Старые деревья Земли хранят историю мощных солнечных бурь

Фото из открытых источников

Большую часть времени Солнце довольно благовоспитанно, но иногда оно просто неуправляемо. Иногда оно устраивает чрезвычайно энергичные истерики. Во время этих событий солнечная вспышка или ударная волна от коронального выброса массы (CME) ускоряют протоны до чрезвычайно высоких скоростей. Это называется событиями солнечных частиц или солнечными протонными событиями (SPE).

Однако точное время этих событий установить сложно. Новое исследование определило дату одного из самых мощных СПС, обрушившихся на Землю в голоцене.

Никто из ныне живущих не был свидетелем чрезвычайной мощи Солнца. Но древние люди видели. За последние 14 500 лет произошло несколько солнечных бурь и СПС, достаточно мощных, чтобы нанести вред живым существам и вызвать полярные сияния в средних широтах, даже на экваторе. Понимание сроков этих древних событий является ключевой частью понимания Солнца.

Мощные выбросы Солнца становятся все более серьезной угрозой по мере того, как мы расширяем свое присутствие в космосе. Они могут повредить спутники и представлять радиационную угрозу для астронавтов. Даже поверхность Земли не защищена от самых мощных СПС, которые могут вывести из строя технологическую инфраструктуру, такую как электросети и сети связи.

«Если бы это произошло сегодня, это имело бы катастрофические последствия для коммуникационных технологий», - говорит Ирина Панюшкина из Университета Аризоны.

Самые мощные вспышки Солнца, похоже, происходят во время солнечного максимума, периода наибольшей активности в течение 11-летнего цикла Солнца. Но есть некоторая неопределенность, и поскольку СПС могут быть настолько разрушительными, необходимо лучше их понять, начиная с их времени.

Только шесть SPE оставили свой след на Земле за последние 14 500 лет. Исторические отчеты могут открыть окно в хронологию древних SPE, но они полны неточностей и противоречий. К счастью, эти природные явления оставляют след в природном мире.

Эти солнечные вспышки создают то, что называется событиями Мияки в честь японского физика Фусы Мияке. Мияке обнаружил, что они создают резкий рост космогенных изотопов из-за увеличения количества космических лучей, попадающих в верхние слои атмосферы Земли. События создают углерод-14 ( 14 C), радиоактивный изотоп, который присутствует в кольцах деревьев. События также создают другие изотопы, такие как бериллий-10 ( 10 Be) и хлор-36 ( 36 Cl), которые присутствуют в ледяных кернах.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications Earth and Environment, ученые определили время последнего SPE, который ударил по Земле. Ведущий автор — Ирина Панюшкина из Лаборатории исследований годичных колец Аризонского университета.

В зависимости от того, как их определять, было несколько событий Мияке.

«Благодаря радиоуглероду в кольцах деревьев мы теперь знаем, что за последние 14 500 лет произошло шесть событий Мияке», — сказала Панюшкина. «Если бы они произошли сегодня, они бы оказали катастрофическое воздействие на коммуникационные технологии».

Углерод-14 непрерывно образуется в атмосфере Земли из-за космической радиации. В атмосфере он соединяется с кислородом, образуя CO2 . «Через несколько месяцев углерод-14 переместится из стратосферы в нижние слои атмосферы, где он будет поглощен деревьями и станет частью древесины по мере их роста», — сказала Панюшкина.

Во время события Мияке количество углерода-14 резко возрастает, и этот скачок отражается в кольцах деревьев. Было несколько таких событий, в зависимости от того, как их определить, и еще несколько ожидают более строгого подтверждения. Частота их возникновения плохо изучена, но имеющиеся у нас данные показывают, что они происходят каждые 400–2400 лет. Одно из них произошло около 660 г. до н. э., и это событие является предметом многих исследований .

«Точное позиционирование SPE в реальном времени чрезвычайно важно для параметризации солнечной активности и прогнозов», — пишут авторы в своем исследовании. «Примечательно, что одно из недавно подтвержденных событий SPE не имеет точной календарной даты. Многочисленные радионуклидные свидетельства экстремального события SPE (или ME) около 2610 г. до н. э. (до 1950 г.), которое чаще называют около 660 г. до н. э., были подтверждены записями высокого разрешения  10 BE трех ледяных кернов из Гренландии в 2019 г.».

Событие около 660 г. Мияке отличается от других. «Однако, около 660 г. до н. э. МЭ имеет необычную структуру, которая отличается от краткосрочных быстрых увеличений производства радионуклидов, наблюдавшихся в 774–775 гг. н. э. и 993–994 гг. н. э. Одним из предлагаемых объяснений является возможное возникновение последовательных СЭП в течение трех лет», — объясняют авторы в своем исследовании. Если события Мияке могут происходить в такой быстрой последовательности, нам нужно знать об этом по очевидным причинам.

В этом новом исследовании команда проанализировала годичные кольца деревьев на содержание 14 C, чтобы получить точную дату события Мияке около 660 г. до н. э. Они сосредоточились на лиственницах в арктическо-альпийских биомах, один в горах Алтая , а другой на полуострове Ямал . В этих регионах лиственницы более чувствительны к атмосферным изменениям и имеют более четкие пики 14 C.

Панюшкина и ее коллеги-исследователи исследовали годичные кольца деревьев из древних образцов, включая деревья, погребенные в грязи и осадках, а также бревна, выкопанные во время археологических раскопок, и измерили содержание углерода-14. Затем они сопоставили свои выводы с другими исследованиями бериллия-10, обнаруженного в ледяных щитах и ледниках. Бериллий-10 также образуется во время событий Мияке. Он не поглощается деревьями, а откладывается во льду.

«Если ледяные керны как с Северного, так и с Южного полюса показывают всплеск изотопа бериллия-10 в определенный год, соответствующий увеличению содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев, мы знаем, что была солнечная буря», — сказала Панюшкина. 

Это звучит как хороший аккуратный способ определить даты событий Мияке, но это не так просто. Исследователи изо всех сил пытались найти закономерность. Годичные кольца деревьев четко обозначены вегетационными сезонами, но ледяные керны — нет. Также существует задержка между созданием углерода-14 в атмосфере и его присутствием в деревьях и во льду. Различные деревья также поглощают углерод в разное время и с разной скоростью, а также хранят и перерабатывают углерод, что может влиять на то, как они служат регистраторами атмосферного CO2. Эти и другие проблемы означают, что выводы не выскакивают из данных.

Но это исследование все еще имеет ценность, даже если оно не является серебряной пулей, когда дело доходит до предсказания этих мощных солнечных событий. Проблема с событием 660 г. до н. э. заключается в его сложности. Кажется, что оно имеет несколько пиков и спадов за короткий период, что предполагает более сложное солнечное поведение, чем простая буря с одним пиком.

«Наши новые данные по 14C определили двухимпульсную длительность, значительную величину и точную дату того, что ранее описывалось как событие «около 660 г. до н. э.», — пишут авторы. «Мы показали, что двойной импульс космического излучения в течение 664—663 гг. до н. э. создал нетипичную картину производства космогенных изотопов ME, зафиксированную в нескольких местах на севере Евразии».

«Воздействие проявляется в виде 2–3-летнего роста концентрации углерода-14, за которым следует 2–3-летний пик (или плато) перед затуханием сигнала», — пишут авторы. Производство углерода-14 в 664 г. до н. э. было в 3,5 и 4,8 раза больше, чем 11-летний средний показатель.

Здесь много сложностей. Разные деревья поглощают углерод по-разному, стратосфера и тропосфера смешиваются по-разному в разное время, а вегетационные периоды могут значительно различаться. «Наконец, двойной импульс начала ME 664–663 гг. до н. э. и длительное затухание сигнала скачка  14 C подразумевают возможные неопределенности, усложняющие использование этого сигнала скачка для однолетней датировки археологических бревен и находок», — объясняют исследователи в своем заключении.

Однако одно ясно из всех данных. Солнце обрушивало на Землю экстремальные СПС в прошлом, которые были намного мощнее, чем что-либо в настоящее время. «Экстремальные протонные события, которые в сотни или тысячи раз сильнее, чем те, которые наблюдаются современными инструментальными методами, могут повторяться с периодичностью в сотни лет», — пишут авторы в своем заключении.

В конечном итоге годичные кольца деревьев могут пролить свет на то, насколько сильны эти солнечные бури, но они не позволяют точно определить их возраст.

«Годичные кольца деревьев дают нам представление о масштабах этих мощных штормов, но мы не можем обнаружить никакой закономерности, поэтому вряд ли мы когда-либо сможем предсказать, когда такое событие произойдет», — сказала Панюшкина. «Тем не менее, мы считаем, что наша работа изменит то, как мы ищем и понимаем сигнал пика углерода-14 экстремальных солнечных протонных событий в годичных кольцах деревьев».