Значительное изменение химического состава Земли и других тел Солнечной системы, а также туманностей происходит за счет ядерных реакций с космическими лучами. В связи с тем, что эти реакции протекают в течение очень длительного времени, их эффект становится заметным. Легче всего его можно заметить в метеоритах — самых маленьких телах Солнечной системы.
Багодаря интенсивному облучению космическими протонами высокой энергии в метеоритах накапливаются значительные количества Не3. Рассчитано, что при облучении железных метеоритов космическими лучами образуется 5 · 10—14 сm3 Не3 на 1 г метеорита в год. Поэтому гелий в метеоритах характеризуется очень высоким содержанием изотопа Не3; средняя величина отношения Не3/Не4 для железных метеоритов равна 0,32. В метеоритах образуются также значительные количества трития. Изменение его содержания в трех железных метеоритах в момент их падения на Землю дало величины от 1,2 · 104 до 3 · 106 атοм/г.
Недавно в железных и каменных метеоритах были обнаружены долгоживущие радиоактивные изотопы — А126, Be10, Со60 и многие другие. Наличие этих изотопов также связано с ядерными реакциями, протекающими под действием космических лучей. Для изучения продуктов таких реакций наибольший интерес представляют недавно упавшие метеориты. К ним относится, например, Ярдышлинский метеорит, который упал на территории Азербайджанской ССР 24 ноября 1959 г. Собрано уже несколько осколков этого метеорита общим весом около 150 кг. В настоящее время проводится его исследование с целью обнаружения’ сравнительно короткоживущих продуктов расщепления железа космическими протонами.
Обнаружены аномалии в изотопном составе ряда элементов в метеоритах по сравнению с земными объектами. Максимальные изотопные сдвиги наблюдаются для аргона, неона и калия. Например, относительное содержание изотопа К40 в калии, выделенном из ряда железных метеоритов, в 200 раз превышает его содержание в земном калии. Изучение аномальных распространенностей стабильных изотопов, а также содержания радиоактивных изотопов в железных и каменных метеоритах может привести к ряду очень интересных выводов. Прежде всего оказывается возможным по распределению космогенных изотопов (т. е. изотопов, образованных во время существования метеоритов в результате ядерных реакций с космическими лучами) оценить первоначальную массу и размеры метеорита, которые он имел до попадания в атмосферу Земли. Сущность этого метода заключается в том, что космические лучи проникают внутрь вещества метеорита с различной интенсивностью в зависимости от расположения исследуемой пробы внутри массы метеорита. Чем дальше от поверхности, тем меньше интенсивность, а главное — энергия космических лучей. Это особенно важно для тех космогенных изотопов, сечение которых изменяется с энергией. Э. Файермен измерил содержание Не3 в различных кусках одного из железных метеоритов Грант и нашел, что первоначальная масса этого метеорита была равна 880 кг, причем 400 кг распылились в атмосфере.
По содержанию космогенных изотопов можно оценить так называемый космический возраст метеоритов — время, которое прошло с момента их образования при развале астероида или какого-нибудь другого тела сравнительно больших размеров (в котором внутренние части экранированы от космического излучения) до момента падения на Землю, где интенсивность космического излучения очень мала. Все полученные в настоящее время данные показывают, что имеются существенные различия между космическим возрастом каменных и железных метеоритов. Для каменных метеоритов он колеблется от 5 до 500 млн. лет, для железных от 200 до 2000 млн. лет. Такое расхождение может свидетельствовать о распаде каменных метеоритов после их образования из астероидов или об утечке инертных газов из каменных метеоритов, космический возраст которых определяется в основном по изотопному составу. Для решения этого очень важного для космогонии всей Солнечной системы вопроса необходимо знать точные данные о сечениях образования отдельных космогенных изотопов при взаимодействии космических лучей различной энергии со всеми атомными ядрами, входящими в состав метеоритов. Они могут быть получены на современных ускорителях.
Например, один из авторов настоящей книги совместно с сотрудниками изучил выходы различных изотопов, образующихся при облучении железной мишени протонами различной энергии. Путем такого моделирования ядерных реакций, протекающих в железных метеоритах, удалось определить скорости накопления всех космогенных изотопов. Оказалось, что за 1 млрд, лет в железных метеоритах за счет расщепления ядер железа накапливается до 5 · 10¯8 г космогенных изотопов на 1 г метеорита. Полученные в этой работе данные о скоростях образования различных космогенных изотопов могут быть использованы для точного определения космического возраста железных метеоритов, а также для определения времени падения метеоритов на Землю, интенсивности космических лучей и изменения ее на протяжении последних миллиардов лет.
Таким образом, детальное изучение метеоритов и ядерных реакций, которые в них протекают, приобретает все более важное значение для решения многих основных проблем мироздания. Подобные исследования не могут быть заменены никакими другими, хотя и будут существенно дополнены изучением вещества некоторых планет солнечной системы.
Космические лучи при попадании в атмосферу Земли испытывают соударения с атомными ядрами элементов атмосферы, в результате чего возникают вторичные нейтроны разнообразных энергий и мезоны. Во всей толще атмосферы образуется в среднем 2,6 нейтр/см2 сек. В зависимости от энергии нейтронов в атмосфере протекают следующие ядерные реакции:
Ν14(n, р)С14 (тепловые нейтроны);
Ν14(n, Не4)В11(En >1 Мэв);
N14(n, Н3)С12(En ≥ 4 Мэв).
Первая реакция является источником С14 в атмосфере и земной коре. Общее количество этого изотопа в земной коре достигает 80 т, что соответствует образованию 10 кг С14 в год.
Тритий образуется в земной коре главным образом под действием нейтронов космических лучей в количестве 0,12 атом/см2 сек. Это соответствует общему содержанию 1,8 кг трития в земной коре. Из этого количества лишь 1 % содержится в атмосфере и 1 % — в речных водах. Определение содержания трития в атмосферных осадках, в водах озер л морей дает ответ на ряд геохимических вопросов, позволяет установить, время, прошедшее с момента испарения воды из океана и выпадения ее в виде дождя, отличить подземные воды от поверхностных.
Недавно в дождевой воде был впервые обнаружен изотоп Be7. Он образуется в атмосфере под действием быстрых протонов по реакции N14(p, 2α)Ве7. Скорость его образования равна 2300 атом/см2 в день. Обнаружены также и долгоживущие изотопы Be10, Р32 и S35, Последний изотоп возникает, по-видимому, в результате расщепления атмосферного аргона под действием космических протонов. Содержание S35 оценивается равным 100—1175 атомов в 1 мл воды.
В последнее время начались исследования по обнаружению различных продуктов ядерных реакций, протекающих под действием космических лучей на атомы элементов, входящих в состав минералов и горных пород земной коры. Эти исследования сопряжены с большими трудностями, но они будут преодолены, и тогда можно будет, по-видимому, найти ответы на многие очень интересные вопросы относительно наблюдаемых аномалий в распространенности отдельных элементов-и их изотопов.