Astronomowie używają słojów drzew jako historycznego zapisu aktywności Słońca. Dzięki nim odkryli, że Słońce było znacznie bardziej aktywne w przeszłości!
Nasze Słońce nie jest bynajmniej stałym źródłem światła, jak nam się często może wydawać. Aktywność słoneczna zmienia się w dość regularnym cyklu 11-letnim, co przejawia się przede wszystkim w okresowym wzroście i spadku liczby plam słonecznych. Niemiecki astronom Samuel Heinrich Schwabe odkrył ten cykl w XIX wieku, ale obserwacje plam słonecznych rozpoczęły się wcześniej, bo już około 400 lat temu - dzięki Galileuszowi i jego lunecie. Znany dziś cykl słoneczny w dużej mierze wywodzi się zatem z tych wczesnych obserwacji. Niedawno jednak zespół naukowy ze Szwajcarii z powodzeniem zrekonstruował 11-letni cykl zmienności Słońca aż do... 969 roku naszej ery, używając informacji zapisanych w starożytnych drzewach na Ziemi. Ich publikacja pojawiła się właśnie w Nature Geoscience.
Słoje drzew są świadectwem ekologicznej i geomagnetycznej przeszłości Ziemi. Drzewa co roku tworzą w swych pniach nowe słoje, których miąższość i grubość jest uzależniona od obfitości wody i ogólnych warunków klimatycznych. Dzięki uważnemu przypisywaniu takich koncentrycznych pierścieni do określonych lat naukowcy mogą więc badać ewolucję klimatu na Ziemi - daleko wstecz w czasie. Nicolas Brehm (ETH Zürich, Szwajcaria) i jego współpracownicy wykorzystali właśnie tak próbki ściętych dawno temu drzew. Niektóre z nich były materiałem konstrukcyjnym obecnym w starych budynkach z Anglii i Szwajcarii. Udało się w ten sposób odtworzyć zmienny wpływ Słońca na naszą planetę, mierząc w nich m. in. zawartość radioaktywnego węgla-14.
Na zdjęciu: Koronalny wyrzut masy.
Źródło: SDO / NASA
Węgiel-14 (C-14, radiowęgiel) poza sześcioma protonami posiada dodatkowo osiem neutronów. Jest dość rzadkim wariantem bardziej typowego atomu węgla, który ma tylko sześć neutronów. Z powodu tych nadliczbowych neutronów rozpada się on ostatecznie na azot, z czasem połowicznego rozpadu wynoszącym 5730 lat. Radiowęgiel jest wciąż obecny na Ziemi, ponieważ cząstki wysokoenergetyczne ze Słońca nieustannie uderzają w atomy azotu obecne w górnych warstwach jej atmosfery, przekształcając je wówczas w C-14. Świeżo wyprodukowane atomy węgla-14 są następnie włączane do cząsteczek "zwykłego" dwutlenku węgla i ostatecznie wchłaniane przez żywe rośliny lub zwierzęta. Dopóki dana istota żyje, stosunek C-14 do zwykłego węgla w jej ciele pozostaje stały i wynosi około jednej części na miliard. Po śmierci ilość węgla C-14 zaczyna się jednak stopniowo zmniejszać, a naukowcy mogą mierzyć jego zmieniającą się obfitość w historycznych materiałach organicznych.
Brehm i jego współpracownicy postawili jednak tę metodę nieco do góry nogami: najpierw datowali każdą pojedynczą próbkę, pierścień po pierścieniu, używając dostępnych historycznych zapisów słojów, a dopiero w drugiej kolejności znając już dokładny wiek każdego słoja w swoich próbkach, próbowali dowiedzieć się, ile węgla-14 było dawniej w atmosferze i jak się to zmieniało w miarę wzrostu każdego słoja i jak zmieniała się jego obfitość z roku na rok. Wiemy, że słoje drzew powinny zawierać różne ilości węgla-14 w zależności od ówczesnej, zmieniającej się co roku aktywności Słońca. W czasach wysokiej aktywności słoneczne pole magnetyczne i wiatr słoneczny są silniejsze, skuteczniej chroniąc Ziemię przed galaktycznym promieniowaniem kosmicznym tworzącym izotop C-14. Kiedy z kolei aktywność słoneczna jest niska, Ziemia jest słabiej chroniona, przez co więcej kosmicznych cząstek może dotrzeć do Ziemi. Wyższa aktywność słoneczna (mierzona na przykład ilością plam słonecznych) powinna zatem generalnie skutkować mniejszą obfitością C-14, i na odwrót.
Jednak wpływ Słońca na produkcję węgla-14 jest bardzo mały, a statystyczny szum wywoływany w takich danych na przykład przez pogodę jest tego samego rzędu wielkości, co oczekiwany sygnał. Wcześniejsze próby innych grup przyniosły zatem niejednoznaczne rezultaty. Co więcej, bardzo niskie stężenie węgla-14 wymaga dużych próbek pni drzew, a pomiar jego obfitości zajmuje sporo czasu. Objęcie badaniami całego milenijnego okresu (969 - 1933 r.) byłoby zatem zbyt czasochłonne, gdyby robiono to w tradycyjny sposób.
Zespół przyjął więc nowatorskie podejście: zamiast mierzyć radioaktywność emitowaną przez rozpadający się węgiel-14, jak to miało miejsce w przypadku poprzednich badań aktywności Słońca zapisanej w słojach drzew, policzono atomy C-14 bezpośrednio, za pomocą akceleratorowego spektrometru masowego (AMS). W praktyce uczeni odparowali próbki, aby zjonizować ich atomy, a następnie użyli pola magnetycznego, by przyspieszyć jony i rozdzielić je (posegregować) według mas. Rozwój technologii AMS w ETH Zürich sprawił, że mogli przy tym użyć znacznie mniejszych próbek, przyspieszyć sam proces pomiaru i wreszcie osiągnąć wymaganą precyzję.
Wyniki opublikowane w Nature Geoscience wskazują na ponad dwukrotnie wyższy niż poprzednio szacowany, roczny zapis zawartości węgla-14. Dzięki pomyślnemu dopasowaniu tempa produkcji C-14 do aktywności słonecznej w ciągu ostatnich 400 lat naukowcy mogli rozszerzyć zapis aktywności Słońca na czas jeszcze sprzed wynalezienia teleskopu! Wiadomo też, że w okresach długotrwałego spadku aktywności Słońca tempo produkcji węgla-14 rosło zgodnie z oczekiwaniami: okresy, w których plam słonecznych było niewiele, zwłaszcza tzw. minima Spörera, Maundera i Daltona, są wyraźnie widoczne w zapisie znalezionym w słojach dawnych drzew.
Naukowcy zidentyfikowali, także trzy ostre piki zwiększonej produkcji C-14, które wiążą się z wyjątkowymi erupcjami słonecznymi obecnymi w latach 993, 1052 i 1279. Pierwszy został pierwotnie odkryty i opublikowany w 2013 roku na podstawie niezależnej analizy słojów. Teraz, biorąc pod uwagę wydarzenia wykryte w tym badaniu, wydaje się statystycznie nieprawdopodobne, aby mogło je spowodować cokolwiek innego niż Słońce. Wydaje się też jednocześnie, że wszystkie trzy wykryte wydarzenia są skutkiem erupcji słonecznych o wiele bardziej intensywnych lub przynajmniej znacznie różniących się od głównych erupcji słonecznych obserwowanych w czasach współczesnych - w tym słynnego efektu Carringtona z 1859 r.
Na zdjęciu: Obrazy w świetle widzialnym z Obserwatorium Dynamiki Słońca NASA ukazują różnicę w liczbie plam słonecznych w minimum (po lewej) i maksimum (po prawej) słonecznym.
Źródło: NASA
To prawie tak, jakby nasze Słońce miało podwójną osobowość: przez większość czasu jest rodzajem dobrego „starszego brata”, który chroni nas przed cząstkami energetycznymi krążącymi po Galaktyce, ale czasami zmienia się w brutalnego łobuza, uderzając nas własnym ciosem z wysokoenergetycznych cząstek, kiedy najmniej się tego spodziewamy - podsumowują autorzy. Ich praca będzie teraz polegała na rozszerzeniu analiz. Dokładnie datowane dane dotyczące słojów drzew są dostępne aż dla ostatnich 12 000 lat, a według zespołu mogą istnieć w nich dowody potwierdzające inne historyczne erupcje słoneczne.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna praca naukowa: Brehm, N., Bayliss, A., Christl, M. et al. Eleven-year solar cycles over the last millennium revealed by radiocarbon in tree rings. Nat. Geosci. 14, 10–15 (2021)
- Datowanie radiowęglowe
Źródło: Sky&Telescope
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Erupcja słoneczna wyrzuca ze Słońca naładowane, wysokoenergetyczne cząstki. Jeśli jest wystarczająco silna i skierowana w stronę Ziemi, cząsteczki te mogą spowodować gwałtowny wzrost produkcji węgla-14.
Źródło: SOHO ESA & NASA
