[Перевод] Научный детектив: кедры рассказывают о древней солнечной буре
Сложно реконструировать то, что произошло более 1000 лет назад, когда солнечные бури ещё не имели последствий для человечества, а солнечной астрономии не существовало вообще. Но благодаря неожиданному свидетелю — древним кедрам — то, что когда-то было догадкой, вдруг стало научным детективом. Подробности под катом к старту флагманского курса по Data Science.
Японские кедры, растущие вдоль дороги к храму Тогакуси в Нагано в Японии, могут жить несколько тысяч лет. Их годичные кольца отражают количество углерода-14, которое содержалось в них во время формирования, кроме тех атомов, которые подверглись радиоактивному распаду. Такие же деревья раскрыли тайну солнечной бури 774–775 годов: бури, которая, возможно, была даже более мощной, чем знаменитое событие Кэррингтона 1859 года
Источник
Событие Кэррингтона в 1859 году дало представление о том, насколько губительным для человечества может быть Солнце. Однако всё может оказаться хуже, чем мы себе представляли. Пока человечество сталкивается с многочисленными проблемами здесь, на Земле: войнами, политическими беспорядками, продолжающейся пандемией, а также с энергетическим и климатическим кризисами и нехваткой воды, нельзя забывать и о том, насколько безжалостной по отношению к нам может быть Вселенная. Хотя землетрясения, торнадо, извержения вулканов, ураганы и другие стихийные бедствия всё ещё продолжаются, надвигается угроза, к которой мы совершенно не готовы: солнечная буря. Без каких-либо мер по смягчению последствий обширные пожары из-за сбоев электричества и нарушения в работе электростанций могут привести к ущербу в триллионы долларов и затронуть жизни миллиардов людей. Крупнейшее зарегистрированное историками солнечное событие произошло в 1859 году и было названо событием Кэррингтона. Однако более чем за тысячу лет до этого Земле пришлось пережить ещё более масштабное астрономическое событие. Мы знаем это, потому что в период с 774 по 775 год произошёл огромный всплеск концентрации углерода-14 в атмосфере Земли, и доказательства этому можно найти в годичных кольцах деревьев по всему миру. После целого десятилетия изучения возможных причин этого всплеска выяснилось, что в нём виновато Солнце. Солнечная буря более 1200 лет назад, вероятно, была самой мощной из зарегистрированных в истории. Оказывается, Земля рискует пережить ещё более серьёзную бурю.
Вспышки на нашем Солнце, которые выбрасывают материю из нашей родительской звезды в Солнечную систему, могут вызвать такие события, как корональный выброс массы. Хотя частицам обычно требуется около 3 дней, чтобы достичь Земли, самые мощные события достигают Земли менее чем за 24 часа и могут нанести наибольший ущерб нашей электронике и инфраструктуре
Источник: NASA/Solar Dynamics Observatory/GSFC
Солнечная астрономия, в рамках которой мы непосредственно наблюдаем за Солнцем, — относительно молодая наукой. Хотя первые упоминания о солнечных пятнах датируются IV веком до н. э., их связь с Солнцем установлена только во времена Галилея, в начале 1600-х годов. Наблюдения о появлении и миграции этих пятен поставили под сомнение идею Аристотеля о совершенстве и неподвижности Солнца. Связь солнечных пятен с солнечными вспышками не была установлена вплоть до 1859 года, когда солнечный астроном Ричард Кэррингтон отслеживал большую область солнечных пятен неправильной формы и заметил то, что назвал «вспышкой белого света», которая длилась примерно пять минут. 18 часов спустя на Земле произошла сильнейшая в новейшей истории геомагнитная буря, в результате которой:
по всему миру наблюдались полярные сияния, в том числе на экваторе;
шахтёры просыпались посреди ночи и думали, что это рассвет;
полярные сияния были столь яркими, что при их свете можно было читать;
электрические системы, такие как телеграфы, начинали искрить и загораться, даже будучи отключёнными от источника питания.
Учитывая мощное развитие электрической и электронной инфраструктуры человечества, легко предсказать, как подобное событие, если бы оно произошло в наше время, могло привести к беспрецедентной катастрофе.
Вспышки на Солнце, при которых происходит выброс материи из нашей родительской звезды в Солнечную систему, — это относительно типичное событие. Однако вспышка большой магнитуды, богатая протонами, действительно может вызвать резкое увеличение концентрации вещества, что и произошло с углеродом-14 и другими его изотопами в прошлом, и в процессе нанести большой ущерб инфраструктуре планеты Земля
Источник: Обсерватория солнечной динамики НАСА/GSFC
Позже регистрировались не столь интенсивные солнечные бури, которые повлияли на повседневную жизнь людей.
Трёхдневная геомагнитная буря 1921 года стала причиной пожаров по всему миру, в том числе около Центрального вокзала Нью-Йорка.
Солнечное событие 1960 года вызвало широкомасштабные сбои в радиосвязи.
Солнечные бури 1972 года привели к серьёзным нарушениям электроснабжения и связи, что послужило причиной случайных взрывов множества морских мин.
Геомагнитная буря 1989 года вызвала массовые отключения электроэнергии и нанесла значительный ущерб электросети.
В июле 2012 года произошло крупнейшая солнечная вспышка с 1859 года, характеристики которой сравнимы с событием Кэррингтона. К счастью, из-за позиции Солнца в тот момент выброс материи не задел Землю; если бы вспышка произошла на 9 дней раньше, она, вероятно, вызвала бы самую дорогостоящую природную катастрофу в истории человечества.
Гораздо сложнее, однако, реконструировать то, что произошло более 1000 лет назад, когда солнечные бури ещё не имели негативных последствий для человечества, а солнечной астрономии не существовало как таковой. Благодаря неожиданному свидетелю — древним кедрам — то, что когда-то было просто догадкой, вдруг стало научным детективом.
Возраст некоторых деревьев составляет несколько тысяч лет. Атомы углерода, обнаруженные внутри годичных колец деревьев, могут быть трёх видов: углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Измеряя содержание углерода-14 в различных кольцах и учитывая небольшой период полураспада углерода-14, мы можем реконструировать содержание углерода-14 в атмосфере в то время, когда заканчивалось формирование каждого кольца конкретного дерева
Иточник
Пока деревья растут, каждый год на их стволах образуются кольца. Многое о последних трёх тысячах лет жизни человечества удалось узнать благодаря набору географических данных — информации о годичных кольцах деревьев по всему земному шару. Углерод — один из важнейших элементов, он присутствует во всех органических веществах. Растения получают его из воздуха, а большинство животных — из веществ на основе углерода.
Углерод бывает трёх видов:
углерод-12 с 6 протонами и 6 нейтронами в ядре, который составляет большую часть встречающегося в природе углерода;
углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами в ядре, который составляет около 1,1% встречающегося в природе углерода;
углерод-14 с 6 протонами и 8 нейтронами в ядре — радиоактивный, с периодом полураспада около 5700 лет.
Если бы единственным источником углерода был материал, из которого примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля сформировалась, то углерода-14 вообще не существовало бы, так как он бы полностью распался. Но углерод-14 на Земле есть: примерно 1 из каждого триллиона атомов углерода имеет внутри своего ядра 8 нейтронов. В ХХ веке наконец удалось выяснить, почему: Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими частицами с высокой энергией.
Космические лучи — частицы сверхвысоких энергий со всей Вселенной, включая Солнце, поражают атомные ядра в верхних слоях атмосферы и производят потоки новых частиц. Быстро движущиеся заряженные частицы благодаря черенковскому излучению также испускают свет, поскольку движутся со скоростью больше скорости света в атмосфере Земли, и производят вторичные частицы, в том числе нейтроны, которые продолжают взаимодействовать с другими частицами в атмосфере
фото: Asimmetrie/INFN
Все возможные космические источники — звёзды (и Солнце), белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры и даже галактики за пределами Млечного Пути — испускают высокоэнергетические частицы, и некоторые из них сталкиваются с атмосферой Земли. Они ударяют по атомам атмосферы: в основном по азоту и кислороду. Эти столкновения часто приводят к образованию каскада частиц, включающего фотоны, электроны, позитроны (аналоги электронов в антивеществе), нестабильные частицы, такие как мезоны и мюоны, наряду с обычными и знакомыми протонами и нейтронами. Когда речь идёт об углероде-14, самая важная частица — это нейтрон. Большая часть земной атмосферы (78%) состоит из газообразного азота: двухатомной молекулы, содержащей по два атома азота. Азот обычно содержит 7 протонов и 7 нейтронов в ядре, но, когда с ним сталкивается нейтрон, существует конечная вероятность реакции замещения, когда этот нейтрон заменяет один из протонов. Всякий раз, когда это происходит, частица превращается из атома азота (с 7 протонами и 7 нейтронами) в атом углерода (с 6 протонами и 8 нейтронами): в частности в атом углерода-14.
Все атомы углерода состоят из 6 протонов в ядре. Углерод-12 с 6 нейтронами составляет наиболее распространённую форму стабильного углерода; углерод-13 имеет 7 нейтронов и составляет оставшиеся 1,1% стабильного углерода; углерод-14 нестабилен, с периодом полураспада чуть более 5700 лет, но постоянно образуется в атмосфере Земли из-за падающих на неё космических лучей
Источник: Coastal Systems Group/Океанографический институт Вудс-Хоул.
С момента образования и до распада каждый атом углерода-14 будет вести себя точно так же, как его стабильные родственники углерод-12 и углерод-13. Он легко образует углекислый газ в нашей атмосфере и становится частью атмосферы и океанов. Он входит в состав всех живых организмов точно так же, как любая другая форма углерода, пока не достигнет равновесных концентраций с окружающей средой. Это происходит только тогда, когда организм умирает — или, в случае таких организмов, как деревья, когда его годовое/сезонное кольцо полностью формируется и в него больше не может попасть новый углерод-14. В этот момент количество углерода-14 внутри него максимально, и тогда же он распадается так, как и следовало ожидать: экспоненциально и вероятностно, с общим периодом полураспада ~ 5700 лет. Способ, которым организмы датируются по углероду, — измерение текущего отношения углерода-14 к углероду-12. Поскольку соотношение этих двух видов друг к другу в любой момент чрезвычайно стабильно (оно остаётся на уровне около одной триллионной части с течением времени, с колебаниями всего на уровне 0,6% из года в год), измерение соотношения углерод-14/углерод-12 в любое время позволяет нам определить, сколько времени прошло с тех пор, как этот организм перестал поглощать новый углерод-14.
Зная, как распадается углерод-14, а также измеряя количество углерода-14 (по отношению к углероду-12) в «ископаемых» реликтах прошлого в данный момент, легко выяснить, сколько углерода-14 в них было, когда произошло конкретное событие. Для углеродного датирования используется именно этот метод: оставшиеся атомы позволяют сделать вывод об условиях в момент, когда организм перестал поглощать новый углерод
Источник: ExeterPaul/Wikimedia Commons.
Вот почему измерение годичных колец — и, в частности, измерение годичных колец у японских кедров, которые росли в 774–775 годах, — вызвали шок, когда мы их анализировали. За последние 3000 лет было всего четыре коротких периода, когда содержание углерода-14 в деревьях увеличивалось более чем на 3% в течение одного десятилетия. Один из них был недавно: в ХХ веке, что было вызвано применением первого в мире ядерного оружия. Два из них были относительно небольшими, и поэтому они не самый лучший материал для анализа. Но один такой всплеск оказался внезапным и невероятно сильным. С 774 по 775 год содержание углерода-14 увеличилось на ошеломляющие 12%, причём очень резко. Этот «всплеск» примерно в 20 раз больше любого естественного изменения концентрации, которые наблюдались из года в год. Этот всплеск быстро подтвердили в других местах по всему миру. Деревья со всего мира, в том числе в Германии, России, Новой Зеландии и даже в Северной Америке, показали такое же резкое увеличение концентрации углерода-14, а это указывает на то, что всплеск произошёл одновременно по всему миру.
Цветные точки с планками погрешности показывают данные о C-14, измеренные на японских кедрах и немецких дубах, а чёрная кривая иллюстрирует типичную картину мгновенного выброса C-14. Обратите внимание, насколько велик «всплеск» в 774–775 годах по сравнению с предыдущими годами и неопределёнными периодами
Источник: Isosik/Wikimedia Commons.
Тот факт, что уровень углерода-14 вырос, интересен, но сам по себе недостаточно убедителен, чтобы однозначно указать на солнечную бурю как на основную его причину. Конечно, солнечная активность — одна из возможных причин, но космические вспышки, гамма-всплески или даже прямое попадание релятивистской струи чёрной дыры или коллимированного излучения от взрыва сверхновой также могут вызвать всплеск углерода-14. Однако у нас есть другие исторические и научные свидетельства, и, если сложить их все вместе, единственным разумным выводом будет солнечное событие. В англосаксонских хрониках 774 года описывается «появление красного распятия на небе», что могло относиться либо к взрыву сверхновой (хотя ни одного её остатка так и не найдено), либо к полярному сиянию. Почти в то же время, в 775 году, очевидцы из Китая сообщили об аномальной «грозе», предположительно связанной с экваториальным полярным сиянием, поскольку ни о какой другой подобной «грозе» никогда не сообщалось. Между тем научные данные годичных колец можно объединить с данными ледяных кернов, извлечённых из Антарктиды. В то время как кольца деревьев показывают всплеск углерода-14 с 774 до 775 года, данные ледяных кернов показывают соответствующий всплеск радиоактивного бериллия-10 и хлора-36, чтопредполагает связь с масштабным астрономическим событием, которое сопровождалось значительным выбросом солнечных частиц.
Данные по углероду-14 (в центре) вместе с соответствующими всплесками в данных ледяного керна по бериллию-10 (вверху) и хлору-36 (внизу) согласуются с версией о богатой протонами солнечной вспышке как причине происхождения избыточной активности, наблюдавшейся с 774 по 775 год
Источник: F. Mekhaldi et al., Nature Communications (2015)
Два других всплеска, зарегистрированные за последние 3000 лет, также соответствуют событиям потенциальной солнечной активности: один с 993 по 994 год и один примерно в 660 году до н. э. Все эти три события могут быть объединены общей причиной: резким выбросом протонов из Солнца. Гамма-всплески и сверхновые не производят достаточного количества протонов, поэтому эти объяснения подходят не так хорошо. Невидимые невооружённым глазом события, такие как внегалактические космические вспышки или релятивистские струи чёрной дыры, не могли бы быть наблюдаемы с Земли, поэтому версия тоже не подходит. Единственный вариант, который объясняет все наблюдения вместе — солнечная буря. Всплеск с 774 по 775 год — безусловно, самый большой из наблюдаемых. С данными о годичных кольцах деревьев и ледяных кернах, которые мы рассматриваем, мы можем даже сравнить эту вспышку с событием Кэррингтона 1859 года, и результаты этого сравнения действительно невероятны. Хотя событие Кэррингтона — это самая мощная солнечная вспышка, когда-либо зарегистрированная в наше время, полный анализ данных показывает, что это событие 774–775 годов, произошедшее более 1200 лет назад, могло быть примерно в десять раз мощнее. В этом году опубликованы новые данные, которые предполагают, что солнечная буря, случившаяся примерно 9200 лет назад, могла быть даже мощнее события 774–775 годов!
В феврале 2021 года около 4,4 миллиона жителей Техаса остались без электроэнергии из-за шторма. В случае перегрузки сети из-за солнечной бури более миллиарда человек по всему миру останутся без электричества, затем случится глобальная серия пожаров и цепная реакция неконтролируемых столкновений спутников. Всё это может привести к стихийному бедствию, беспрецедентному в мировой истории
Источник: NOAA
Когда мы рассматриваем опасности, с которыми можем столкнуться из-за потенциально разрушительной солнечной бури, жизненно важно не преувеличивать и не преуменьшать угрозу от нашего Солнца. В нормальных условиях Солнце излучает заряженные частицы, а магнитные события вызывают выброс случайных вспышек или даже менее распространённый корональный выброс массы. В редких случаях такие потоки частиц обладают высокой энергией и быстро движутся, и преодолевают расстояние от Солнца до Земли менее чем за сутки. И, если не повезёт и частицы столкнутся с Землёй, магнитное поле поверхности Солнца не будет антипараллельно магнитному полю Земли, Землю ожидает катастрофа. Раньше считалось, что событие вроде события Кэррингтона будет наихудшим сценарием. Но более свежие данные указывают на то, что солнечные бури бывают разных видов и могут быть в десять раз сильнее, чем событие Кэррингтона 1859 года, и, соответственно, иметь более тяжёлые последствия для нашей инфраструктуры как на самой нашей планете, так и на орбите вокруг неё. Последствия будут масштабными: от серии катастроф спутников на низкой околоземной орбите до обширных пожаров по причине неисправности электрики и недельного отсутствия электричества; последствия этого события будут ощущаться десятилетиями или даже дольше. Если мы не подготовим нашу энергосистему, системы распределения энергии, космическую инфраструктуру, а жители Земли не будут готовы к неизбежному дню, когда нас поразит такая вспышка, цена неподготовленности будет катастрофической. Мы должны подготовиться к этому вместе. В противном случае, когда это произойдёт, нашим единственным выходом будет собрать осколки цивилизации и попытаться восстановить её. Конечно, если получится.
А пока Солнце продолжает светить, мы поможем вам прокачать навыки или с самого начала освоить актуальную в любое время профессию:
Выбрать другую востребованную профессию.
