Solen har mycket rytm och går igenom olika aktivitetscykler. Den mest kända cykeln kan vara Schwabe cykel , som har en 11-årig kadens. Men hur är det med cykler med mycket längre tidsskalor? Hur kan forskare förstå dem?
Som det visar sig har solen lämnat några dolda ledtrådar i trädringar.
För cirka 400 år sedan började astronomer titta på solen med sina nyuppfunna teleskop. De märkte solfläckar som kom och gick och började registrera deras utseende och försvinnande. De hade ingen aning om vad de betydde.
Dessa observationer har lärt oss mycket om solens aktivitet. Ju fler solfläckar det finns, desto mer händer det inuti solen. Men det finns andra cykler av längre varaktighet som har en effekt på jorden och dess klimat. Och ett rekord på 400 år, även om det är bra i vissa avseenden, kan inte berätta mycket om de långsiktiga cyklerna.
CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=969067
Den 11-åriga Schwabe-cykeln är själv en del av dessa ännu längre cykler. Ett team av forskare ville rekonstruera Schwabe-cykeln bakåt i tiden över 400 år för att förstå hur allt hänger ihop. För att göra det var de tvungna att avslöja ledtrådar som solen lämnat efter sig inuti träd. Dessa ledtrådar är i form av radionuklider skapade av kosmiska strålar.
Teamet av forskare leds av Hans-Arno Synal och Lukas Wacker från Laboratory of Ion Beam Physics vid ETH Zürich. De spårade Schwabe-cykeln tillbaka så långt som till år 969 genom att mäta koncentrationer av radioaktivt kol i trädringar. De publicerade sina resultat i en tidning med titeln ' Elva år långa solcykler under det senaste årtusendet avslöjat av radiokol i trädringar .” Det är publicerat i tidskriften Nature Geoscience.
Det fina med träd är att de växer i en årlig cykel. Så varje år, när de växer fram ytterligare en ring, är det en ögonblicksbild av solens produktion för det året. Att sätta ihop alla dessa ringar ger en korrekt bild av solaktiviteten. I den här studien tittade forskarna på trädringarkiv från England och Schweiz.
De ljusa och mörka ringarna på ett träd. De äldsta ringarna är i mitten och de senaste på utsidan. Kredit: Flickr Creative Commons-användaren Amanda Tromley.
Varje ring innehåller en liten mängd radioaktivt kol - så lite som en atom av kol 14 per 1000 miljarder atomer. Eftersom forskare vet att C14:s halveringstid är cirka 5700 år, kan de beräkna koncentrationen av C14-atomer i atmosfären när varje ring odlades.
Det är här det blir ännu mer fascinerande: det radioaktiva kolet i trädringarna kommer inte från solen. Det kommer från kosmiska strålar som når jorden långt utanför vårt solsystem. Men solens magnetfält hjälper till att hålla de kosmiska strålarna från att nå jorden. Ju kraftigare solens magnetfält är, desto färre C14-isotoper når jorden för att tas upp av trädtillväxt. Så lägre mängder C14 i trädringar korrelerar med perioder med större solaktivitet.
Men att mäta dessa minimala mängder c14-isotoper i trädringarna är inte lätt, och inte heller att upptäcka skillnader från år till år. 'De enda mätningarna av det slaget gjordes på 80- och 90-talen', säger Lukas Wacker, 'men bara under de senaste 400 åren och med den extremt mödosamma räknemetoden.' Räknemetoden använde en geigerräknare för att mäta sönderfallshändelsen för varje isotop. Den metoden tar mycket material och mycket tid.
Teamet kom på en annan metod: acceleratormasspektrometri . Denna typ av spektrometri utvecklades i mitten av nittonhundratalet och är särskilt användbar för att detektera radioisotoper med lång livslängd, som C14.
'Med hjälp av modern acceleratormasspektrometri kunde vi nu mäta C14-koncentrationen till inom 0,1 procent på bara några timmar med trädringsprover som var tusen gånger mindre', sa Ph.D. elev Nicolas Brehm i a pressmeddelande , som var ansvarig för dessa analyser.
Trädringsproverna innehåller två typer av kol. Vid sidan av den radioaktiva C14-isotopen finns C12, den vanligaste av de två typerna av stabila kolisotop. En acceleratormasspektrometer accelererar båda dessa isotoper innan de skickas genom ett magnetfält. Fältet riktar en typ av kol åt ena sidan och den andra isotopen i en annan riktning på grund av deras olika massor. Resultaten av den mätningen analyseras sedan statistiskt.
Ett enkelt schema över en acceleratormasspektrometer. På grund av deras olika vikt är C13 och C14 separerade från varandra och C14 kan mätas. Bildkredit: Av Hah; BioMed Central Ltd., CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68194664
Som ett resultat kunde teamet av forskare rekonstruera rekordet av solens aktivitet hela vägen från år 969 till 1933. Deras rekonstruktion bekräftade solens 11-åriga Schwabe-cykel ända tillbaka till 969 e.Kr. Den visade också att amplituden för den cykeln, eller hur mycket solaktiviteten går upp och ner, är mindre under långvariga solminima.
Deras rekonstruktion bekräftade också något annat. År 993 inträffade en uttalad solprotonhändelse som skapade en topp i atmosfären C14. Dessa händelser inträffar när protoner som sänds ut av solen accelereras tillräckligt för att penetrera jordens magnetfält och orsaka jonisering i atmosfären. Det har varit debatt kring evenemanget 993, men detta arbete bekräftar dess existens.
Faktum är att resultaten gick längre än att bekräfta händelsen år 993. Forskarna hittade också bevis för ytterligare två protonhändelser: en år 1052 och en år 1279. Detta är första gången dessa händelser har upptäckts, och det kan tyda på att de händer oftare än man trodde. Detta är mycket intressant eftersom dessa händelser kan utgöra en fara för elektronik på jorden och satelliter.
Jorden har några mycket långlivade träd. En av dem, en borstkottall i Kalifornien som heter Methuselah, tros vara cirka 5 000 år gammal. Men för denna studie fanns det inget behov av att störa gamla levande träd. Istället undersökte forskarna forntida timmer som använts i byggnader som fortfarande står, som t.ex Abbey Church of St Alban , St Albans, Hertfordshire, Storbritannien. Dess konstruktion går tillbaka till 1000-talet. Teamet undersökte 13 olika virke från 11 olika byggnader i Storbritannien och Schweiz.
Kaliforniens Metuselah-träd är nästan 5000 år gammalt, och det innehåller ett register över solaktivitet under dess livslängd. För sitt eget skydd är dess plats hemlig och det finns inga bilder på den. Detta är ett foto av en annan Bristlecone Pine tree. Bildkredit: Wikimedia Commons
Denna typ av analys har potential att lära oss ännu mer om solen. Det finns trädringsarkiv som går 14 000 år tillbaka i tiden i sub-fossiliserat trä, som fortfarande är rikt på kol. Forskarna hoppas kunna använda sin metod för att mäta C14-koncentrationerna i det träet, vilket kommer att hjälpa dem att rekonstruera solaktiviteten tillbaka till slutet av den senaste istiden.
Mer:
- Pressmeddelande: Solaktivitet rekonstruerad under ett millennium
- Publicerad Forskning: Elva år långa solcykler under det senaste årtusendet avslöjat av radiokol i trädringar
- Universum idag: Tidigare supernovor skulle kunna skrivas in i trädringar