Каждую секунду Земля подвергается бомбардировке огромным количеством космических лучей — невидимых субатомных частиц, происходящих от таких вещей, как Солнце и взрывы сверхновых. Эти высокоэнергетические, далеко прошедшие космические лучи сталкиваются с атомами, когда они входят в атмосферу Земли, и вызывают каскады вторичных космических лучей.
Когда вторичные космические лучи проникают в верхние метры поверхности Земли, они превращают элементы в минералах, такие как кислород, в редкие радиоизотопы (или «космогенные радионуклиды»), включая бериллий-10 (Ве-10) и углерод-14 (С-14). Затем ученые могут изучить вариации концентраций этих космогенных нуклидов, чтобы оценить, как долго горные породы находятся на поверхности Земли.
Это, в свою очередь, позволяет исследователям лучше понять планетарные процессы, такие как скорость эрозии, всего лишь из килограмма речного песка.
Грегори Хок, профессор Джесси Пейдж Герой и заведующий кафедрой наук о Земле и окружающей среде Колледжа искусств и наук Сиракузского университета, Дж. Р. Слоссон, научный сотрудник Массачусетского университета в Амхерсте, получивший докторскую степень. из Сиракузского университета и Нэт Лифтон, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Университета Пердью, недавно стали соавторами исследования, опубликованного в Geophysical Research Letters , в котором анализируются космогенные радионуклиды в образцах из аргентинских Анд.
Цель проекта состояла в том, чтобы задокументировать количество времени, в течение которого материал находится на склонах холмов в Андах, относительно общей скорости эрозии речного бассейна. Эта информация имеет решающее значение, чтобы помочь ученым определить риски оползней и понять, как изменение климата повлияет на динамику переноса материалов на склонах холмов по мере того, как регионы становятся более влажными или более сухими.
Чтобы определить скорость эрозии, команда взяла образцы речного песка, собранного у подножия восточного склона Анд в провинциях Мендоса и Сан-Хуан, расположенных в западно-центральной части Аргентины. Речной песок должен представлять собой репрезентативную, хорошо перемешанную пробу всего водосбора (или области стока) вверх по течению от места, где была отобрана проба.
В лаборатории Хоука в Сиракузском университете песок обрабатывали, чтобы отделить чистый кварц от других минералов, присутствующих в образце. Исследователи используют чистый кварц, поскольку он является оптимальным источником Be-10 и C-14. Сплиты чистого кварца были отправлены в Университет Буффало и в лабораторию Лифтона, где были извлечены бериллий и углерод соответственно. Последующие измерения C-14 были выполнены в лаборатории PRIME Университета Пердью, а Be-10 был проанализирован в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса для определения концентрации каждого радионуклида.
Самые высокие невулканические вершины Анд расположены между Сантьяго, Чили, и Мендосой, Аргентина. Речные бассейны, впадающие в высокие Анды, имеют высоту 5000 м (16 500 футов), а их склоны покрыты скоплениями каменистых обломков, известных как осыпи и осыпи.
Поскольку Be-10 и C-14 образуются пропорционально, но распадаются с совершенно разной скоростью, концентрации космогенных радионуклидов в образце показывают скорость, с которой отложения образуются на голых поверхностях горных пород (Be-10), и время, необходимое для перемещения вниз. склоны через оползни (C-14).
По мере мобилизации и погребения отложений в результате оползней скорость производства обоих изотопов уменьшается, но поскольку C-14 распадается в 1000 раз быстрее, чем Be-10, их пропорциональность быстро меняется. Это пропорциональное изменение позволило авторам применить статистическую модель для определения средней продолжительности времени, необходимого материалу для спуска по осыпным склонам.
Профессор EES Грегори Хок стал соавтором исследования, в котором изучалось, как долго материал находится на склонах холмов в Андах.
По словам автора Грегори Хоука, это одно из первых исследований, в котором использовалась комбинация Be-10 и C-14, чтобы показать долгосрочную среднюю скорость образования отложений, а также время и процесс, необходимые для движения вниз к и через реки, что дает более широкую картину вовлеченных факторов.
«Ранее мы полагались почти исключительно на измерения концентрации Be-10 и наносов, сделанные на речных водомерных станциях, для оценки средней скорости эрозии», — отмечает Хок. «Что привлекло нас в изучении этих водосборов с помощью C-14, так это совпадение данных датчика и данных Be-10. Мы ожидали увидеть, что два изотопа и данные датчика дадут одинаковые скорости и продемонстрируют, что горная эрозия происходила в устойчивом состоянии».
В то время как концентрация Be-10 вернулась, как и ожидалось, в течение длительного времени, они обнаружили, что содержание C-14 было намного ниже, чем ожидалось, а это означает, что отложения, вымытые из высокогорных водоразделов, были защищены от космических лучей в течение как минимум 7–15 тысяч лет. . Авторы объясняют, что временное хранение в осыпных склонах лучше всего объясняет более низкую концентрацию С-14 по сравнению с Ве-10.
«Это исследование показывает, что можно заполнить важный пробел во временной шкале наблюдений, используя пару C-14/Be-10, которая воссоздает то, что действительно происходит на склонах холмов», — говорит Хок.
По словам Дж. Р. Слоссона, учитывая риск, который оползни представляют для людей и инфраструктуры, их результаты показывают, что C-14 может иметь важное значение для понимания динамики переноса наносов в будущем и потенциально помочь предсказать, где могут произойти оползни в будущем. Он поясняет: «Использование C-14 вместе с Be-10 дает новое представление о сложности переноса наносов в горных условиях и может служить фоном для оценки современных изменений в процессах на земной поверхности».
