樹木年輪放射性碳揭露過去千年太陽活動已經存在十一年周期

太陽是地球重要的能量來源，雖然人類對太陽活動（太陽黑子）的觀測僅有四百年歷史，但是由宇宙射線產生的宇宙射線成因核素（cosmic ray produced radionuclide）會記錄在樹輪或者冰芯中，可以作為追溯上千年前太陽活動變化的重要線索。碳十四是一種碳的放射性同位素，是由大氣圈上部氮氣受宇宙射線轟擊而形成。這些碳十四在大氣中被氧化形成二氧化碳十四，通過光合作用由樹木吸收，記錄在當年形成的樹木年輪中，並不再與外界進行交換。因此，樹木年輪中的碳十四豐度變化可以恢復古代大氣中碳十四的變化，進而記錄宇宙射線強度和太陽活動。樹木年輪具有定年準確、分辨率高、連續性好的特點，具有重建那一年甚至那一季節尺度太陽活動變化的潛力。此外，高分辨率的歷史文獻資料，如太陽黑子活動歷史和古代朝鮮極光年表，具有年代準確，時間分辨率高的特點，也可用於研究太陽活動。

日本學者三宅芙沙曾通過測量年分辨率的樹輪碳十四記錄，發現公元774年至775年、公元992年至993年碳十四豐度顯著增加現象，發現兩次強宇宙射線事件。這兩次事件的發生，極有可能與太陽高能粒子事件有關。但上述研究僅利用片段的樹輪碳十四記錄。目前仍然缺乏具有年分辨率且連續千年的樹輪碳十四記錄。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院發表目前最長、連續、具有年分辨率的樹輪碳十四記錄。該樹輪Δ碳十四（delta carbon 14）記錄了過去一千年中碳十四的三次快速增加現象，而短時間內大氣碳十四快速增加與太陽高能粒子事件有關。第一次發生在公元993年，此次太陽高能粒子事件導致碳十四產量在一年內增加近三倍。第二次Δ碳十四明顯增加發生在公元1052年，並可以通過模型在前人發表Δ碳十四數據集中得到驗證。然而，模型並未檢測到發生在公元1279年的第三次碳十四豐度明顯增加事件，這可能與所選數據集精度等有關。即便如此，這兩次疑似事件的發現也說明太陽高能粒子事件可能遠比我們想像中更頻繁。值得注意的是，三次太陽高能粒子事件發生在公元990年至1290年之前，最近七百年來一直沒有發生，而且公元1052年和公元1279年的事件都發生在太陽活動極小期內。

太陽活動具有十一年周期，上述週期導致的碳十四變化會記錄到樹輪中，但這項研究非常具有挑戰性，因為太陽十一年的周期性活動引起的Δ碳十四變化僅為2‰ ，而碳十四的平均分析誤差就達1.8±0.2‰ ，這必然導致真正的周期信號與噪音混淆。尼古拉斯·布雷姆（Nicolas Brehm）等對Δ碳十四以及太陽黑子記錄開展了帶通濾波分析併計算了峰間距離（peak-to-peak distance），將振幅小於1.2‰的訊號設定為噪音（上圖）。結果顯示，具有較小振幅的周期很有可能是噪音導致的。這些噪音導致極小期時太陽活動呈現出較小的振幅和較短的周期。這意味著以後觀察極小期或者振幅較小時的太陽活動，要考慮噪音的可能影響。

為進一步評估Δ碳十四記錄中噪音導致的周期和振幅的變化，作者將帶通濾波後的Δ碳十四週期和振幅與隨機生成的測試數據進行比較。結果發現，當模擬數據選擇振幅為0.8 ‰、週期為10.4年的正弦信號時，在周期和振幅分佈上可與實測記錄達到最佳匹配。因此，Δ碳十四記錄中確實記錄了十一年的太陽活動週期，且其平均振幅為0.8‰ ，這個結果要比前人報導的振幅（2‰ ）更低一些。這個振幅也並不是常數，而是取決於太陽活動的強弱。在太陽活動極小期時，振幅為0.6‰ ，而在太陽活動極大期，振幅在0.9‰左右。

該研究的意義在於利用高分辨率的樹輪碳十四記錄發現新的太陽高能粒子事件，重建太陽變化的長趨勢和年代際變化，揭開太陽活動規律及導致的碳十四變化。目前，越來越多研究利用高分辨率樹輪碳十四記錄揭露太陽活動的變化規律。

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年1月4日出版的《自然-地球科學》期刊

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