Солнце — виновник скачка содержания углерода на Земле

Время от времени наука преподносит нам загадку, которая оказывается полной неожиданностью. Как правило, когда мы разрезаем дерево и начинаем изучать кольца на срезе, мы обнаруживаем следы разных видов углерода на этих кольцах, в том числе углерод-12, углерод-13 и углерод-14. В то время как доля карбона-12 и карбона-13, судя по всему, со временем не меняется, углерод-14 — это совершенно другая история. Его количество медленно сокращаться в полупериоде, составляющем немногим более 5000 лет, а типичное отличие его содержания в годичных кольцах составляет 0,06%.

Однако в 2012 году группа японских ученых анализировала древесные кольца, относящиеся к 774-775 годам, и их ожидало удивительное открытие. Вместо обычных изменений, которые были для них привычными, они обнаружили резкий скачок содержания углерода-14, то есть в 20 раз больше по сравнению с обычным его количеством. После нескольких лет исследований виновник этого явления был обнаружен — это было Солнце. Далее следует научный рассказ о том, как мы об этом узнали.

Очень давно наша Солнечная система образовалась из молекулярного облака, состоявшего из газа. Кроме водорода и гелия, сохранившихся после Большого Взрыва, в этом облаке находился целый ряд тяжелых элементов, составлявших оставшуюся часть периодической таблицы, которые вернулись в межзвездную среду из обломков предыдущих поколений звезд. Среди них выделялся один элемент — углерод, четвертый по степени распространенности элемент во всей вселенной.

Большую часть находящегося на Земле углерода, образовавшегося в результате столь далекого от нас события, составляет углерод-12, который состоит из шести протонов и шести нейтронов в своем ядре. Очень небольшая часть нашего углерода, около 1,1%, существует в виде углерода-13, у которого на один нейтрон больше по сравнению с более распространенным углеродом-12. Но существует и другая форма углерода, которая является не только редкой, но и неустойчивой — это углерод-14 (у него два дополнительных нейтрона по сравнению с углеродом-12), и именно в нем содержится ключ к разгадке.

В отличие от углерода-12 и углерода-13, углерод-14 с его шестью протонами и восемью нейтронами в своем ядре является нестабильным по своей природе. Период полураспада углерода-14 немного превышает 5000 лет, а затем его атомы превращаются в азот-14, испуская при этом один электрон и один антиэлектрон, или нейтрино. Все атомы углерода-14, сформировавшиеся до образования Земли, должны были уже давно разложиться, не оставив следа.

Однако на Земле можно обнаружить углерод-14. Примерно 1 из триллиона атомов углерода имеет восемь нейтронов, и это свидетельствует о том, что существует какой-то способ, позволяющий образовываться на нашей планете этим нестабильным изотопам. В течение долгого времени мы знали, что углерод-14 существует, однако его происхождение оставалось неясным. Однако в 20-м столетии мы, наконец, смогли в этом разобраться: углерод-14 возникает из заряженных высокой энергией космических частиц, которые сталкиваются с нашим миром. Вселенная заполнена такого рода частицами, обладающими высоких энергетическим зарядом. Они известны еще как космические лучи, а их источниками являются Солнце, звезды, мертвые звезды, черные дыры, и даже галактики за пределом Млечного пути. Большинство из них являются простыми протонами, однако некоторые имеют более тяжелое атомные ядра, другие являются электронами, но есть даже небольшое количество позитронов — это состоящие из антиматерии эквиваленты электронов.

Независимо от их состава, первое, с чем сталкиваются космические лучи при приближении к Земле, это ее атмосфера, и в результате возникает целый ряд цепных реакций и взаимодействий. В этот момент происходит образование самых разных новых частиц, в том числе фотонов, электронов, позитронов, нестабильных частиц света (мезонов и мюонов), а также таких более известных частиц как протоны и нейтроны. В частности, нейтроны имеют исключительную важность для образования углерода-14.

Большая часть земной атмосферы — примерно 78% — состоит из газа азота, который сам по себе является двухатомной молекулой, состоящей из двух атомов азота. Каждый раз, когда нейтрон сталкивается с ядром азота, состоящим из 7 протонов и 7 нейтронов, возникает определенная вероятность того, что они могут вступить во взаимодействие с этим яром и заменить один из его протонов. В результате атом азота-14 (с нейтроном) превращается в атом углерода-14 (с протоном).

После того как вы произвели углерод-14, он начинает себя вести, как любой другой атом углерода. Он без труда образует двуокись углерода в нашей атмосфере. А также смешивается с атмосферой и с океанами. Он проникает в растения, его потребляют животные, и он легко прокладывает себе путь в живые организмы, пока не достигнет равновесной концентрации. Когда организм погибает (или когда полностью формируется кольцо в стволе дерева), никакие новые атому углерода-14 в него уже не проникают, после чего все существовавшие атомы углерода-14 начинают медленно, но неуклонно разлагаться.

Когда вы слышите выражение «датирование по углероду» (carbon dating), то вот что под этим подразумевают ученые: они измеряют углерод-14 в соотношении с углеродом-12. Если нам известно соотношение между углеродом-14 и углеродом-12, существовавшее в живом организме (поскольку оно, как правило, отличается по году всего примерно на 0,06%), и мы имеем также соотношение между углеродом-14 и углеродом-12 на сегодняшний день (некоторые его атомы уже разложились из-за его неустойчивой радиоактивной природы), то мы на основании этих данных можем установить, с какого времени этот организм перестал получать дополнительное количество углерода-14.

Насколько можно судить, уровень углерода-14 в мире оставался примерно постоянным в течение нескольких последних тысячелетий. Единственным изменением, по крайней мере на начало 2010-х годов, происходило из-за взрывов ядерных бомб в атмосфере. Тем не менее, в 2012 году весь научный мир испытал шок: два разных кедра, относящиеся приблизительно к 774/775 году, а также их кольца были проанализированы японскими специалистами на предмет содержание углерода-14, и они обнаружили значительный скачок показателей, которые в некоторых случаях оказались в 20 раз больше, чем это можно было бы объяснить естественными колебаниями.

Единственным разумным объяснением можно считать такое — примерно в этом время Земля подверглась интенсивной бомбардировке космических лучей, что и явилось причиной количественного роста показателей углерода-14. Хотя в абсолютных значениях это различие незначительное — всего на 1,2% больше углерода-14, чем обычно — это, тем не менее, это намного больше показателей известного нам обычного колебания.

Более того, подобный всплеск был затем подтвержден еще в трех годичных кольцах в разных частях планеты — от Германии и России до Новой Зеландии и Соединенных Штатов. Обнаруженные в разных странах результаты совпадают, а объяснение этого явления может быть самым разным — от возросшей солнечной активности и космических вспышек до прямого воздействия удаленного гамма-всплеска. Однако к данным относительно углерода-14 со временем были добавлены несколько других исторических и научных наблюдений, и именно это позволило нам разгадать данную загадку.

В давние времена «красный крест был замечен в небе», что было зафиксировано в Англо-саксонской хронике 774 года, и это могло иметь отношение либо к суперновой (никаких следов ее не было обнаружено), либо к полярному сиянию (auroral event). В Китае был в 775 году отмечена аномальная «буря», и это было заметным событием, поскольку ни о каком другом подобного рода явлении никаких упоминаний нет.

Кроме того, к данным годичных колец на стволе дерева были добавлены сведения, полученные на основе изучения ледяных кернов из Антарктики. В то время как кольца на дереве показывают скачок показателей содержания углерода в 774/775 годах, данные ледяного керна свидетельствуют о похожем всплеске показателей радиоактивного бериллия-10 и хлора-36. Исходя из этого, можно предположить наличие связи со значительным энергетическим событием с участием солнечных частиц. Подобного рода явление, вероятно, можно сравнить с известным «событием Кэррингтона» (Carrington event) в 1859 году — речь идет о самом сильном солнечном шторме в недавней истории. а сохранившиеся исторические данные также подтверждают такого рода объяснение.

Кроме того, были обнаружены еще два явления, которые могут показать похожие скачки в этих изотопах: немного меньшее увеличение показателей в 993\994 годы, а также более раннее событие, относящееся примерно к 660 году до Новой эры. Данные всех этих событий указывают на общий источник, который обязательно должен был включать в себя большой поток протонов с определенными энергетическими показателями.

Это соответствует относительно обычным событиям, происходящим на Солнце — речь идет о выбросе солнечных протонов. Однако это не соответствует сценарию с гамма-взрывом, в результате которого не возникают соответствующие потоки протонов, которые могли бы объяснить одновременное образование бериллия-10. Та же японская группа, члены которой первоначально предложили гамма-взрыв в качестве объяснения данных на кольцах дерева, относящихся к 774/775 годам, после изучения своих собственных измерений относительно событий 993/994 годов, пришла к следующему выводу:

«Весьма велика вероятность того, что эти события имели одну причину. С учетом повышения частотного уровня событий с участием углерода-14, можно сказать, что солнечная активность является вероятной причиной этих событий».

Время от времени Солнце, на самом деле, выбрасывает энергетически заряженные частицы прямо в направлении Земли. Иногда магнитное поле нашей планеты отражает их, а иногда направляет эти частицы в нашу атмосферу. Когда они достигают атмосферы Земли, они могут создавать полярное сияние, разрушать локальные магнитные поля, а также — если мы в достаточной степени развиты в технологическом отношении — они могут вызывать разного рода помехи в наших электрических сетях и устройствах, и это может нанести ущерб инфраструктуре на триллионы долларов.

Сегодня мы знаем о существовании самых разных связанных с Солнцем событий, который воздействуют на Землю. Нам также стало известно, что самые масштабные явления происходят чаще, чем один раз в тысячелетие. Мы не можем предсказать, когда случится новое событие такого рода, однако можно быть уверенным в том, что его последствия для человеческого общества будут весьма значительными. В будущем вновь произойдет скачок показателей углерода-14, но, тогда воздействию этого явления подвергнутся многие вещи на нашей планете, а не только годичные кольца и ледяные керны. Все мы коллективно должны решить, каким образом нам следует к этому подготовиться.