Радиоактивные следы в кольцах деревьев раскрывают историю необъяснимых «радиационных бурь» на Земле

В поисках планет и изучении их звезд я имел честь использовать некоторые из самых больших телескопов мира. Однако недавно наша команда обратилась к еще более крупной системе изучения космоса: земным лесам.

Мы проанализировали радиоактивные следы, оставленные в кольцах деревьев по всему миру, чтобы изучить таинственные «радиационные бури», которые пронеслись над Землей полдюжины раз за последние 10 000 лет или около того.

Наши результаты, опубликованные сегодня в Труды Королевского общества Аисключить «солнечные супервспышки» как виновника, но истинная причина остается неизвестной.

История, написанная в кольцах деревьев

Когда высокоэнергетическое излучение достигает верхних слоев атмосферы, оно превращает атомы азота в радиоактивный углерод-14, или радиоуглерод. Затем радиоуглерод просачивается через воздух и океаны, попадает в отложения и болота, попадает в вас и меня, в животных и растения, включая твердые породы деревьев с их годичными кольцами.

Для археологов радиоуглерод — это находка. После того, как он создан, углерод-14 медленно и неуклонно распадается обратно на азот, что означает, что его можно использовать в качестве часов для измерения возраста органических образцов в так называемом радиоуглеродном датировании.

Для астрономов это одинаково ценно. Годовые кольца деревьев дают ежегодный отчет о высокоэнергетических частицах, называемых «космическими лучами», насчитывающий тысячелетия.

Магнитные поля Земли и Солнца защищают нас от космических лучей, пронизывающих Галактику. Больше космических лучей достигает Земли, когда эти магнитные поля слабее, и меньше, когда поля сильнее.

Это означает, что повышение и понижение уровня углерода-14 в годичных кольцах деревьев кодирует историю 11-летнего цикла солнечного динамо (которое создает магнитное поле Солнца) и инверсии магнитного поля Земли.

события Мияке

Но кольца деревьев также фиксируют события, которые мы пока не можем объяснить. В 2012 году японский физик Фуса Мияке обнаружил всплеск содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев с 774 года нашей эры. Оно было настолько большим, что количество космических лучей должно было достигать нескольких обычных лет одновременно.

По мере того как к поискам присоединялось все больше команд, были обнаружены годичные кольца деревьев, подтверждающие дальнейшие «события Мияке»: 993 г. н.э. и 663 г. до н.э., а также доисторические события 5259 г. до н.э., 5410 г. до н.э. и 7176 г. до н.э.

Они уже привели к революции в археологии. Обнаружение одного из этих коротких, острых пиков в древнем образце позволяет свести его дату к одному году, а не к десятилетиям или столетиям неопределенности, как при обычном радиоуглеродном датировании.

Среди прочего, наши коллеги использовали событие 993 года нашей эры, чтобы установить точный год первого европейского поселения в Америке, деревни викингов в Л’Анс-о-Медоуз в Ньюфаундленде: 1021 год нашей эры.

Могут ли снова произойти огромные импульсы радиации?

В физике и астрономии эти события Мияке остаются загадкой.

Как вы получаете такой огромный импульс радиации? Во множестве статей обвиняют сверхновые звезды, гамма-всплески, взрывы намагниченных нейтронных звезд и даже кометы.

Однако наиболее широко принятое объяснение состоит в том, что события Мияке — это «солнечные супервспышки». Эти гипотетические извержения на Солнце, возможно, будут в 50–100 раз более мощными, чем крупнейшее из зарегистрированных в современную эпоху, Кэррингтонское событие 1859 года.

Если бы подобное событие произошло сегодня, оно разрушило бы электрические сети, телекоммуникации и спутники. Если они происходят случайным образом, примерно раз в тысячу лет, это составляет 1% вероятности за десятилетие — серьезный риск.

Зашумленные данные

Наша команда в UQ решила просмотреть все доступные данные годичных колец и определить интенсивность, время и продолжительность событий Мияке.

Для этого нам пришлось разработать программное обеспечение для решения системы уравнений, которые моделируют, как радиоуглерод фильтруется через весь глобальный углеродный цикл, чтобы выяснить, какая часть в какие годы попадает в деревья, в отличие от океанов, болот или вас и мне.

Работая с археологами, мы только что выпустили первое воспроизводимое систематическое исследование всех 98 деревьев опубликованных данных о событиях Мияке. Мы также выпустили программное обеспечение для моделирования с открытым исходным кодом в качестве платформы для будущей работы.

Бури солнечных вспышек

Наши результаты подтверждают, что каждое событие дает за один раз радиацию от одного до четырех обычных лет. Более ранние исследования предполагали, что деревья, расположенные ближе к полюсам Земли, зафиксировали больший всплеск — чего мы и ожидали бы, если бы виноваты солнечные супервспышки, — но наша работа, рассматривающая большую выборку деревьев, показывает, что это не так.

Мы также обнаружили, что эти события могут произойти в любой момент 11-летнего цикла солнечной активности. С другой стороны, солнечные вспышки, как правило, происходят на пике цикла.

Больше всего озадачивает то, что пара всплесков, кажется, занимает больше времени, чем можно объяснить медленным прохождением нового радиоуглерода через углеродный цикл. Это говорит о том, что либо события иногда могут длиться дольше года, что не ожидается при гигантской солнечной вспышке, либо вегетационные периоды деревьев не такие равномерные, как считалось ранее.

На мой взгляд, солнце по-прежнему является наиболее вероятным виновником событий Мияке. Однако наши результаты показывают, что мы наблюдаем нечто большее, похожее на бурю солнечных вспышек, а не на одну огромную супервспышку.

Чтобы точно определить, что именно происходит в этих событиях, нам потребуется больше данных, чтобы дать нам лучшее представление о событиях, о которых мы уже знаем. Чтобы получить эти данные, нам понадобится больше колец деревьев, а также другие источники, такие как ледяные керны из Арктики и Антарктики.

Это действительно междисциплинарная наука. Обычно я думаю о прекрасно чистых, точных телескопах: гораздо труднее понять сложную, взаимосвязанную Землю.

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.