 4. Атмосферное определение содержания радиоуглерода за последние пол века

В результате масштабного сжигания ископаемого органического топлива в атмосферу выбрасываются окислы углерода, в которых содержание ¹⁴C понижено — в ископаемом топливе радиоактивный углерод полностью распался. Это приводит к разбавлению в атмосфере ¹⁴C стабильным углеродом ¹²C. За счет этого с начала 19-го века концентрация углекислого газа в тропосфере плавно возрастала и к середине 20-го века увеличилась на 2,5%. (см. рис. 5)

Рисунок 5. Вариации концентрации радиоуглерода в тропосфере на исторической шкале времени.

Еще один важный антропогенный фактор, влияющий на углеродообменную систему — это массовое сведение лесов в планетарном масштабе, начавшееся примерно два века назад и идущее до сих пор, что сильно сокращает емкость резервуара биосферы. Углерод в среднем живет в биосфере около 40 лет, но, например, в однолетних травах он живет лишь год или меньше, в деревьях — вплоть до сотен лет. Накопленный в деревьях углерод, после того, как деревья вырубаются, попадает в виде углекислого газа обратно в атмосферу. Этот углерод обеднен тяжелыми изотопами за счет фотосинтеза.

Содержание радиоуглерода в атмосфере зависит от выбросов и сбросов предприятий ядерного топливного цикла (АЭС и регенерационных заводов). На расстояниях 1 – 2 км от них содержание ¹⁴C в некоторых областях экосферы в 1.5 – 2.0 и более раз превышает его фоновое содержание.

В течении 1964-1969гг. были проведены работы по определению величины выбросов ¹⁴С в атмосферу на ядерных реакторах, используемых в то время для АЭС. Данные по определению количества ¹⁴С, поступающего в окружающее среду с выбросами реакторов указаны в таблице 2.

Таблица 2. Данные по определению количества ¹⁴С, поступающего в окружающее среду с выбросами реакторов.

Антропогенный углерод оказывает влияние на увеличение углекислого газа в атмосфере и температуры поверхности земли (см. таблица 3). ⁹

Таблица 3. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере и температуры поверхности Земли относительно 1958 года.

Как видно, присутствие молекулы вода в атмосфере существенно снижает влияние углекислого газа на тепловой баланс Земли. Приведенные цифры при средней влажности атмосферы (70%), очевидно, еще снизятся, если учесть ограниченность прозрачности атмосферы в области поглощения молекул углекислого газа из-за поглощения другими молекулами и аэрозолями. Тем не менее, через 50 лет влияние антропогенного углекислого газа на климат земли может стать заметным, таким образом необходимость в развитии энергоисточников не опирающихся на ископаемое топливо, быстро становится одной из критических проблем.

2.4 Эффект Зюсса.¹⁰

Впервые точные измерения концентрации ¹⁴С в кольцах деревьев с Атлантического побережья США, Калифорния, Аляски и Перу провел Зюсс. Он установил, что кольца, образовавшиеся в 1940-1950 гг, содержат ¹⁴С на 1-3,4% меньше, чем кольца тех же деревьев, образовавшиеся во второй половине 19 века. Наибольшее уменьшение концентрации ¹⁴С (на 3-4%) считалось в образцах деревьев, произраставших в промышленных районах на Атлантическом побережье США и в Центральной Европе. Поэтому уменьшение концентрации ¹⁴С в обменном углеродном резервуаре вследствие сжигания ископаемого топлива называют эффектом Зюсса. Его происхождение связывают с началом индустриальной революции (50-60-е годы 19 столетия), когда антропогенное влияние на природные процессы становятся заметными (см. рис. 6,7).

Рисунок 6. Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере по кольцам деревьев за последние 400 лет. Хорошо видны эффекты солнечной модуляции, особенно проявления глобальных солнечных минимумов, а также антропогенное воздействие - Зюсс-эффект.

Рисунок 7. Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере по кольцам деревьев за последние 500 лет.

В настоящее время существует три подхода к установлению величины эффекта Зюсса. Один основывается непосредственно на данных по сжигаемому топливу (топливный). Другой – на радиоуглеродных измерениях (радиоуглеродный). Третий метод (космофизический) позволяет исключить из рассмотрения вариации ¹⁴С за счет солнечной активности. Так как все эти методы являются приближенными, возможность их одновременного использования имеет очень большое значение для выяснения надежности полученных результатов.

Глава II. Практические исследования

Расчёт коэффициентов корреляции вариации радиоуглерода с различными индексами солнечной активности.

Для выявления причин временных вариаций радиоуглерода в природе необходимо прежде всего выявить и изучить многочисленные корреляционные связи между вариациями радиоуглерода с одной стороны, и различными геофизическими, гелиофизическими, астрофизическими, антропогенными с другой. Чрезвычайная сложность этой задачи станет ясной, если принять во внимание все многообразие факторов, вызывающих вариации радиоуглерода.

Цель: выполнить исключение Зюсс-эффекта и получить так называемые «чистые» данные.

Расчет коэффициентов корреляции вариации радиоуглерода с индексами солнечной активности показан в приложениях 1,2,3,4. Коэффициенты корреляции рассчитаны как со сдвигом, так и без сдвига. Из графика видно, что коэффициенты корреляции максимальны при сдвиге 4-5 лет для вин, 3-4 года для колец деревьев

Вывод: влияние солнечной активности отражается в биосфере через 4-5 лет, что подтверждает теоретические данные полученные из разных источников.

Глава III. Заключение

Работа посвящена изучения влияния антропогенного углерода на атмосферу Земли. Знание о концентрации «мертвого» углерода на Земле необходимо для сохранения окружающей среды. На сегодняшний день радиоуглеродные данные дают чрезвычайно важную и интересную информацию о глобальных природных процессах, связанных с солнечной активностью и изменениями климата. Данная проделанная работа позволяет сделать следующие выводы:

В период с 1950-х годах деятельность человека вела к уменьшению концентрации естественного радиоуглерода.

В радиоуглеродных данных с начала 20 века появляется антропогенный фактор.

Исключили Зюсс-эффект с помощью стандартных программ современных: MultiLab, Excel.

Существует отрицательная корреляция между концентрации ¹⁴C в точно датированных органических образцах и 11-летнеми циклом солнечной активности. Коэффициент корреляции между различными индексами солнечной активности и вариациями радиоуглерода показывает, что сдвиг между солнечной активности и процессами на Земле 4-5 лет.

5. Сдвиг между максимумом солнечной активности и минимум концентрации радиоуглерода складывается из времени заполнения области, в течение которого резервуары откликаются на изменение концентрации радиоуглерода в атмосфере.

Библиография

Бурчуладзе А.А., Пагаев С.В., Повинец П., Тогонидзе Г.И., Усачев С. Изучение поведения дариоуглерода в атмосфере. Сборник совместных работ 1955-1986, Братислав, 1987 г. Стр. 158

Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л., 1987

Дергачев В. А., Чистяков В. Ф. Солнечный цикл. СПб., 1993 г. Стр. 112-130

Брокекер В.С., Такахаши Т., Сшипсон Х. Дж. Проблемы атмосферного углекислого газа, 1996 г, с. 40-78

Кривошеева О.М. Влияние деятельности человека на содержание радиоуглерода в атмосфере Земли, 2000 г. Стр. 12

В. А. Дергачев, Г. Е. Кочаров, С. А. Румянцев. Труды Всесоюзного совещания по проблеме «Астрофизические явления и радиоуглерод» Тбилиси, 1970.

Кулькова М.А. Радиоуглерод в окружающей среде и метод радиоуглеродного датирования. СПб, 2011 г.

Скляров А.Ю. Чего изволите-с?.. Меню радиоуглеродного датирования и дендрохронологии.

Я.В. Кузьмин, Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке. http://antropogenez.ru/article/373/

В. Левченко, Радиоуглерод и абсолютная хронология. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm

Приложение 1. Экспериментальные данные Братиславского университета

График 3. Результаты исследования дендрохронологически датированных колец деревьев, произрастающих на территории Словакии.

Приложение 2. Экспериментальные данные Тбилисского университета.

Приложение 3. По данным Братиславского университета.

Коэффициент корреляции по числам Вольфа.

Без учета Зюсс-эффекта.

С учетом Зюсс-эффекта.

Приложение 4. По данным Тбилисского университета.

Коэффициент корреляции по числам Вольфа.

Без учета Зюсс-эффекта.

С учетом Зюсс-эффекта.

1^ Бурчуладзе А.А., Пагаев С.В., Повинец П., Тогонидзе Г.И., Усачев С. Изучение поведения риоуглерода в атмосфере. Сборник совместных работ 1955-1986, Братислав, 1987 г. Стр. 158

2^ Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л., 1987

3^ В. Левченко, Радиоуглерод и абсолютная хронология. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm

4^ Дергачев В. А., Чистяков В. Ф. Солнечный цикл. СПб., 1993 г. Стр. 112-130

5^ Я.В. Кузьмин, Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке. http://antropogenez.ru/article/373/

6^ Кулькова М.А. Радиоуглерод в окружающей среде и метод радиоуглеродного датирования. СПб, 2011 г.

7^ В. А. Дергачев, Г. Е. Кочаров, С. А. Румянцев. Труды Всесоюзного совещания по проблеме «Астрофизические явления и радиоуглерод» Тбилиси, 1970.

8^ Кривошеева О.М. Влияние деятельности человека на содержание радиоуглерода в атмосфере Земли, 2000 г. Стр. 12

9^ Брокекер В.С., Такахаши Т., Сшипсон Х. Дж. Проблемы атмосферного углекислого газа, 1996 г, с. 40-78

10^ Скляров А.Ю. Чего изволите-с?.. Меню радиоуглеродного датирования и дендрохронологии.