Ученые реконструировали солнечную активность за последнее тысячелетие

Международная исследовательская группа во главе с ETH Zurich, результаты работы которой были опубликованы в журнале Nature Geoscience, использовала измерения радиоактивного углерода в кольцах деревьев, чтобы полностью реконструировать солнечную активность до 969 года с временным разрешением всего в один год (видео можно посмотреть ниже). Полученные данные не только убедительно подтверждают хорошо известный одиннадцатилетний цикл активности Солнца, но и позволили установить неизвестные ранее периоды выброса в космос частиц особо высоких энергий. 

Активность солнца можно наблюдать только косвенно. Например, солнечные пятна могут предоставить информацию: чем больше пятен на поверхности Солнца, тем активнее наша центральная звезда внутри. Но хотя солнечные пятна и были известны с древних времен, были подробно задокументированы они были только после изобретения телескопа около 400 лет назад. С тех пор ученые выяснили, что количество пятен меняется в соответствии с регулярными одиннадцатилетними циклами и что на них накладываются непрерывные фазы сильной и слабой солнечной активности, которые также отражаются на климате Земли.

Однако гораздо труднее понять, как развивалась солнечная активность до того, как начались эти систематические записи. Международная исследовательская группа под руководством ETH Zurich, в которую также входят исследователи из MPS и шведского университета Лунда, использовала измерения радиоактивного углерода в кольцах деревьев, чтобы проследить одиннадцатилетний цикл Солнца до 969 года. В то же время исследователи создали важную базу данных для более точного определения возраста с помощью метода C14.

Чтобы реконструировать солнечную активность за тысячелетие с исключительно хорошим временным разрешением всего за один год, ученые использовали архивы годичных колец из Англии и Швейцарии. В этих кольцах деревьев, возраст которых можно точно определить путем подсчета колец, есть крошечная доля радиоактивного углерода C14, из которого только около одного из 1000 миллиардов атомов является радиоактивным. Из известного периода полураспада этого изотопа C14 - около 5700 лет - можно сделать вывод о содержании радиоактивного углерода, которое было в атмосфере Земли во время образования годового кольца. Поскольку радиоактивный углерод в основном образован космическими частицами, которые, в свою очередь, удерживаются более или менее далеко от Земли магнитным полем Солнца - чем активнее Солнце, тем лучше оно защищает Землю, - становится возможно вывести солнечную активность по изменению концентрации C14 в атмосфере.

Однако точные измерения изменения этого и без того очень небольшого содержания подобны поиску пылинки на игле в огромном стоге сена. С помощью этого метода события радиоактивного распада C14 в образце подсчитываются непосредственно с помощью счетчика Гейгера, что требует относительно большого количества материала и, из-за длительного периода полураспада C14, даже большего времени. Но, как пояснили ученые: «с помощью современной ускорительной масс-спектрометрии мы смогли определить содержание C14 примерно до одного на тысячу всего за несколько часов, используя в тысячу раз меньший образец годового кольца».

В ускорительной масс-спектрометрии первоначально электрически заряженные атомы C14 и C12 материала дерева ускоряются до напряжения в несколько тысяч вольт, после его проходят через магнитное поле. В этом магнитном поле различные изотопы тяжелого углерода отклоняются в разной степени, и поэтому их можно считать отдельно. Чтобы наконец получить желаемую информацию о солнечной активности из этих необработанных данных, исследователи затем должны подвергнуть ее обширному статистическому анализу и обработать с помощью компьютерных моделей.

Эта процедура позволила исследователям полностью восстановить солнечную активность с 969 по 1933 год. Исходя из этого, они смогли подтвердить как регулярность одиннадцатилетнего цикла на протяжении тысячелетия, так и тот факт, что амплитуда этого цикла (то есть сила отклонения солнечной активности вверх и вниз) также меньше для длительных солнечных минимумов. «Знание прошлого нашей звезды как можно точнее и за максимально длительный период не только помогает нам лучше понять внутреннюю динамику нашей звезды. Это также позволяет нам лучше оценить, как Солнце может вести себя в будущем», - пояснили исследователи.

Данные измерений также позволяют подтвердить особое событие на Солнце в 993 году. В так называемом событии SEP (событие солнечных энергетических частиц) Солнце выбрасывает в космос особенно высокоэнергетические частицы, такие как протоны. Если эти частицы достигают Земли, это приводит к небольшому перепроизводству C14. Кроме того, исследовательская группа обнаружила свидетельства двух других ранее неизвестных событий в 1052 и 1279 годах. Это может свидетельствовать о том, что такие события, которые могут создавать небольшие помехи для электронных схем на Земле и в спутниках, происходят чаще, чем считалось ранее.

Поскольку архивы годичных колец существуют в течение последних 14000 лет, исследователи хотят использовать свой метод, чтобы в ближайшее время определить годовые концентрации C14 до конца последнего ледникового периода. Кроме того, такой метод исследования в будущем может быть также использован для гораздо более точного датирования органических материалов и его уже включили в новую редакцию международно признанных калибровочных кривых для радиоуглерода.