Большую часть времени Солнце довольно воспитано, но иногда оно совершенно неуправляемо. Иногда он вызывает чрезвычайно энергичные истерики. Во время этих событий солнечная вспышка или ударная волна коронального выброса массы (КВМ) ускоряют протоны до чрезвычайно высоких скоростей. Их называют событиями солнечных частиц или солнечными протонными событиями (SPE).
Однако точное время этих событий определить сложно. Новое исследование определило дату одного из самых мощных СПС, поразившего Землю во время голоцена.
Никто из ныне живущих не был свидетелем чрезвычайной силы Солнца. Но древние люди это сделали. За последние 14 500 лет произошло несколько солнечных бурь и СПС, достаточно мощных, чтобы нанести ущерб живым существам и создать полярные сияния в средних широтах, даже на экваторе. Понимание времени этих древних событий является ключевой частью понимания Солнца.
Мощные вспышки Солнца становятся все более серьезной угрозой по мере расширения нашего присутствия в космосе. Они могут повредить спутники и представлять радиационную угрозу для космонавтов. Даже поверхность Земли не защищена от самых мощных СПС, которые могут вывести из строя технологическую инфраструктуру, такую как электросети и сети связи.
«Если бы они произошли сегодня, они имели бы катастрофические последствия для коммуникационных технологий».
Ирина Панюшкина, Университет Аризоны
Самые мощные вспышки на Солнце, по-видимому, происходят во время солнечного максимума, периода наибольшей активности в течение 11-летнего цикла Солнца. Но существует некоторая неопределенность, и, поскольку SPE могут быть настолько разрушительными, необходимо лучше их понять, начиная с момента их возникновения.
Только шесть СПС оставили свой след на Земле примерно за последние 14 500 лет. Исторические отчеты могут пролить свет на время возникновения древних СПС, но они изобилуют неточностями и несоответствиями. К счастью, эти природные явления оставляют след в мире природы.
Эти солнечные вспышки создают так называемые события Мияки в честь японского физика Фуса Мияке. Мияке обнаружил, что они вызывают резкий рост количества космогенных изотопов из-за увеличения количества космических лучей, попадающих в верхние слои атмосферы Земли. В результате этих событий создается углерод-14 (14C) радиоактивный изотоп, присутствующий в годичных кольцах. В результате этих событий также образуются другие изотопы, такие как бериллий-10 (10Ве) и Хлор-36 (36Cl), которые присутствуют в кернах льда.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications Earth and Environment, исследователи определили время последнего удара SPE по Земле. Он озаглавлен «Время солнечно-протонного события Мияке около 660 г. до н. э. ограничено периодом между 664 и 663 гг. до н. э.». Ведущий автор — Ирина Панюшкина из Лаборатории исследования годичных колец Университета Аризоны.
Было несколько событий Мияке в зависимости от того, как они определены.
«Благодаря радиоуглероду в годичных кольцах мы теперь знаем, что за последние 14 500 лет произошло шесть событий Мияке», — сказала Панюшкина. «Если бы они произошли сегодня, они имели бы катастрофические последствия для коммуникационных технологий».
Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере Земли из-за космического излучения. В атмосфере он соединяется с кислородом, образуя CO.2. «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 ведущий автор Панюшкина.
Во время события Мияке количество углерода-14 резко возрастает, и этот выброс отражается на годичных кольцах. Таких событий было несколько, в зависимости от того, как они определены, 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 многочисленных исследований.
«Точное позиционирование СПС в реальном времени чрезвычайно важно для параметризации солнечной активности и прогнозов», — пишут авторы в своем исследовании. «Примечательно, что одно из недавно подтвержденных мероприятий SPE не имеет точной календарной даты. Множественные радионуклидные свидетельства экстремального события SPE (или ME) ок. 2610 г. до н.э. (до 1950 г.), чаще упоминаемый как ок. 660 г. до н. э., было подтверждено с высоким разрешением 10BE записи трех ледяных кернов из Гренландии в 2019 году».
Событие Мияке около 660 года отличается от других. «Однако ок. 660 г. до н.э. ME имеет необычную структуру, которая отличается от кратковременного быстрого увеличения производства радионуклидов, наблюдавшегося в 774–775 гг. Н.э. и 993–994 гг. н.э. Одним из предложенных 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 необходимо знать об этом по очевидным причинам.
В этом новом исследовании команда проанализировала годичные кольца на предмет 14Содержимое C для определения точной даты события Мияке около 660 г. до н.э. Они сосредоточились на лиственницах в аркто-альпийских биомах: один в горах Алтая, другой на полуострове Ямал. В этих регионах лиственницы более чувствительны к атмосферным изменениям и имеют более четкие пики 14С.
Панюшкина и ее коллеги исследовали годичные кольца древних образцов, включая деревья, погребенные в грязи и отложениях, а также древесину, выкопанную во время археологических раскопок, и измерили содержание углерода-14. Затем они сопоставили свои выводы с другими исследованиями бериллия-10, обнаруженного в ледниковых щитах и ледниках. Бериллий-10 также создается 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 содержания изотопа бериллия-10 в определенный год, соответствующий увеличению содержания радиоуглерода в годичных кольцах, мы знаем, что была солнечная буря», — сказала Панюшкина.
Звучит как хороший и аккуратный способ определить даты событий Мияке, но это не так просто. Исследователи изо всех сил пытались найти закономерность. На годичных кольцах четко обозначены вегетационные периоды, а на ледяных кернах — нет. Также существует задержка между образованием углерода-14 в атмосфере и его присутствием в деревьях и льду. Различные деревья также поглощают углерод в разное время и с разной скоростью, а также хранят и перерабатывают углерод, что может повлиять на то, как они служат регистраторами атмосферного CO2. Эти и другие проблемы означают, что выводы не вытекают из данных.
Но это исследование по-прежнему имеет ценность, даже если оно не является панацеей, когда дело доходит до предсказания этих мощных солнечных событий. Проблема с событием 660 г. до н.э. заключается в его сложности. Похоже, что за короткий период наблюдается несколько всплесков и спадов, что предполагает более сложное поведение Солнца, чем простой шторм с одним всплеском.
«Наши новые данные 14C определили продолжительность двух импульсов, значительную магнитуду и точную дату того, что ранее было описано как событие «около 660 г. до н. э.», — пишут авторы. «Мы показали, что двойной импульс космического излучения в период 664–663 гг. до н.э. вызвал нетипичную картину производства космогенных изотопов ME, зарегистрированную в нескольких местах на севере Евразии».
«Воздействие проявляется в виде 2–3-летнего повышения концентрации углерода-14, сопровождаемого 2–3-летним пиком (или плато) перед тем, как сигнал затухает», — пишут авторы. Производство углерода-14 в 664 г. до н.э. было в 3,5 и 4,8 раза больше, чем в среднем за 11 лет.
Что все это значит?
Там много сложностей. Разные деревья по-разному поглощают углерод, стратосфера и тропосфера по-разному перемешиваются в разное время, а вегетационные периоды могут значительно различаться. «Наконец, двойной импульс начала 664–663 гг. 14Пиковый сигнал C подразумевает возможную неопределенность, усложняющую использование этого пикового сигнала для однолетнего датирования археологических древесин и находок», — объясняют исследователи в своем заключении.
Однако из всех данных ясно одно. В прошлом Солнце обрушивалось на Землю экстремальными СПС, которые намного мощнее, чем что-либо в наше время. «Экстремальные протонные события, которые в сотни или тысячи раз сильнее событий современных инструментальных наблюдений, могут повторяться в масштабе сотен лет», — пишут авторы в своем заключении.
В конечном счете, годичные кольца могут пролить свет на то, насколько сильны эти солнечные бури, но они не являются точными, когда дело доходит до их датировки.
«Древесные кольца дают нам представление о масштабах этих сильных штормов, но мы не можем обнаружить какую-либо закономерность, поэтому маловероятно, что мы когда-либо сможем предсказать, когда такое событие произойдет», — Панюшкина сказал. «Тем не менее, мы считаем, что наша статья изменит то, как мы ищем и понимаем пиковый сигнал углерода-14 экстремальных солнечных протонных событий в древесных кольцах».
