Солнечные циклы по дереву
Анализ древесины раннепермского ископаемого леса, найденного в немецком городе Хемниц, выявил впечатляющее постоянство в характере солнечной активности. Выяснилось, что 290 млн лет назад, как и сейчас, на Солнце наблюдались 11-летние циклы, связанные с динамикой его магнитного поля. Благодаря влиянию на климат Земли эти циклы отразились на толщине годичных колец деревьев той далекой эпохи.
Существует немало гипотез, которые связывают климатическую историю нашей планеты с изменениями в характере солнечной активности. Поэтому особенно важно знать, насколько стабильным или, наоборот, переменчивым было поведение Солнца в минувшие века. До сих пор подобные исследования проводились в основном на довольно коротком отрезке времени, который исчисляется последними несколькими тысячами лет.
О циклах активности Солнца можно судить, например, по концентрации в стволах вековых деревьев изотопа радиоактивного углерода-14, который образуется в атмосфере под действием вспышек солнечной радиации и космических лучей (S. Vasiliev, V. Dergachev, 2001. The ∼2400-year cycle in atmospheric radiocarbon concentration: bispectrum of 14C data over the last 8000 years). Другой космогенный изотоп, бериллий-10 (см. Изотопы бериллия), накапливается во льдах Антарктики и Гренландии – поэтому ледяные керны также могут использоваться в качестве архива, где записаны основные события из жизни нашего светила (F. Steinhilber et al., 2012. 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings).
Сотрудники Фрайбергской горной академии (Германия) открыли куда более древнюю летопись солнечной активности, запечатленную в древесине ископаемого леса пермского периода. Остатки этого леса залегают прямо под саксонским городом Хемниц. Лес представляет собой уникальный пример палеозойской экосистемы, застывшей во времени: подобно античному Геркулануму, он был погребен пирокластическим потоком при извержении вулкана, которое случилось примерно 290 млн лет назад (см. нашу картинку дня Окаменевший лес в Хемнице).
Лес, произраставший на месте современного Хемница, состоял из древовидных папоротников Psaroniaceae, древовидных хвощей каламитов, семенных папоротников Medullosales и хвойных кордаитов (Cordaitales). Для тогдашнего климата было характерно чередование влажных и засушливых сезонов, что приводило к возникновению годичных колец в древесине – именно по вариациям в их толщине исследователи и смогли реконструировать солнечные циклы того времени.
Всего авторы статьи изучили поперечные срезы 43 наиболее сохранившихся стволов, относящихся ко всем выше перечисленным группам древесных растений. В совокупности было проанализировано 1917 годичных колец (древесина самого старого из изученных деревьев в момент его гибели насчитывала 77 колец). Поскольку многие деревья были погребены заживо, прямо в вертикальном положении, они были современниками, что позволило соотнести их годичные кольца друг с другом. В результате была создана единая дендрохронологическая шкала, охватывающая последние 79 лет существования леса.
Циклы утолщения и истончения годичных колец совпали друг с другом в 30 изученных стволах. За 79 лет, предшествовавших извержению вулкана, в древесине пермского леса возникло шесть таких циклических последовательностей, длившихся 9-11 лет. Средняя продолжительность цикла составляет 10,62 года, что очень хорошо соответствует 11-летнему циклу Солнца (в наши дни его средняя продолжительность равна 11,12 годам, но за время систематических наблюдений она варьировала от 9 до 13,7 лет).
11-летние циклы солнечной активности (циклы Швабе) регистрируются начиная с XVII века, когда были изобретены телескопы, позволяющие разглядеть пятна на Солнце. В начале цикла пятен на Солнце очень мало, затем их количество нарастает и потом вновь идет на спад. Пятна – темные участки на поверхности Солнца с пониженной температурой – образуются в тех местах, где его магнитное поле подавляет активность фотосферы. Раз в 11 лет северный и южный полюса магнитного поля Солнца меняются местами – по одной из версий, процесс этой реверсии и стоит за циклическими колебаниями числа солнечных пятен.
Известно, что амплитуда 11-летних солнечных циклов может сильно варьировать. Например, в 1645-1715 годах наблюдался так называемый минимум Маундера (обнаруженый при изучении архивов наблюдения Солнца). В это время даже в пиковый период 11-летнего цикла пятен на Солнце возникало на несколько порядков меньше, чем в предыдущие и последующие столетия. Недавно российские ученые вычислили, что такие спады случаются раз в 350-400 лет, и мы сейчас как раз приближаемся к одному из них (V. Zharkova et al., 2015. Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium scale). Закономерности поведения Солнца в более долгосрочной перспективе известны куда хуже, поэтому существование 11-летних солнечных циклов в далеком прошлом представляется отнюдь не столь очевидным, как это может показаться на первый взгляд.
И всё же древесина пермского Хемница свидетельствует, что в ранней перми такие циклы имели место и, следовательно, магнитное поле Солнца вело себя примерно так же, как сейчас. Конечно, на толщине годичных колец его динамика могла отразиться лишь косвенным образом. А именно, периодическая активизация магнитного поля Солнце экранирует Солнечную систему от проникновения космических лучей извне. Во время магнитных бурь на Солнце снижается интенсивность космических лучей, регистрируемых орбитальными станциями (эффект Форбуша). Это же происходит и на пике 11-летнего цикла, когда растет число солнечных пятен и, следовательно, активность магнитного поля Солнца (J. Lockwood, W. Webber, 1967. The 11-year solar modulation of cosmic rays as deduced from neutron monitor variations and direct measurements at low energies).
Известно, что космические лучи ионизируют атмосферу, что приводит к усиленному образованию облаков (H. Svensmark, E. Friis-Christensen, 1997. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage – a missing in solar-climate relationships). Влияя на интенсивность этого процесса, 11-летние солнечные циклы тем самым могут регулировать количество осадков и, следовательно, замедлять или увеличивать скорость роста древесины. Именно этот механизм, считают авторы статьи, и превратил пермские деревья в регистраторы солнечной активности.
Наверняка в такой роли выступали деревья и в другие эпохи, что делает ископаемую древесину настоящем кладезем информации об исторической динамике Солнца. Сейчас интерес к этой теме только начинает пробуждаться – так, в 2013 году бразильские ученые попытались реконструировать солнечную активность по годичным кольцам бразильских голосеменных, датируемых рубежом триаса и юры (A. Prestes et al., 2013. Imprint of Climate Variability on Mesozoic Fossil Tree Rings: Evidences of Solar Activity als on Environmental Records Around 200 Million Years Ago?). Окаменевшие леса встречаются начиная с позднего девона, так что теоретически по ним можно реконструировать последние 400 миллионов лет истории Солнца – около 10% всего периода его существования (см.: Самый древний лес на Земле был по крайней мере трёхъярусным, «Элементы», 22.03.2012).
Источник: L. Luthardt, R. Rößler. Fossil forest reveals sunspot activity in the early Permian // Geology. 2017. P. 279-282.
Александр Храмов
Источник
Годичное кольцо (между темными линиями границ) Agathoxylon sp., одного из использовавшизся в исследовании растений. Ширина около двух миллиметров.
Ludwig Luthardt et al. / Geology, 2017
Физики из Фрайбергской горной академии получили древнейшие свидетельства 11-летнего цикла, относящиеся к раннему пермскому периоду – 290 миллионам лет назад. Для этого ученые провели анализ годичных колец окаменелых деревьев палеозойской эры. Исследование опубликовано в журнале Geology, кратко о нем сообщает Phys.org
11-летний цикл, или цикл Швабе – выраженное периодическое колебание солнечной активности. Среди его ярких проявлений – изменение среднемесячного числа пятен на Солнце. В годы максимума активности количество пятен больше, чем во время минимума. Одновременно с пятнами, меняется и поток высокоэнергетических частиц. Благодаря этому существуют природные свидетельства циклов солнечной активности – слои льда, отложений или, например, годичные кольца деревьев. Годы максимумов и минимумов отличаются содержанием радиоизотопов, а также, в случае колец деревьев, еще и толщиной годичных колец.
Наиболее древние свидетельства солнечного цикла относятся к 255 миллионам лет назад – физики получили их на основе анализа донных отложений Делаверского бассейна. Самая ранняя датировка с помощью годичных колец деревьев относится к границе триасового и юрского периодов (примерно 200 миллионов лет назад).
Годичные кольца одного из окаменелых образцов
Ludwig Luthardt et al. / Geology, 2017
Авторы новой работы проанализировали окаменелые деревья Хемницкого бассейна, возраст которых оценивается в 290±1,8 миллиона лет (ранний пермский период). Растения погибли в один момент, при извержении вулкана, что облегчает их датировку. Образцы 43 деревьев были предоставлены Музеем естественной истории Хемница. Ученые с помощью микроскопа собрали данные по ширине годичных колец образцов (всего почти 2000 колец, охватывают 79-летний период) и исследовали периодичность в данных. Оказалось, что колебания ширины колец имеют периодичность 10,62 года, что соответствует 11-летнему циклу, уровень достоверности 99 процентов.
Данные по ширине годичных колец. Снизу – фурье-анализ периодичности в данных
Ludwig Luthardt et al. / Geology, 2017
Наблюдения ученых подтверждают, что 11-летний цикл солнечной активности влиял на климат Земли в древние геологические эпохи. Среди возможных механизмов этого влияния увеличение количества осадков из-за взаимодействия влаги облаков с заряженными космическими частицами.
Статистический анализ циклов солнечной активности за последние 400 лет показывает, что от 11-летнего цикла существуют отклонения. В среднем цикл меняется от 10,44 до 11,16 года. Кроме того, астрономы наблюдали более масштабные вариации солнечной активности, такие как Маундеровский минимум. В период с 1645 по 1715 годы активность Солнца значительно снизилась по сравнению с современной. За 28-летний промежуток наблюдалось всего около 50 пятен против обычных 40-50 тысяч.
Механизм рождения солнечных пятен и его связь с 11-летним циклом все еще изучены не до конца. Рождение пятен связано с возмущениями магнитного поля звезды и выходом интенсивных полей в фотосферу. Цикл активности пятен наблюдается не только на Солнце, но и на других звездах. В частности, семилетний цикл появления солнечных пятен был обнаружен на Проксиме Центавра, у которой недавно нашли экзопланету.
Владимир Королёв
Источник
Естественные архивы солнечной активности и термоядерной истории Солнца за последние миллионы лет
Г. Е. Кочаров, Санкт-Петербургский государственный технический университет
Рассмотрены возможности естественных детекторов для изучения истории термоядерного горючего в недрах Солнца путем измерения содержания изотопов технеция и свинца в земной коре. Результаты высокоточных измерений содержания радиоуглерода в кольцах деревьев и прироста годичных колец за последние 8 тыс. лет выявили корреляцию между глубокими минимумами солнечной активности и депрессиями годичных колец.
Проблема будущего Солнца и Солнечной системы обсуждается в последние годы с нарастающей активностью. Для построения конкретной теоретической модели настоящего и будущего Солнца требуется знание динамики процессов в солнечном веществе за большой интервал времени, миллионы и даже миллиарды лет. Единственным источником такой информации являются те природные архивы, которые способны фиксировать время поступления солнечного сигнала, его тип и амплитуду.
Естественные архивы астрофизических явлений
Земная кора является перманентным детектором космических частиц и излучений. Только она создает принципиальную возможность установить динамику генерации термоядерной энергии в глубоких недрах Солнца за последние десятки миллионов лет. Эта возможность связана с прецизионными измерениями содержания изотопов свинца и технеция в веществе земной коры [1], [2].
Годичные кольца деревьев уже стали традиционным источником количественных данных о временных вариациях интенсивности галактических космических лучей на шкале времени от современности до 10 тыс. лет назад. Ширина годичных колец и их изотопный состав содержат информацию о солнечной активности и климатических эффектах на большой шкале времени в прошлом. Недавно было установлено, что по ширине годичных колец можно даже восстановить динамику солнечной активности на огромной шкале времени вплоть до 25 млн лет назад.
Полярный лед также является важным источником информации о вспышечной активности Солнца, взрывов сверхновых звезд и климатических эффектов. Частота и амплитуда солнечно-вспышечных протонов определяются по концентрации нитратов в датированных слоях полярного льда. Амплитудно-временные характеристики взрывов сверхновых звезд устанавливаются путем измерения временного хода концентрации космогенных изотопов 14С, 10Ве и 36Сl в датированных независимо образцах полярного льда. Эти изотопы образуются в ядерных реакциях в атмосфере Земли под действием галактических космических лучей, источником которых считаются взрывы сверхновых звезд. Эти же изотопы генерируются и под действием гамма-квантов космической природы. Согласно современному представлению, при взрыве сверхновых звезд образуются как высокоэнергичные протоны, так и жесткие гамма-кванты. Полярный лед является уникальным детектором амплитудно-временных характеристик космического гамма-излучения и высокоэнергичных протонов. Шкала времени получения астрофизической информации с использованием полярного льда в настоящее время охватывает сотни тысяч лет.
Таким образом, обнаруженные и разработанные уже архивы позволяют исследовать природу физических процессов по всему объему Солнца на огромной шкале времени в прошлом. Совместный анализ результатов современных прецизионных измерений солнечных излучений и частиц с данными расшифровки природных архивов может позволить получить уникальную информацию о солнечно-земных связях в далеком прошлом. Такая информация необходима не только для восстановления истории Солнца, но и для предсказания будущего Солнечной системы.
Солнечные нейтрино о термоядерной истории Солнца
Нейтринная палеоастрофизика – относительно новая область науки, экспериментально еще не реализована. Здесь мы лишь кратко рассмотрим основные возможности этой области науки по термоядерной истории Солнца. Идея базируется на генерации в земной коре характерных изотопов под действием солнечных нейтрино различной энергии.
Реакция 205Tl + e 205Pb + е- чувствительна к нейтрино малых энергий из-за низкого порога реакции (43 кэВ) и большого потока рр-нейтрино. Источником этой группы нейтрино является первая реакция протон-протонного цикла р + р 2D + e+ + е . Поскольку эта реакция наиболее медленная в протон-протонном цикле, она является прямым индикатором мощности горения водорода в недрах Солнца. Сравнение результатов Tl-Pb эксперимента с данными современных исследований с галлиевым детектором позволит ответить на вопросы, является ли водород единственным горючим и меняется ли мощность горения водорода во времени. Оба вопроса являются принципиально важными. Эксперименты на основе реакций
98Мo + e 98Тс + е-,
97Мo + e 97Тс + е-,
98Мo + e 97Тс + n + ечувствительны к нейтрино высокой энергии (8В-нейтрино). Поскольку поток 8В-нейтрино очень сильно зависит от центральной температуры Солнца, результаты таких экспериментов в сочетании с данными современных исследований позволят ответить на вопрос фундаментальной важности о динамике физических условий в ядре Солнца.
Установлено, что для таллиевого эксперимента наилучшими являются лорендиты в Югославии. Руда из Колорадо удовлетворяет необходимым требованиям с молибденовым детектором. Выделение из огромной массы детекторов небольшого количества атомов свинца и молибдена и их счет – задача чрезвычайного масштаба и трудности. Эксперименты по нейтринной палеоастрофизике являются крупномасштабными, дорогостоящими и требуют сотрудничества многих стран. Учитывая фундаментальную важность проблемы, можно надеяться, что в новом столетии экспериментальная нейтринная палеоастрофизика будет одной из центральных областей науки.
Годичные кольца деревьев о глубоких минимумах солнечной активности
Профессор Новороссийского университета Федор Никифорович Шведов был первым, кто понял уникальные возможности годичных колец деревьев для изучения окружающей среды. Его статья “Дерево как летопись засух” была опубликована в 1892 году в журнале “Метеорологический вестник”. В настоящее время исследования по дендрохронологии, дендроклиматологии и изотопному составу годичных колец деревьев ведутся во многих странах. Есть все основания считать основоположником этой комплексной области науки нашего соотечественника Ф.Н. Шведова.
В 1965 году Б.П. Константинов и автор настоящих строк сформулировали комплексную проблему “Астрофизические явления и радиоуглерод”, основанную на высокоточном измерении содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев [3]. За прошедшие 30 лет выполнен большой цикл дендроклиматохронологических и радиоуглеродных исследований учеными России, Литвы, Украины, Грузии под руководством автора данной статьи. Ниже будут рассмотрены наиболее яркие результаты в контексте обсуждаемой в работе проблемы.
Основное внимание в исследованиях было уделено проблеме долговременных вариаций интенсивности галактических космических лучей путем высокоточных измерений содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев. Напомним, что радиоуглерод 14С генерируется в атмосфере Земли в ядерных реакциях, инициируемых космическими лучами. Затем радиоуглерод совместно со стабильными изотопами 12С и 13С попадает в годичные кольца деревьев. Внесенная в кольца информация сохраняется сотни и тысячи лет. Поэтому, определяя содержание радиоуглерода в точно датированных кольцах деревьев, можно восстановить временной ход галактических космических лучей на большой шкале времени в прошлом. Известно, что с ростом энергии поток космических лучей падает. Однако чем больше энергия частиц, тем легче преодолеть магнитный экран Солнца и достичь атмосферы Земли. В результате компромисса эффективной оказывается область энергии космических лучей от 200 до 50 000 МэВ. Эффект динамики магнитного экрана хорошо проявляется в эпохи глубоких и протяженных минимумов солнечной активности.
На рис.1 приведены экспериментальные данные по временному ходу интенсивности галактических космических лучей за последние 8 тыс. лет, восстановленные по данным высокоточных измерений содержания радиоуглерода в датированных кольцах деревьев [4]. Видно, что в жизнедеятельности Солнца были регулярные и длительные минимумы активности, подобные маундеровскому минимуму (1645-1715 годы). Теория таких минимумов еще не разработана.
| Рис. 1. Временной ход концентрации радиоуглерода в годичных кольцах деревьев за последние 8 тыс. лет |
| Рис. 2. Прирост годичных колец деревьев на шкале времени последние 8 тыс. лет |
Уникальные очевидцы прошлого – кольца деревьев не только помнят погодичный ход содержания радиоуглерода в земной атмосфере, но и концентрации стабильных изотопов 13С и дейтерия, которые являются индикаторами палеотемпературы. Кроме того, ширина годичных колец деревьев содержит не только информацию о солнечной активности, но и о локальных условиях (температура, осадки и т.д.). Проведенный нами анализ [5] закономерностей приростов сосны остистой в засушливых горных районах США позволил выявить глубокие депрессии в приростах годичных колец (рис.2), синхронных с максимумами интенсивности галактических космических лучей (см. рис.1). Ясно, что основным дирижером восьмитысячелетнего глобального земного представления является Солнце. Обращает на себя внимание, что характерный масштаб регулярного уменьшения амплитуды депрессии прироста составляет 5000 лет. Возможно, здесь проявляется модулирующее действие автоколебаний климатической системы атмосфера – глубинный океан – ледники. В течение последних двух тысячелетий наблюдалось понижение среднего уровня приростов, на фоне которого тем не менее отчетливо проявляются минимумы, синхронные с минимумами солнечной активности.
Наиболее подробно по косвенным данным изучена эволюция Солнца за последнее тысячелетие. Как в вариациях содержания радиоуглерода в кольцах деревьев, так и по содержанию 10Ве в кернах антарктических и гренландских льдов надежно установлены три экстремальных периода деятельности Солнца: маундеровский, шпереровский и Вольфа. Анализ пяти хронологий хвойных пород деревьев в горных и северных районах Восточной Европы и Западной Сибири позволяет заключить, что наблюдается не только повсеместное синхронное снижение приростов в указанные периоды, но и совпадение характерных деталей вариаций как по ширине колец, так и по содержанию радиоуглерода в них.
Таким образом, можно заключить, что периоды типа минимума Маундера являются характерными для эволюции Солнца, приводя к глобальным изменениям на Земле, четко фиксируемым кольцами деревьев.
Погодичные вариации концентриции нитратов в полярном льду за последние 415 лет, солнечные вспышки и климатические эффекты
Десять лет назад Г.А. Дрешхофф, Е.Дж. Зеллер и Г.Е. Кочаров подробно обсудили проблему глубоких минимумов Солнца и пришли к выводу о необходимости комплексного подхода с использованием методов космогенных изотопов (ФТИ РАН) и нитратного (Канзасский университет, США).
В 1992 году была организована специальная экспедиция в Гренландию, которая позволила получить уникальные данные по концентрации нитратов за интервал времени с 1576 до 1991 года (415 лет).
Космогенный радиоуглерод позволяет установить временные вариации галактических космических лучей солнечной активностью. Концентрация же нитратов в полярном льду является индикатором времени и мощности солнечной вспышки. Специалистам в области солнечных вспышек хорошо известна вспышка 1859 года (каррингтоновская вспышка). В оптическом диапазоне она была очень мощной. Нитратный архив позволил определить интенсивность и временную структуру потоков ускоренных протонов от этой вспышки (рис.3). Протонный сигнал также оказался очень большим.
В рамках научного сотрудничества между ФТИ РАН и Университетом штата Канзас (США) проведена статистическая обработка уникальных данных с использованием некоторых методов анализа: спектральный, спектрально-временной, когерентно-временной.
| Рис. 3. Нитратный след мощной вспышки 1859 года |
Основные выводы выполненных исследований следующие.
1. Максимумы концентрации нитратов за период с 1715 года до настоящего времени коррелируют с фазами роста и спада солнечной активности. Этот вывод полностью согласуется с данными прямых регистраций солнечных протонов за последние 40 лет. Такое согласие и значительное расширение диапазона времени от четырех до 25 солнечных циклов свидетельствуют в пользу фундаментальности явления.
2. Во время маундеровского минимума солнечной активности в нитратном сигнале нет 5,5-летней гармоники, что можно рассматривать как свидетельство отсутствия в период глубокого минимума значительных протонных вспышек.
На рис.4 представлены имеющиеся данные по различным температурным индикаторам в сравнении с погодичным ходом концентрации нитратов в центральной Гренландии. Несмотря на неполноту приведенных данных, можно предположить, что долговременный тренд концентрации нитратов имеет климатическую природу.
| Рис. 4. Сравнительный анализ временного хода концентрации нитратов в полярном льду и вариации температуры по различным индикаторам: температура центральной Англии, ширина годичных колец сосны в Калифорнии |
В заключение отметим, что имеются и другие природные детекторы частиц и излучений. Очень перспективным объектом является лунный грунт. Он содержит уникальную информацию о количественной истории генерации солнечных космических лучей. Хранителем такой информации являются изотопы, генерированные в лунном грунте солнечными космическими лучами. Сама солнечная атмосфера также содержит информацию о генерации в ней различных изотопов солнечными космическими лучами. Прецизионные измерения изотопного состава солнечного ветра, гамма-линии спокойного Солнца и концентрации характерных изотопов в лунном грунте позволят установить интимные особенности жизнедеятельности Солнца за десятки миллионов лет. Этой проблеме автор надеется посвятить специальную статью.
Список литературы
[1]. Кочаров Г.Е. // Изв. РАН. Сер. физ. 1996. Т. 60, С. 112.
[2]. Кочаров Г.Е., Огурцов М.Г. // Современные проблемы солнечной цикличности. Санкт-Петербург: Гл. астрон. обсерватория, 1997. С. 130.
[3]. Константинов А.Н., Кочаров Г.Е. // Докл. АН СССР. 1965. Т. 165, С. 63.
[4]. Кочаров Г.Е., Васильев В.А., Дергачев В.А., Остряков В.М. // Письма в “Астрон. журн.”. 1983. Т. 4. С. 206-210.
[5]. Кочаров Г.Е., Константинов А.Н., Остряков В.М., Ступнева А.И. // Солнеч. данные. 1986. Т. 4. C. 84-89.
Источник