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    1000年來太陽劇烈活動的線索都隱藏在地球的樹木中
    發布日期:2021-01-30

      

      太陽有很多節律,并經歷著不同的活動周期。最著名的周期可能是:施瓦布周期(Schwabe cycle),其周期為11年。但是,時間尺度更長的周期又是怎樣的呢?科學家又該如何理解它們呢?

      事實證明,太陽在樹的年輪中留下了一些隱藏的線索。

      大約400年前,天文學家開始用他們新發明的望遠鏡觀察太陽。他們注意到太陽黑子來來往往,并開始記錄它們的出現和消散。但他們不知道這意味著什么。

      這些觀測讓我們對太陽的活動有了很多了解。太陽黑子越多,太陽內部的活動也就越多。但也有其他持續時間更長的周期對地球和氣候產生影響。400年的記錄雖然在某些方面很棒,但并不能告訴我們更多關于長期周期的信息。

      

      11年的施瓦布周期本身就是這些更長的周期的一部分。一組科學家想要重現400年前的施瓦布循環,以了解它是如何結合在一起的。為了做到這一點,他們必須找到太陽在樹木體內留下的線索。這些線索以宇宙射線產生的放射性核素的形式存在。

      一組來自蘇黎世聯邦理工學院離子束物理實驗室的科學家正在做此研究。他們通過測量樹木年輪中的放射性碳濃度,將施瓦布循環追溯到公元969年。他們在一篇名為《樹木年輪中的放射性碳揭示了過去一千年的十一年太陽周期》的論文中發表了他們的研究結果。研究結果發表在《自然地球科學》雜志上。

      樹木的優點是它們以一年為周期生長。所以,每年當它們長出另一個環時,這就是那一年太陽產出的快照。把所有這些環拼在一起,就能準確地描繪出太陽活動的景象。在這項研究中,科學家們查閱了英國和瑞士的樹木年輪檔案。

      

      上圖:樹木的明暗輪。最古老的環在中心,最新的在外面。

      每個環中都含有微量的放射性碳,相當于1萬億個原子中碳14的一個原子。由于科學家們知道C14的半衰期約為5700年,他們可以計算出每個環形成時大氣中C14原子的濃度。

      更有趣的是:年輪中的放射性碳并非來自太陽。它來自太陽系外到達地球的宇宙射線。但太陽的磁場有助于阻止這些宇宙射線到達地球。太陽的磁場越強大,到達地球供樹木生長使用的C14同位素就越少。因此,樹木年輪中C14含量較低與太陽活動頻繁相關。

      但是,在年輪中測量這些微量的C14同位素并不容易,比較出每年的差異更不容易??茖W家表示:“僅有的這種測量是在80年代和90年代采用的,但僅限于過去400年,而且使用了極其費勁的計數方法。”這種計數方法使用蓋革計數器來測量每個同位素的衰變事件。那種方法既要花很多材料又要花很多時間。

      研究小組提出了另一種方法:加速器質譜法。這種光譜法是在二十世紀中期發展起來的,特別適用于探測像C14這樣的長壽命放射性同位素。

      負責這些分析的研究人員解釋說:“使用現代加速器質譜法,我們現在能夠在幾小時內測量出C14濃度,誤差在0·1%以內,而樹木年輪的樣本要小一千倍。”

      樹木年輪樣本含有兩種類型的碳。與放射性C14同位素并列的是C12,是兩種穩定碳同位素中最豐富的。加速器質譜儀在將這兩種同位素送入磁場之前都會對其進行加速。由于碳的質量不同,磁場將一種類型的碳引向一個方向,而將另一種同位素引向另一個方向。然后對測量結果進行統計分析。

      

      上圖:加速器質譜儀的簡單示意圖。由于C13和C14的重量不同,所以C13和C14是分開的,可以測出C14。

      最終,科學家團隊重建了從969年到1933年太陽活動的全部記錄。他們的重建證實了太陽長達11年的施瓦布周期,一直追溯到公元969年。研究還表明,在持續時間較長的太陽活動極小期間,該周期的幅度,即太陽活動起伏的程度,會變得更小。

      他們的重建還證實了另一件事。在993年,有一次明顯的太陽質子事件,在大氣C14中產生了一個峰值。當太陽發射的質子加速到足以穿透地球磁場并在大氣中造成電離時,這個事件就會發生。關于993事件一直存在爭論,但這項研究證實了它的存在。

      

      美國加州的瑪士撒拉樹已經有近5000年的歷史了,它記錄了其生命周期內的太陽活動。為了保護它,它的位置是秘密的,也沒有它的照片。上圖是另一棵狐尾松的照片。

      這種類型的分析有可能讓我們更多地了解太陽。在亞化石木材中有14000年前的樹木年輪檔案,這些木材仍然富含碳。研究人員希望用他們的方法測量樹木中的C14濃度,這將幫助他們重現上一個冰河時代末期的太陽活動。

    文章出自:https://www.163.com/dy/article/G1C1T0VJ0532I50T.html
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