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树木的年轮里,藏着太阳辐射风暴的历史

发布单位:台北市立天文科学教育馆

科学家分析了世界各地树木年轮中的放射性特征,研究过去一万年, 席卷地球六次的辐射风暴。发表在《英国皇家学会期刊》的会议论文指出:太阳的超级闪焰不是主因,其原由还有待商榷。

当太阳辐射的高能粒子撞击到地球高处大气层时,会将氮原子转为放射性的碳14或称放射性碳,经由空气和海洋,进入到沉积物和沼泽、生态圈,到动物和植物,其中也包含了树木的年轮。

对考古学家而言,放射性碳14的发现与运用真是一大福音,碳14的衰变时间缓慢且稳定,让科学家能测得样品的年代,即所谓的放射性碳14定年法(radiocarbon dating)。

对天文学家来说,也是如获珍宝,因为树木的年轮记录了数千前的高能粒子:宇宙射线。地球的磁场保护我们,免受宇宙射线穿透银河系造成的伤害, 当地球磁场强度较弱时,宇宙射线也就来得多,反之亦然。这也表示年轮中碳14的多寡,不仅反应了太阳11年周期的太阳活动,还有地磁反转的历史。

但年轮也记录了我们目前无法解释的事件。2012年,日本物理学家三宅芙沙(Fusa Miyake)发现年轮在公元774年,有大量的放射性碳14,而且一次就是好几年份的宇宙射线量,因有三宅事件(Miyake event)之称。随着更多科学家投入相关的研究,还发现了其他年代的三宅事件:公元993年、公元前663年,和史前时代的公元前5259年、公元前5410年、公元前7176年。

这么高强度的辐射脉冲会再发生吗?若发生在现代,将会摧毁太空中的卫星、地球上的电信与电网,瞬间瘫痪现今社会所依赖的通讯和供电设备。即使每10年有1%的机率,这个风险还是担不起呀。

三宅事件对于物理学和天文学一直是个谜。宇宙里要如何产生这么大的辐射?许多科学研究认为可能是超新星、伽玛射线爆、爆炸的磁化中子星,甚至连彗星都纳入考虑。解释三宅事件的成因,目前较被接受的想法是因为太阳的超级闪焰,其能量还比目前的最高纪录1859年Carrington Event多出50-100倍。

研究团队着手进行大量树木的年轮采样与分析,找出三宅事件的强度、发生时间点、和事件持续的时间,碳14如何进入全球的碳循环,计算出何时会显现在树木年轮中。研究团队公开了这回使用的资料,包含有三宅事件的98棵树木资料、和开源程式,提供后续与考古学家的合作研究。初步的调查结果发现,一次的三宅事件相当于平常1~4年的辐射量,而且靠近地球两极的树木,年轮上的辐射特征明显。

但却不是太阳超级闪焰所造成。更多的样本显示,它可在太阳11年活跃周期的任何时间点发生(但太阳闪焰常发生在太阳活动最活跃的时候)。更令人费解的是,有些碳14在进入碳循环裡所花费的时间,似乎比后发生的事件还来得久。与预期有所落差,点醒我们对大型的太阳闪焰或树木生长季节等等的认知,仍有细节待探讨。

以作者的观点,太阳仍是三宅事件的推手。从年轮的研究结果,推测可能来自太阳闪焰的风暴,倒不是巨大的超级闪焰。为了厘清这些谜团,还需要更多的太阳观测资料、树木年轮的调查,和其他来源做多方验证,例如南北极的冰芯。

这是货真价实的跨领域科学。本以为会清晰明了,没想到,要理解这错综复杂的地球史,还真是不容易。(编译/台北天文馆潘康娴)

2017年9月发生的太阳闪焰,使用超紫外线波长717埃(Angstrom)所拍摄。图片来源:NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory
图说:2017年9月发生的太阳闪焰,使用超紫外线波长717埃(Angstrom)所拍摄。图片来源:NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

资料来源:Phys.org