Jak wyjaśnić zmienną pogodę kosmiczną? Pomaga poezja japońska i drzewa!
Średniowieczna poezja japońska i zakopane drzewa pomagają wyjaśnić zmienną pogodę kosmiczną. Połączenie pomiarów węgla-14 przeprowadzonych z najwyższą precyzją z literaturą historyczną stanowi nową podstawę do badania nieprzewidywalnych i niebezpiecznych zjawisk związanych z protonami słonecznymi.
Na Ziemi ekstremalna aktywność Słońca często jawi się nam jako piękne, łagodne zorze polarne. Jednak gdy wyruszymy poza bezpieczną strefę naszego pola magnetycznego, spotykamy się z pełną siłą kapryśnej gwiazdy, która może nagle wybuchnąć rozbłyskami i wyrzutami koronalnymi.
Wybuchy te wywołują czasami tzw. zdarzenia protonowe pochodzenia słonecznego (SPE), podczas których cząstki o wysokiej energii są wyrzucane w kierunku Ziemi z prędkością sięgającą nawet 90% prędkości światła. W 1972 roku między misjami księżycowymi Apollo 16 i 17 wystąpiła seria zdarzeń SPE – gdyby zbiegły się one w czasie z którąkolwiek z tych wypraw, astronauci byliby bezradnie narażeni na śmiertelne promieniowanie cząsteczkowe. Wraz z powrotem na Księżyc zrozumienie tych sporadycznych zdarzeń staje się coraz pilniejsze.
Obecnie naukowcy z Instytutu Nauki i Technologii w Okinawie (OIST) zaprezentowali nowe podejście do wykrywania historycznych zdarzeń SPE, w którym wykorzystują średniowieczne zapisy jako wskazówki do ultraprecyzyjnych pomiarów węgla 14 w zakopanych drzewach asurano w północnej Japonii. Dzięki temu połączonemu podejściu fizycy zidentyfikowali i datowali SPE na okres od zimy 1200 r. do wiosny 1201 r. n.e. w średniowieczu, kiedy aktywność słoneczna była wyjątkowo wysoka. Wyniki ich badań zostały dzisiaj opublikowane w czasopiśmie „Proceedings of the Japan Academy, Series B”.
Profesor Hiroko Miyahara z jednostki ds. środowiska słoneczno-ziemskiego i klimatu w OIST wyjaśnia powiedział, że dotychczasowe badania historycznych zjawisk SPE skupiały się na rzadkich, niezwykle silnych zdarzeniach.
– Nasza praca stanowi podstawę do wykrywania zjawisk SPE o nasileniu poniżej ekstremalnego, zdarzeń, które występują częściej i mają około 10–30% wielkości najbardziej ekstremalnych przypadków, ale nadal są niebezpieczne. Wykrywanie sub-ekstremalnych zdarzeń SPE jest trudniejsze, ale nasza metoda pozwala nam teraz skutecznie je identyfikować i lepiej zrozumieć warunki, w których są one bardziej prawdopodobne – dodał Hiroko Miyahara.
Czerwone światła na północnym niebie
Większość wysokoenergetycznych protonów pochodzących z SPE jest odchylana przez pole magnetyczne Ziemi. Jednak w pobliżu biegunów, gdzie linie pola geomagnetycznego są otwarte na przestrzeń kosmiczną, lub podczas szczególnie silnych zjawisk, niektóre cząstki mogą przedostać się i zderzyć z gazami atmosferycznymi. Powstają wówczas związki węgla-14, które krążą w atmosferze na całym świecie i są wbudowywane w materiały organiczne.
Mierząc zawartość węgla-14 w zachowanych materiałach organicznych, takich jak zakopane drzewa, naukowcy mogą zidentyfikować wahania aktywności słonecznej w ciągu ostatnich 10 000 lat. Dzięki ultraprecyzyjnym pomiarom – które naukowcy opracowali wcześniej w ciągu trwającego ponad dekadę procesu – można teraz dostrzec mniejsze wahania, których nie da się wykryć konwencjonalnymi metodami, co pozwala na wykrywanie sub-ekstremalnych SPE.
Ponieważ jednak ta niezwykle precyzyjna metoda jest czasochłonna, zespół musiał najpierw ustalić, kiedy i gdzie szukać śladów dawnych zjawisk pogodowych związanych ze Słońcem. W niniejszym badaniu pierwszą wskazówką była książka „Meigetsuki”, dziennik wpływowego japońskiego dworzanina i poety Fujiwara no Teika (1162–1241), który w lutym 1204 roku był świadkiem „czerwonych świateł na północnym niebie nad Kioto”.
Chociaż same SPE nie powodują zorzy polarnej, często towarzyszą zjawiskom pogody kosmicznej, które ją wywołują, dając naukowcom konkretny okres do zbadania. Następnie zmierzyli zawartość węgla-14 w drewnie asunaro wydobytego w północnej prefekturze Aomori i odkryli skoki węgla-14 wskazujące na sub-ekstremalne SPE.
W połączeniu z badaniami dendroklimatycznymi – czyli metodą datowania opartą na porównaniu wzorców wzrostu słojów drzew związanych z regionalnym klimatem – naukowcy umiejscowili to konkretne zdarzenie gdzieś między zimą 1200 r. n.e. a wiosną 1201 r. n.e., czyli w okresie, w którym w Chinach obserwowano czerwoną zorzę polarną na niskich szerokościach geograficznych.
– Dane o wysokiej precyzji nie tylko pozwoliły nam dokładnie datować sub-ekstremalne zdarzenia protonowe Słońca, ale także umożliwiają nam jasną rekonstrukcję cykli słonecznych z tego okresu. Obecnie aktywność Słońca zmienia się w cyklach trwających jedenaście lat, ale odkryliśmy, że w tamtych czasach cykl ten trwał zaledwie siedem do ośmiu lat, co wskazuje na bardzo aktywne Słońce. Datowane przez nas zdarzenie protonowe Słońca miało miejsce w szczytowym momencie jednego z tych cykli – dodał Miyahara.
Badanie to pomaga wypełnić luki w historycznych danych dotyczących aktywności słonecznej, poprawiając tym samym nasze zrozumienie nieprzewidywalnych i niebezpiecznych zjawisk, takich jak SPE. Jednak, jak podkreśla Miyahara, precyzyjne pomiary węgla-14 należy łączyć z innymi metodami badawczymi.
Zdaniem Miyahary, literatura historyczna wskazuje potencjalny przedział czasowy, a dendroklimatologia umożliwia bezpośrednie porównanie wykrytych zdarzeń SPE z odnotowanymi w literaturze doniesieniami o plamach słonecznych i zorzy polarnej. Takie zintegrowane podejścia są niezbędne do dokładnej rekonstrukcji przeszłej aktywności słonecznej, pomagając lepiej zrozumieć charakterystykę ekstremalnej pogody kosmicznej.
– Na przykład, podczas gdy wykryte przez nas SPE miało miejsce w pobliżu szczytu cyklu słonecznego, niektóre z odnotowanych w literaturze długotrwałych zórz polarnych w niskich szerokościach geograficznych wydają się przypadać w pobliżu minimum naszego zrekonstruowanego cyklu słonecznego. Jest to nieoczekiwane i z niecierpliwością czekamy na dalsze badania nad tym, jakie warunki słoneczne mogły to spowodować – podsumował Miyahara.
Źródło: Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University
Czytaj też: Nauka bywa nieziemsko lekka. Eksperymenty naukowców w Krakowie
Grafika tytułowa: Roméo A. / Unsplash
