Деревья Лапландии — уникальный природный архив для исследования прошлого поведения Солнца. Маркку Ойнонен сверлит образец, содержащий интересную информацию о событиях XIX века. Фото: Йоонас Ууситало.
Исследовательская группа, координируемая Хельсинкским университетом, смогла измерить всплеск концентрации радиоуглерода в деревьях в Лапландии, который произошел после вспышки в Кэррингтоне. Это открытие помогает подготовиться к опасным солнечным бурям. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.
Событие Кэррингтона 1859 года — одна из крупнейших зарегистрированных солнечных бурь за последние два столетия. Его видели в виде вспышек белого света на гигантской группе солнечных пятен, пожаров на телеграфных станциях и нарушений геомагнитных измерений, а также полярных сияний даже в тропических регионах.
В совместном исследовании, проведенном Хельсинкским университетом, Институтом природных ресурсов Финляндии и Университетом Оулу, в годичных кольцах впервые были обнаружены признаки увеличения концентрации радиоуглерода после урагана Кэррингтон. Раньше следы радиоуглерода были обнаружены только во время гораздо более интенсивных солнечных бурь.
Открытие через космический маркер
Столкновения сильных намагниченных облаков заряженных частиц, испускаемых Солнцем (так называемых потоков солнечной плазмы), с геомагнитным полем Земли приводят к возникновению геомагнитных бурь. Геомагнитное поле направляет частицы солнечной бури в атмосферу преимущественно через полярные регионы. Самым видимым последствием явления являются полярные сияния.
В верхних слоях атмосферы частицы достаточно высоких энергий могут посредством ядерных реакций также производить радиоуглерод (14С) — радиоактивный изотоп углерода. В течение месяцев и лет радиоуглерод попадает в нижние слои атмосферы в составе атмосферного углекислого газа и, в конечном итоге, в растения в результате фотосинтеза. Процесс фотосинтеза сохраняет информацию, содержащуюся в углекислом газе в годовых кольцах деревьев.
Чтобы получить информацию, содержащуюся в радиоуглероде, образцы извлекаются путем вырезания из древесного материала, выращенного в отдельные годы. Образцы перерабатываются в целлюлозу, а целлюлоза в чистый углерод путем сжигания и химического восстановления. Доля радиоуглерода в чистом углероде измеряется с помощью ускорителя частиц.
«Радиоуглерод подобен космическому маркеру, описывающему явления, связанные с Землей, Солнечной системой и космическим пространством», — говорит Маркку Ойнонен, директор Лаборатории хронологии Хельсинкского университета, возглавлявший исследование.
Картирование солнечных бурь
Солнечные бури, соответствующие событию Кэррингтона в наше время, могут нарушить работу электрических и мобильных сетей и вызвать серьезные проблемы для спутниковых и навигационных систем, что приведет, например, к проблемам с воздушным движением. Вот почему точное знание поведения Солнца приносит пользу обществу.
Солнечные бури, меньшие и более распространенные, чем бури Кэррингтона, в настоящее время можно изучать с помощью измерительных приборов и спутников, а более крупные можно исследовать, например, путем измерения концентрации радиоуглерода в годичных кольцах.
До сих пор не удалось изучить конкретно средние штормы, такие как событие Кэррингтона, которые не происходили в наше время, с помощью традиционных радиоуглеродных методов. Это недавнее исследование открывает потенциально новый способ изучения частоты ураганов размером с Кэррингтон, что может помочь лучше подготовиться к будущим угрозам.
Все более точная информация об углеродном цикле
Результаты были интерпретированы с использованием численной модели производства и транспорта радиоуглерода, разработанной исследователями из Университета Оулу.
«Модель динамического атмосферного переноса углерода была специально разработана для описания географических различий в распределении радиоуглерода в атмосфере», — говорит постдокторант Ксения Голубенко из Университета Оулу.
Что было важным в недавно опубликованном исследовании, так это то, как содержание радиоуглерода в деревьях Лапландии отличается от содержания радиоуглерода в деревьях в более низких широтах. Первые измерения были проведены в Ускорительной лаборатории Хельсинкского университета, а повторные измерения, проведенные в двух других лабораториях, значительно уменьшили предыдущие неопределенности.
Это открытие может помочь лучше понять динамику атмосферы и углеродный цикл с тех времен, когда они еще не были антропогенными выбросами ископаемого топлива, что позволит разработать все более подробные модели углеродного цикла.
«Возможно, избыток радиоуглерода, вызванный солнечной вспышкой, в первую очередь был перенесен в нижние слои атмосферы через северные регионы, вопреки общему пониманию его движения», — говорит докторант-исследователь Йоонас Ууситало из Лаборатории хронологии.
Другие источники радиоуглерода
«Также возможно, что циклические изменения в производстве радиоуглерода в верхних слоях атмосферы, вызванные изменениями солнечной активности, привели к локальным различиям на уровне земли, которые мы наблюдаем в наших результатах», — добавляет Ууситало.
По мнению Ууситало, преобладающая часть радиоуглерода производится галактическими космическими лучами, приходящим из-за пределов Солнечной системы, хотя исключительно сильные солнечные бури генерируют отдельные всплески изотопа в атмосфере. Космические лучи, в свою очередь, ослабляются солнечным ветром — непрерывным потоком частиц, исходящих от Солнца, который колеблется между более сильными и слабыми в 11-летних циклах.
Тема требует дальнейшего исследования. Исторические записи показывают, что значительные геомагнитные бури также имели место в 1730 и 1770 годах, поэтому их отслеживание, вероятно, будет в центре внимания в ближайшее время.
Исследование проводилось в рамках совместного проекта Лаборатории хронологии и физического факультета Хельсинкского университета и Института природных ресурсов Финляндии. В исследовании также приняли участие исследователи из Университета Оулу, Университета Нагои, Университета Ямагата и ETH Цюриха.
Информация от: Хельсинкским университетом
