Los nucleidos cosmogénicos (o isótopos cosmogénicos ) son nucleidos ( isótopos ) raros creados cuando un rayo cósmico de alta energía interactúa con el núcleo de un átomo in situ del Sistema Solar , provocando que los nucleones (protones y neutrones) sean expulsados del átomo (ver rayo cósmico). espalación ). Estos nucleidos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo , en la atmósfera terrestre y en elementos extraterrestres como los meteoroides . Al medir los nucleidos cosmogénicos, los científicos pueden obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos . Hay nucleidos cosmogénicos tanto radiactivos como estables . Algunos de estos radionucleidos son el tritio , el carbono-14 y el fósforo-32 .
Se cree que ciertos nucleidos primordiales ligeros (de bajo número atómico) (isótopos de litio , berilio y boro ) se crearon no sólo durante el Big Bang , sino también (y tal vez principalmente) después del Big Bang, pero antes del condensación del Sistema Solar, por el proceso de espalación de rayos cósmicos sobre gas y polvo interestelar. Esto explica su mayor abundancia en rayos cósmicos en comparación con su abundancia en la Tierra. Esto también explica la sobreabundancia de los primeros metales de transición justo antes del hierro en la tabla periódica: la espalación del hierro por rayos cósmicos produce escandio a través del cromo, por un lado, y helio a través del boro, por el otro. [1] Sin embargo, la calificación arbitraria que define a los nucleidos cosmogénicos de formarse "in situ en el Sistema Solar" (es decir, dentro de una parte ya agregada del Sistema Solar) impide que los nucleidos primordiales se formen por espalación de rayos cósmicos antes de la formación del Sol. sistema se denomine "nucleidos cosmogénicos", aunque el mecanismo para su formación es exactamente el mismo. Estos mismos nucleidos todavía llegan a la Tierra en pequeñas cantidades en forma de rayos cósmicos y se forman en los meteoritos, en la atmósfera, en la Tierra, "cosmogénicamente". Sin embargo, el berilio ( todo berilio-9 estable) está presente [2] primordialmente en el Sistema Solar en cantidades mucho mayores, ya que existió antes de la condensación del Sistema Solar y, por lo tanto, está presente en los materiales a partir de los cuales se formó el Sistema Solar. .
Para hacer la distinción de otra manera, el momento de su formación determina qué subconjunto de nucleidos producidos por espalación de rayos cósmicos se denominan primordiales o cosmogénicos (un nucleido no puede pertenecer a ambas clases). Por convención, se cree que ciertos nucleidos estables de litio, berilio y boro fueron producidos por espalación de rayos cósmicos en el período de tiempo entre el Big Bang y la formación del Sistema Solar (por lo que estos nucleidos primordiales , por definición) no se denominan "cosmogénicos", aunque se formaron mediante el mismo proceso que los nucleidos cosmogénicos (aunque en un momento anterior). [1] [3] El nucleido primordial berilio-9, el único isótopo estable de berilio, es un ejemplo de este tipo de nucleido.
Por el contrario, aunque los isótopos radiactivos berilio-7 y berilio-10 caen en esta serie de tres elementos ligeros (litio, berilio, boro) formados principalmente por nucleosíntesis de espalación de rayos cósmicos , ambos nucleidos tienen vidas medias demasiado cortas (53 días). y aproximadamente 1,4 millones de años, respectivamente) para que se hayan formado antes de la formación del Sistema Solar y, por lo tanto, no pueden ser nucleidos primordiales. Dado que la ruta de espalación de los rayos cósmicos es la única fuente posible de aparición natural de berilio-7 y berilio-10 en el medio ambiente, son, por tanto, cosmogénicos.
A continuación se muestra una lista de radioisótopos formados por la acción de los rayos cósmicos ; la lista también contiene el modo de producción del isótopo. [4] La mayoría de los nucleidos cosmogénicos se forman en la atmósfera, pero algunos se forman in situ en suelos y rocas expuestas a los rayos cósmicos, en particular el calcio-41 en la tabla siguiente.
Como se ve en la tabla anterior, existe una amplia variedad de nucleidos cosmogénicos útiles que pueden medirse en el suelo, las rocas, el agua subterránea y la atmósfera. [5] Todos estos nucleidos comparten la característica común de estar ausentes en el material huésped en el momento de la formación. Estos nucleidos son químicamente distintos y se dividen en dos categorías. Los nucleidos de interés son gases nobles que, debido a su comportamiento inerte, no están inherentemente atrapados en un mineral cristalizado o tienen una vida media lo suficientemente corta como para que se haya desintegrado desde la nucleosíntesis , pero una vida media lo suficientemente larga como para que se haya construido. concentraciones mensurables. El primero incluye medir abundancias de 81 Kr y 39 Ar, mientras que el segundo incluye medir abundancias de 10 Be, 14 C y 26 Al.
Pueden ocurrir tres tipos de reacciones de rayos cósmicos una vez que un rayo cósmico incide en la materia, lo que a su vez produce los nucleidos cosmogénicos medidos. [6]
Dado que la Tierra se abulta en el ecuador y las montañas y las profundas fosas oceánicas permiten desviaciones de varios kilómetros con respecto a un esferoide uniformemente liso, los rayos cósmicos bombardean la superficie de la Tierra de manera desigual según la latitud y la altitud. Por lo tanto, se deben comprender muchas consideraciones geográficas y geológicas para poder determinar con precisión el flujo de rayos cósmicos. La presión atmosférica , por ejemplo, que varía con la altitud, puede cambiar la tasa de producción de nucleidos dentro de los minerales en un factor de 30 entre el nivel del mar y la cima de una montaña de 5 km de altura. Incluso las variaciones en la pendiente del suelo pueden afectar hasta qué punto los muones de alta energía pueden penetrar el subsuelo. [8] La intensidad del campo geomagnético, que varía con el tiempo, afecta la tasa de producción de nucleidos cosmogénicos, aunque algunos modelos suponen que las variaciones de la intensidad del campo se promedian a lo largo del tiempo geológico y no siempre se tienen en cuenta.