Рояк енергийни частици и радиация: Когато супербуря удари Земята

К огато електрическата мрежа Hydro-Québec се срива на 13 март 1989 г., прекъсването потапя целия Квебек в мрак— повече от шест милиона души са на тъмно за няколко часа.

Събитието е предизвикано от свирепа буря, но тя не е дело на Земята. Източникът е слънцето: най-близката ни звезда е отприщила рояк от високоенергийни частици и радиация, които причиняват хаос на нашата технологична инфраструктура.

A fresh analysis of tree-ring data suggests barrages of cosmic radiation that washed over Earth centuries ago may have come from sources besides our sun https://t.co/fea5XXD32m

— Scientific American (@sciam) March 6, 2023

И все пак това събитие не е било случайност, учените вече са наясно с това. Внимателният анализ на доказателствата, събрани от дървесни пръстени, предполага, че подобни, но далеч по-големи бури многократно са удряли Земята в сравнително близкото минало. Изследователите отдавна смятат, че понякога екстремната активност на нашата звезда е виновникът за тези по-големи събития, но нова работа, включваща прозрения от физиологията на дърветата и въглеродния цикъл на нашата планета, оспорва идеята, че слънчевите бури са отговорни.

Тази промяна в мисленето започна преди около десетилетие, когато Фуса Мияке, физик по космическите лъчи, започва да анализира дървесината на дълголетни кедри, отсечени на японския остров Яку. Мияке, тогава аспирант в университета Нагоя в Япония, щателно извличал богата на въглерод целулоза от пръстените на дърветата, всяко от които обикновено записва цяла година растеж в диапазон от по-малко от милиметър. Нейната цел била да измери количеството въглерод 14 - радиоактивен изотоп на въглерода, който обикновено се използва за датиране на археологически артефакти.

Въглерод 14, известен също като радиовъглерод, се произвежда естествено на нашата планета, когато високоенергийна радиация и частици, излъчвани от слънцето, други звезди и различни космически катаклизми, взаимодействат с атомите в горната атмосфера на Земята, най-вече азота. Радиовъглеродът също е страничен продукт от човешката дейност - концентрацията на изотопа в атмосферата се удвоява по време на разцвета на тестовете на атомни оръжия от епохата на Студената война в средата на 20-ти век, когато САЩ и други нации взривяват стотици ядрени бомби в атмосферата.

"The mystery of ancient space superstorms deepens .." ☀⚡#UQ's @fringetracker and his team's research on unexplained radiation storms, as covered by Scientific American:https://t.co/clyomG4GQx@UQscience@sciam @QYZing @SharUtma @J0rdanDennis pic.twitter.com/JSF3VCiGxB

— UQ News (@UQ_News) March 7, 2023

Радиовъглеродът представлява само изчезваща част, около една част от един трилион, от въглерода, който се движи във въздуха, водата и скалите на нашата планета. Но това все още е повече от достатъчно, за да се натрупат откриваеми следи от веществото в дървета и други фотосинтезиращи растения, които го изсмукват от въздуха като въглероден диоксид, съдържащ радиоизотопи.

От 50-те години на миналия век изследователите знаят, че концентрацията на радиоактивен въглерод в дървесните пръстени варира с течение на времето. Но доскоро относително големи количества целулоза бяха необходими за радиовъглеродни анализи, така че повечето измервания се основаваха на пет или дори 10-годишни дървесни пръстени.

Подсказана от по-ранни изследвания, предполагащи ясно изразено увеличение на атмосферния въглерод 14 някъде в края на осми век, Мияке започва да изследва отделни дървесни пръстени, датиращи от 750 до 820 г. сл. н. е. Тя използва чувствителна техника, известна като ускорителна масспектрометрия, за да открие малки количества радиовъглерод , което се надяваше да хвърли светлина върху това кога и защо може да се е случило подобно събитие.

Много хора не виждаха смисъл от тази работа, казва Йеспер Олсен, физик от университета в Орхус в Дания, който не е участвал в изследването. „Никой наистина не смяташе, че си струва“, казва той.

Усилията на Мияке обаче се отплащат, когато данните разкриват аномално голямо увеличение на концентрацията на въглерод 14 точно през 775 г. от н. е. Тя и нейните колеги съобщиха за откритието в Nature през 2012 г. Оттогава изследователите откриват допълнителни „събития на Мияке“ в други записи на дървесни пръстени.

Шест събития – най-старото датиращо от 7176 г. пр. н. е. – са особено добре проучени и събитията от Мияке са използвани за ограничаване на времето на различни исторически събития, като пристигането на викингите в Америка. Но произходът на събитията в Мияке остава загадъчен. Освен общия консенсус, че са причинени от някакъв астрофизичен процес, те се приписват на слънчева активност, емисии от близка супернова или неутронна звезда или дори близка среща на Земята с комета.

Огромни слънчеви изригвания обикновено се използват, за да обяснят събитията в Мияке, казва Тим Джул, геоучен от Университета на Аризона, който не е участвал в изследването. Такива излияния на електромагнитно излъчване се появяват редовно на слънцето и често са свързани с изблици на високоенергийни частици. Но тази връзка между слънчевата активност и записа на колебанията на радиовъглерода на Земята е замъглена от факта, че нашето слънце също играе защита: неговото магнитно поле помага да се предпази Земята от високоенергийни частици, струящи отвъд Слънчевата система, и потенциално намалява, вместо да увеличава количество радиовъглерод, произведен от космически източници. Това екраниране е особено ясно изразено в пика на 11-годишния слънчев цикъл, когато магнитното поле на слънцето е най-силно.

Един факт е известен със сигурност за събитията в Мияке, казва Бенджамин Поуп, астроном от Университета на Куинсланд в Австралия. „Те са засичане на огромен изблик на радиация, достигащ Земята“, казва той. И тези изблици надминават баража, отприщен през 1989 г., който осакати електрическата мрежа Hydro-Québec, сега знаят изследователите. Поуп и неговите колеги наскоро анализираха радиовъглеродни записи от повече от 60 дървета, разпространени на четири континента, в търсене на природата и вероятния произход на тези мистериозни и тревожни сигнали.

Начертайте поредица от радиовъглеродни измервания като функция на времето и събитието на Мияке ще изглежда много като скала, която е почти вертикална от едната страна, но много по-плавно наклонена от другата. Повечето събития на Мияке се увеличават много бързо - често в рамките на един пръстен на дърво - и след това изчезват за 10 до 20 години. Но тази развръзка не се дължи на радиоактивното разпадане на изотопа, което се случва през хилядолетия, а не през десетилетия. Вместо това това е резултатът от въглерода на Земята, независимо дали е радиоактивен или не, непрекъснато пътуващ през околната среда, казва Поуп. „Той циркулира през въглеродния цикъл“, добавя той. След като в атмосферата се създаде изблик на радиовъглерод, той в крайна сметка се погребва в седименти на дъното на океана.

Получаването на по-добро разбиране на времето и продължителността на събитията в Мияке изисква по-добро отчитане на движението на радиовъглерода през глобалния въглероден цикъл. Изследователите се обръщат към така наречените модели на въглеродни кутии, които се състоят от системи от диференциални уравнения, диктуващи как въглеродът се разпространява през атмосферата, биосферата, океаните и други резервоари на Земята. Всички тези модели се опитват да отговорят на фундаментален въпрос. „Ако поставите малко радиовъглерод в атмосферата, къде отива и кога?“

Поуп и неговият екип започват с генерирането на набор от симулирани събития на Мияке, всяко от които леко се различаваше по своята начална дата, продължителност и сила. След това те подадоха тези симулирани данни чрез няколко различни модела на въглеродни кутии и сравниха изхода с измервания на радиовъглерод в реалния свят, получени от дървесните пръстени, за да се сближат с най-подходящи параметри за всяко събитие на Мияке.

Въз основа на този анализ изглежда, че повечето събития са в съответствие с кратки, почти мигновени „шипове“ на производството на радиовъглерод. Две събития обаче изглеждаха удължени във времето. Един по-специално, който се е случил през 663 г. пр.н.е., е продължил приблизително три години, заключават изследователите. Това е объркващо, защото слънчевите изригвания, изхвърлянето на коронална маса и други изригвания от слънцето обикновено продължават само няколко дни или седмици. Такъв сравнително кратък изблик на високоенергийни частици вероятно ще бъде уловен в един дървесен пръстен, който се сглобява в продължение на една година. Следователно намирането на доказателства за многогодишен сигнал е доста объркващ.

Отговорът може да се крие в тънкостите на магнитното поле на Земята. Високоенергийните частици могат да бъдат хванати там, на хиляди километри над по-голямата част от атмосферата - достатъчно високо, за да отнеме няколко години, за да капят надолу и да образуват радиовъглерод. Това може да обясни защо някои събития в Мияке изглеждат толкова продължителни във времето. Може би някои от тези по-дълготрайни събития могат да бъдат източник с по-кратка продължителност.

Друго обяснение за продължителните събития на Мияке може просто да бъде физиологията на дървото. Когато дърветата започнат да растат през пролетта, в някои случаи те разчитат на хранителни вещества, които вече се съхраняват в техните клетки. Това може да доведе до привидно краткотрайно събитие, като импулс на радиовъглерод, да изглежда размазано с времето, когато човек гледа дървесните пръстени.

Разбира се, винаги има възможност многогодишните събития на Мияке наистина да са удължени във времето. През 2020 г. друг екип от изследователи, включително Фуса Мияке, предложиха, че поредица от слънчеви изригвания, повтарящи се многократно в продължение на няколко години, може да са отговорни.

Поуп и неговият екип също се интересуваха от точното време на събитията в Мияке спрямо слънчевия цикъл. Изследователите показват, че слънчевите изригвания са около четири пъти по-вероятни да се появят около слънчевия максимум, отколкото около слънчевия минимум, така че би имало смисъл събитията от Мияке да са групирани около пика на слънчевия цикъл.

Други изследователи обаче все още залагат, че събитията в Мияке са свързани със слънцето. „Изобщо не е изненадващо за мен, че те не съответстват на пика на слънчевия цикъл“, казва Делорес Книп, геофизик от Университета на Колорадо Боулдър. В крайна сметка слънцето е напълно способно да изстрелва високоенергийни частици към Земята в моменти, различни от слънчевия максимум. „Знаем, че повечето изхвърляния на коронарна маса, които достигат до Земята – които обикновено са големите двигатели на слънчевите енергийни събития на частици – обикновено се появяват след пика на слънчевия цикъл“, казва Книп.

Друга идея е, че събитията в Мияке имат нещо общо с по-слаб от средния слънчев цикъл, предполагат Поуп и колегите му. Учените са забелязали десетилетно нарастване на радиовъглерода в дървесните пръстени, датиращи от около 5480 г. пр.н.е. Въпреки че обикновено не се счита за събитие на Мияке, този сигнал може да е причинен от период на изключително слаба слънчева активност, предполагат други изследователи. По-слабото от средното магнитно поле на слънцето би позволило на повече високоенергийни частици от междузвездното пространство да достигнат Земята през това време.

Пръстените на дърветата също не са единственото място за търсене на отговори за събитията в Мияке. Някои изследователи са се обърнали към ледените ядра, за да търсят берилий 10 и хлор 36 - два изотопа, които подобно на радиовъглерода се произвеждат в атмосферата от високоенергийни явления. Андрю Смит, физик от Австралийската организация за ядрена наука и технологии, изучава такива изотопи в антарктически ледени ядра. Пробити дълбоко в ледник или ледена покривка, на няколко десетки сантиметра от тези ледени ядра могат да уловят една година от миналото, предлагайки на изследователите повече материал, с който да работят, за да определят времето на древните събития. Това позволява измервания на периоди от месеци в сравнение с годишната времева разделителна способност на дървесните пръстени. Смит и колегите му в момента анализират данни от своите ледени ядра, като имат предвид събитията от Мияке.

Събитията в Мияке и техният произход все още са мистериозни - и може да останат такива, докато най-накрая не бъдат записани с научни инструменти. Но може би това не е бъдеще, което трябва да желаем. В края на краищата космически бараж, достатъчно интензивен, за да се появи в дървесните пръстени, вероятно би бил пагубен за хилядите спътници, които обграждат планетата. Тяхната чувствителна електроника ще бъде по същество изпържена, и това може да има вълнообразни ефекти в сферите на навигацията и комуникацията, технологии, които приемаме за даденост в съвременното общество.