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Nov. 02 2022

樹木的年輪裡,藏著太陽輻射風暴的歷史

  • 樹木的年輪裡,藏著太陽輻射風暴的歷史。

    樹木的年輪裡,藏著太陽輻射風暴的歷史。

  • 2017年9月發生的太陽閃焰,使用超紫外線波長717埃(Angstrom)所拍攝。圖片來源:NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

    2017年9月發生的太陽閃焰,使用超紫外線波長717埃(Angstrom)所拍攝。圖片來源:NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

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科學家分析了世界各地樹木年輪中的放射性特徵,研究過去1萬年, 席捲地球六次的輻射風暴。發表在《皇家學會學報》(Proceedings of the Royal Society) 的會議論文指出:太陽的超級閃焰不是主因,其原由還有待商榷。

當太陽輻射的高能粒子撞擊到地球高處大氣層時,會將氮原子轉為放射性的碳14或稱放射性碳,經由空氣和海洋,進入到沈積物和沼澤、生態圈,到動物和植物,其中也包含了樹木的年輪。

對考古學家而言,放射性碳14的發現與運用真是一大福音,碳14的衰變時間緩慢且穩定,讓科學家能測得樣品的年代,即所謂的放射性碳14定年法(radiocarbon dating)。

對天文學家來說,也是如獲珍寶,因為樹木的年輪記錄了數千前的高能粒子:宇宙射線。地球和太陽的磁場保護我們,免受宇宙射線穿透銀河系造成的傷害。當地球磁場強度較弱時,宇宙射線也就來得多,反之亦然。這也表示年輪中碳14的多寡,不僅反應了太陽11年週期的太陽活動,還有地磁反轉的歷史。

但年輪也記錄了我們目前無法解釋的事件。2012年,日本物理學家三宅芙沙(Fusa Miyake)發現年輪在公元774年,有大量的放射性碳14,而且一次就是好幾年份的宇宙射線量,因有三宅事件(Miyake event)之稱。隨著更多科學家投入相關的研究,還發現了其他年代的三宅事件: 公元993年、公元前663年,和史前時代的公元前5259年、公元前5410年、公元前7176年。

這麼高強度的輻射脈衝會再發生嗎?若發生在現代,將會摧毀太空中的衛星、地球上的電信與電網, 瞬間癱瘓現今社會所依賴的通訊和供電設備。即使每10年有1%的機率,這個風險還是擔不起呀。

三宅事件對於物理學和天文學一直是個謎。宇宙裡要如何產生這麼大的輻射?許多科學研究認為可能是超新星、伽瑪射線爆、爆炸的磁化中子星, 甚至連彗星都納入考慮。解釋三宅事件的成因,目前較被接受的想法是因為太陽的超級閃焰,其能量還比目前的最高紀錄1859年卡林頓事件(Carrington Event)多出50-100倍。

研究團隊著手進行大量樹木的年輪採樣與分析,找出三宅事件的強度、發生時間點、和事件持續的時間,碳14如何進入全球的碳循環,計算出何時會顯現在樹木年輪中。研究團隊公開了這回使用的資料,包含有三宅事件的98棵樹木資料、和開源程式,提供後續與考古學家的合作研究。初步的調查結果發現,一次三宅事件相當於平常1~4年的輻射量。而且靠近地球兩極的樹木,年輪上的輻射特徵明顯。

但卻不是太陽超級閃焰所造成。更多的樣本顯示,它可在太陽11年活躍週期的任何時間點發生(但太陽閃焰常發生在太陽活動最活躍的時候)。更令人費解的是,有些碳14在進入碳循環裡所花費的時間,似乎比後發生的事件還來得久。與預期有所落差,點出我們對大型的太陽閃焰或樹木生長季節等等的認知,仍有細節待探討。

以作者的觀點,太陽仍是三宅事件的推手。從年輪的研究結果,推測可能來自太陽閃焰的風暴,倒不是巨大的超級閃焰。為了釐清這些謎團,還需要更多的太陽觀測資料、樹木年輪的調查,和其他來源做多方驗證,例如南北極的冰芯。

這是貨真價實的跨領域科學。本以為會清晰明瞭,沒想到, 要理解這錯綜復雜的地球史,還真是不容易。

 

資料來源:PHYS.ORG

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

 

 

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