Солнце способно устраивать космические бури, значительно превосходящие по мощности большинство событий, которые человечество наблюдало непосредственно. Доказательства этого сохранились не в архивах астрономических обсерваторий и не в данных космических аппаратов, а в годичных кольцах древних деревьев.
Каждое такое кольцо представляет собой своеобразную запись состояния окружающей среды за определённый год. В древесине сохраняются изменения содержания радиоуглерода, связанные с количеством космических частиц, достигших атмосферы Земли. Благодаря этому деревья, существовавшие сотни и тысячи лет назад, позволяют восстановить историю солнечной активности задолго до появления телескопов и спутников.
Исследования таких природных архивов уже обнаружили несколько чрезвычайно мощных событий, получивших название событий Мияке. Они свидетельствуют о том, что Солнце способно создавать потоки высокоэнергичных частиц, намного превосходящие обычный уровень солнечной активности.
Особенно интересны новые результаты анализа годичных колец за первое тысячелетие нашей эры. Они указывают на существование промежуточного класса солнечных событий — более мощных, чем знаменитая буря Кэррингтона 1859 года, но слабее наиболее экстремальных событий Мияке. Предварительный анализ указывает на возможную частоту таких событий порядка одного за несколько сотен лет. При этом точная статистика пока остаётся неопределённой.
Деревья оказались природными архивами солнечной активности
Что сохраняется в годичных кольцах
Деревья ежегодно формируют новый слой древесины. В умеренном климате границы между последовательными слоями обычно хорошо различимы, поэтому по ним можно установить возраст дерева с точностью до отдельного года.
Но для учёных годичные кольца представляют интерес не только как календарь. В древесину попадает углерод, который дерево получает из атмосферы в процессе фотосинтеза. Среди различных изотопов углерода присутствует радиоактивный углерод-14.
Его образование связано прежде всего с воздействием космических лучей на атмосферу Земли. Поэтому резкое увеличение количества углерода-14 в определённом году может свидетельствовать о необычном всплеске высокоэнергичных частиц, достигших нашей планеты.
Обычные колебания солнечной активности приводят к относительно небольшим изменениям. Но иногда в древесных кольцах обнаруживается резкий скачок, который невозможно объяснить обычной изменчивостью Солнца. Именно такие аномалии стали ключом к обнаружению древних экстремальных солнечных событий.
Открытие первого события Мияке
Первый такой сигнал обнаружила японская исследовательница Фуса Мияке в 2012 году. Она изучала срезы древнего японского кедра, который был спилен в 1950-х годах на острове Якушима.
В кольцах, соответствующих 774–775 годам нашей эры, обнаружился необычайно сильный скачок содержания углерода-14. Его величина составляла около 12 промилле, что примерно в 20 раз превышало ожидаемое изменение, связанное с обычной солнечной активностью.
Сначала оставалась возможность, что необычный результат связан с конкретным деревом, особенностями измерений или локальными условиями. Однако последующие исследования показали тот же сигнал в древесине из разных частей мира, в том числе в Северной Америке и Европе.
Это было важным аргументом в пользу того, что событие имело глобальный характер и было связано с резким увеличением потока высокоэнергичных частиц, достигших земной атмосферы.
Почему учёные связали древний сигнал с Солнцем
Альтернативные объяснения оказались маловероятными
После обнаружения глобального радиоуглеродного сигнала необходимо было определить его происхождение.
В качестве возможных причин рассматривались мощный взрыв сверхновой, гамма-всплеск или событие с участием нейтронной звезды. Такие явления действительно способны создавать огромные потоки высокоэнергичных частиц.
Однако известные потенциальные источники подобных событий находились слишком далеко, чтобы убедительно объяснить обнаруженный сигнал.
В результате внимание исследователей вновь переключилось на ближайшую к нам звезду — Солнце.
Последующие исследования других древесных колец и ледяных кернов укрепили связь между резкими радиоуглеродными аномалиями и чрезвычайно сильными солнечными событиями.
Что такое солнечная вспышка
Солнечная вспышка возникает, когда накопленная магнитная энергия в атмосфере Солнца внезапно высвобождается.
В результате определённая область поверхности и атмосферы звезды резко увеличивает яркость и начинает испускать интенсивное излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра — от радиоволн до рентгеновского излучения.
Крупные вспышки могут сопровождаться выбросами высокоэнергичных заряженных частиц. Кроме того, Солнце способно выбрасывать огромные облака намагниченной плазмы — корональные выбросы массы.
Именно сочетание таких процессов может приводить к мощным космическим погодным явлениям, способным воздействовать на магнитное поле Земли, спутники, радиосвязь и электрические системы.
События Мияке оказались гораздо мощнее знаменитой бури Кэррингтона
Что произошло в 1859 году
Самой известной солнечной бурей в современной истории считается событие Кэррингтона, произошедшее в 1859 году.
В то время человечество ещё не зависело от спутников, глобальных компьютерных сетей и современной электроэнергетики. Однако последствия были заметны даже при тогдашнем уровне технологического развития.
Сильные геомагнитные возмущения привели к нарушениям работы телеграфных систем в Европе и Северной Америке. Некоторые телеграфные линии испытывали настолько сильные токи, что возникали пожары.
Одновременно необычно яркие полярные сияния наблюдались значительно южнее обычных областей их появления, вплоть до низких широт.
На протяжении долгого времени событие Кэррингтона считалось своеобразным эталоном экстремальной солнечной активности.
Даже Кэррингтон недостаточно мощный для некоторых древних сигналов
Изучение годичных колец показало, что событие 1859 года не оставило столь выраженного сигнала углерода-14, как события Мияке.
По оценке исследователей, для формирования отчётливой радиоуглеродной аномалии такого масштаба потребовалась бы солнечная буря примерно в десять раз мощнее события Кэррингтона.
Это принципиально меняет представление о диапазоне возможной солнечной активности.
Человечество располагает подробными инструментальными наблюдениями Солнца только в течение относительно короткого периода. Поэтому отсутствие подобных экстремальных событий в современной истории не означает, что Солнце никогда их не производило.
Древесные кольца показывают, что производить их наша звезда всё же способна.
Что такое события Мияке
Следы редких экстремальных бурь
События Мияке — это резкие глобальные увеличения содержания углерода-14, обнаруженные в древесине и связанные с мощными всплесками высокоэнергичных частиц.
После первого открытия 2012 года исследователи нашли ещё несколько подобных событий.
Второй сигнал обнаружили в данных по древесине и подтвердили с помощью разных видов деревьев и географических регионов. Позднее аналогичные исследования выявили события примерно 664 года нашей эры и другие древние аномалии.
В 2022 году масштабное исследование данных годичных колец позволило обнаружить новые события, уходящие глубоко в доисторическое прошлое.
В 2023 году был найден крупнейший на сегодняшний день подтверждённый сигнал такого типа. Он сохранился в субфоссильной сосне из Французских Альп и относится примерно к 12 350 году до нашей эры.
Почему это проблема для моделей Солнца
Наличие таких событий представляет серьёзную проблему для моделей солнечной активности.
Солнце относится к звёздам, которые, согласно существующим представлениям, не должны регулярно производить вспышки и выбросы настолько огромной мощности.
При этом несколько обнаруженных событий показывают, что подобные экстремальные явления действительно происходили в прошлом.
Остаётся определить, насколько они редки и существует ли принципиальное физическое отличие между ними и обычными солнечными бурями.
Между обычными бурями и событиями Мияке обнаружился пробел
«Пропущенная середина» солнечной активности
У современной науки есть относительно подробная информация о солнечных бурях умеренной мощности. Их регистрируют космические аппараты и наземные обсерватории.
На другом конце диапазона находятся события Мияке, которые настолько сильны, что оставляют заметные следы в природных архивах.
Между этими двумя группами находится плохо изученная область.
Это особенно важно потому, что события средней мощности могут происходить значительно чаще экстремальных событий Мияке и при этом потенциально представлять серьёзную угрозу для современной технологической цивилизации.
Если такие события действительно происходят раз в несколько сотен лет, вероятность столкнуться с одним из них значительно выше, чем вероятность непосредственно наблюдать полноценное событие Мияке.
Новое исследование первого тысячелетия
Для поиска таких промежуточных событий исследователи изучили восемь высокоточных рядов данных по углероду-14, охватывающих почти всё первое тысячелетие нашей эры — период с 1 по 970 год.
Пять наборов данных были получены заново из годичных колец европейских дубов, главным образом из Германии и Франции. Ещё три серии уже существовали ранее.
Затем учёные использовали модели углеродного цикла Земли, чтобы определить, какие резкие изменения содержания углерода-14 могли быть вызваны внезапным увеличением производства этого изотопа в атмосфере.
В результате были обнаружены четыре кандидата на промежуточные солнечные события — примерно в 14, 553, 675 и 954 годах нашей эры.
Если интерпретация этих сигналов подтвердится, такие события могли происходить примерно один раз в 200 лет. Однако это предварительная оценка частоты, а не установленный интервал между подобными бурями.
Насколько опасны промежуточные солнечные бури
Последствия зависят от типа солнечного события
Нельзя автоматически считать, что любой мощный солнечный всплеск приведёт к одинаковым последствиям.
Если основным механизмом станет корональный выброс массы, ключевой угрозой будет взаимодействие выброшенного плазменного облака с магнитосферой Земли.
При достаточно сильном воздействии может возникнуть мощная геомагнитная буря. Она способна создавать электрические токи в длинных проводящих системах на поверхности Земли.
Под удар могут попасть электросети, трубопроводы и другие протяжённые металлические конструкции.
Масштаб последствий будет зависеть не только от силы самой бури. Важную роль сыграют геологические особенности региона, конфигурация электрических сетей и расположение инфраструктуры.
Спутники и связь могут пострадать иначе
Если мощный всплеск связан преимущественно с солнечной вспышкой и интенсивным излучением, последствия будут отличаться.
Значительная часть опасного излучения поглощается верхними слоями атмосферы, поэтому находящиеся на поверхности люди и большая часть наземной инфраструктуры защищены атмосферой.
Но спутники находятся выше этого естественного экрана.
Сильное солнечное излучение и потоки заряженных частиц способны повреждать космические аппараты, нарушать радиосвязь и влиять на работу навигационных систем.
Для современной цивилизации это особенно важно, поскольку спутниковая инфраструктура используется в связи, навигации, наблюдении Земли, синхронизации времени и множестве других систем.
Почему угроза сегодня потенциально серьёзнее, чем в прошлом
Современная цивилизация стала зависеть от электричества и космоса
В 1859 году мир практически не имел современной электроэнергетической инфраструктуры и спутников.
Сегодня ситуация совершенно другая.
Электрические сети охватывают огромные территории, а энергосистемы соединены между собой. Современная промышленность зависит от непрерывной работы электроснабжения, связи, компьютерных систем и спутниковой навигации.
Поэтому геомагнитная буря аналогичной или большей силы может иметь значительно более серьёзные экономические и инфраструктурные последствия.
Кроме того, критически важные производственные мощности и цепочки поставок распределены между сравнительно небольшим числом крупных промышленных центров.
Именно поэтому исследователи рассматривают даже промежуточные солнечные события как потенциально серьёзную угрозу для технологического общества.
Земля всё же обладает мощной естественной защитой
При этом сильная солнечная буря не означает непосредственную угрозу жизни людей на поверхности Земли.
Магнитное поле планеты и атмосфера обеспечивают значительную защиту от заряженных частиц и солнечного излучения.
Главные риски для современной цивилизации связаны прежде всего с технологической инфраструктурой.
Наибольшую уязвимость представляют системы, которые либо находятся за пределами атмосферы, либо имеют протяжённые проводящие элементы, способные испытывать наведённые электрические токи.
Поэтому речь идёт прежде всего о космической погоде и её воздействии на техническую инфраструктуру, а не о прямом уничтожении жизни на поверхности планеты.
Почему по деревьям нельзя просто точно определить дату следующей бури
Радиоуглеродный сигнал не является прямой записью солнечной вспышки
Годичное кольцо не представляет собой непосредственный «датчик Солнца».
Сначала высокоэнергичные частицы воздействуют на атмосферу и меняют процессы образования радиоактивных изотопов. Затем образовавшийся углерод-14 перемешивается в атмосфере. После этого углерод попадает в растения, а затем сохраняется в древесине.
Между событием в космосе и появлением соответствующего сигнала в конкретном кольце происходит целая цепочка физических и биологических процессов.
Поэтому интерпретация древних сигналов требует учёта углеродного цикла Земли.
Деревья могут «размывать» сигнал
Дополнительную проблему создаёт сам процесс роста дерева.
В некоторых случаях дерево начинает формировать новое годичное кольцо весной, используя не только углерод, поступивший в атмосферу непосредственно в этот период, но и углерод, накопленный ранее.
Из-за этого резкое изменение состава атмосферы может оказаться распределённым между соседними годичными кольцами.
Особенно важным становится момент роста древесины.
У разных видов деревьев, растущих в разных климатических условиях, продолжительность сезона роста отличается. Поэтому одинаковое солнечное событие может оставлять несколько различающийся сигнал в разных природных архивах.
Не каждое дерево одинаково полезно для поиска солнечных бурь
Важны вид, климат и условия роста
Для подобных исследований подходят далеко не любые деревья.
Учёным необходимы образцы, в которых годичные кольца можно надёжно датировать, а содержащийся в них углерод хорошо сохраняется.
На результат способны влиять вид дерева, географическая широта, продолжительность сезона роста, количество воды и света, возраст растения и другие факторы.
Поэтому один необычный сигнал ещё не является достаточным доказательством древней солнечной бури.
Гораздо убедительнее, когда аналогичная аномалия обнаруживается в деревьях из разных регионов и подтверждается независимыми природными архивами.
Ледяные керны помогают проверить результаты
Одним из таких архивов являются ледяные керны.
В ледяных щитах сохраняются следы изменений состава атмосферы, в том числе другого радиоактивного изотопа — бериллия-10.
После обнаружения первого события Мияке измерения бериллия-10 в ледяных кернах стали одним из независимых способов проверки результатов, полученных по древесным кольцам.
Совпадение сигналов в разных типах природных архивов существенно повышает уверенность в том, что обнаруженная аномалия действительно имеет глобальное происхождение.
Почему особенно интересны древние деревья Южного полушария
Исторические данные о событиях Мияке распределены по планете неравномерно.
Большая часть изученных древесных архивов происходит из Северного полушария. Это ограничивает возможности исследования глобального характера древних солнечных событий.
Поэтому особое внимание сейчас уделяется древним новозеландским каури.
Эти деревья могут жить очень долго, хорошо сохраняются и способны предоставить последовательные записи изменений окружающей среды на протяжении многих веков.
Кроме того, они находятся в Южном полушарии, где данных о событиях Мияке значительно меньше.
Исследование образцов из разных частей Земли позволит лучше понять, насколько одинаково распространяются последствия мощных солнечных событий по планете и насколько надёжно можно оценивать их интенсивность по отдельным природным архивам.
Что древние бури говорят о самом Солнце
Солнце оказалось способно на большее, чем предполагалось
Открытие событий Мияке изменило представления о возможностях нашего Солнца.
До появления этих данных астрономы имели в основном инструментальные наблюдения сравнительно короткого периода. Даже событие Кэррингтона казалось исключительным.
Древесные кольца продемонстрировали, что в прошлом происходили значительно более мощные всплески высокоэнергичных частиц.
Это означает, что диапазон активности Солнца шире, чем можно было заключить только из современной истории наблюдений.
Однако остаётся фундаментальный вопрос: являются ли события Мияке просто чрезвычайно мощными версиями обычных солнечных бурь или они возникают в результате другого физического механизма.
Ответ на него имеет непосредственное значение для оценки будущего риска.
Частота событий может оказаться ключом
Если между обычными бурями и событиями Мияке существует непрерывная последовательность по мощности, то промежуточные события должны встречаться чаще самых экстремальных.
Именно такую возможность сейчас пытаются проверить по древесным кольцам.
Но возможен и другой вариант.
Частота событий может резко падать при достижении определённого энергетического порога. Тогда самые мощные бури действительно окажутся исключительно редкими.
Наконец, сама статистическая зависимость может быть более сложной, что будет указывать на различия в физических механизмах формирования солнечных бурь.
Для решения этой задачи необходимы более длинные и качественные ряды данных.
Что известно о древних экстремальных событиях
Сейчас исследователи располагают несколькими подтверждёнными или хорошо изученными событиями Мияке.
Одно из наиболее известных произошло в 774–775 годах нашей эры и было первым обнаруженным событием такого типа.
Другой сигнал относится примерно к 663–664 годам.
Были обнаружены и более древние события, включая несколько сигналов, выявленных при масштабном анализе древесных колец.
Самое крупное подтверждённое событие относится примерно к 12 350 году до нашей эры и было обнаружено в древесине субфоссильных сосен во Французских Альпах.
Таким образом, речь идёт не об одном случайном отклонении, а о целой группе древних аномалий, распределённых по разным эпохам.
Можно ли предсказать следующую экстремальную солнечную бурю
Пока древесные кольца не позволяют предсказывать конкретную дату будущей солнечной бури.
Они дают информацию о прошлом.
Если в древесине обнаруживается повторяющаяся статистическая закономерность, она может помочь оценить вероятность событий определённого масштаба в будущем. Но это не означает, что исследователи могут определить, в каком именно году произойдёт следующая буря Мияке.
Даже если средний интервал между событиями составляет несколько сотен или тысяч лет, это не означает, что события будут происходить строго через одинаковые промежутки времени.
Поэтому утверждение о том, что очередная экстремальная буря обязательно должна произойти в ближайшее время, из имеющихся данных не следует.
Гораздо точнее говорить о том, что древние природные архивы показывают саму возможность гораздо более мощной солнечной активности, чем та, которую человечество наблюдало непосредственно.
Древние деревья становятся частью системы мониторинга космической погоды
Современные спутники позволяют следить за Солнцем практически в реальном времени. Они регистрируют вспышки, выбросы плазмы и потоки заряженных частиц.
Но продолжительность такой инструментальной истории очень мала по сравнению с возрастом Солнца.
Годичные кольца позволяют расширить эту историю на тысячи и десятки тысяч лет.
Получается необычная комбинация двух подходов. Спутники показывают, как Солнце ведёт себя сейчас, а деревья и ледяные керны позволяют узнать, что происходило задолго до появления современной техники.
Сопоставление этих данных даёт возможность построить гораздо более продолжительную картину солнечной активности.
Что предстоит выяснить
Главная задача будущих исследований — заполнить пробел между обычными солнечными бурями и событиями Мияке.
Для этого необходимо изучить больше древесных образцов, расширить географию исследований и особенно увеличить количество данных из Южного полушария.
Одновременно необходимо совершенствовать модели углеродного цикла, чтобы отличать реальные солнечные сигналы от изменений, связанных с особенностями роста деревьев.
Новые данные позволят уточнить частоту промежуточных событий и определить, существует ли закономерность между их мощностью и повторяемостью.
Не менее важна физическая сторона вопроса: необходимо понять, способны ли обычные механизмы солнечной активности объяснить события Мияке или для них требуется иной механизм.
Солнце оставляет следы на Земле даже спустя столетия
Древние деревья показывают, что история Солнца значительно длиннее истории человеческих наблюдений.
В 2012 году первое событие Мияке обнаружили в японском кедре, а последующие исследования нашли аналогичные сигналы в древесине из разных регионов планеты и в ледяных кернах. С тех пор стало ясно, что Солнце способно создавать события, намного превосходящие по мощности бурю Кэррингтона 1859 года.
Особенно важным направлением теперь становится поиск промежуточных событий. Четыре кандидата, выявленные в данных за период с 1 по 970 год нашей эры, могут указывать на то, что солнечные бури, значительно превосходящие Кэррингтон, происходят примерно раз в несколько сотен лет. Однако пока это оценка, требующая дальнейшей проверки.
Точные последствия будущей экстремальной бури зависят от механизма её возникновения. Мощный корональный выброс массы может вызвать сильную геомагнитную бурю и создать токи в электрических сетях и других протяжённых проводящих системах. Интенсивная солнечная вспышка способна повредить спутники, нарушить радиосвязь и ухудшить работу навигационных систем.
Поэтому годичные кольца имеют значение не только для изучения далёкого прошлого. Они помогают определить диапазон возможной активности Солнца и понять, какие события способны происходить даже при отсутствии исторических свидетельств.
Деревья не могут сообщить, когда произойдёт следующая крупная солнечная буря. Но они уже показали главное: Солнце способно на гораздо более мощные выбросы энергии и потоков частиц, чем человечество успело наблюдать за всю эпоху космических исследований.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
