Как солнечные вспышки тысячелетней давности помогли совместить дендрохронологические шкалы
Международный научный консорциум COSMIC, в состав которого входят дендрохронологи из Екатеринбурга и Красноярска, опубликовал в журнале Nature Communications результаты масштабного исследования, показавшего, что два больших скачка содержания радиоуглерода в атмосфере Земли, в 774 и 993 годах нашей эры, носят глобальный характер и зафиксированы в годичных кольцах росших тогда деревьев по всему миру. Подробнее об этом исследовании, которое позволило совместить древесно-кольцевые хронологии в глобальном масштабе, читателям N + 1 рассказал один из соавторов — Рашит Хантемиров, ведущий научный сотрудник лаборатории дендрохронологии Института экологии растений и животных УрО РАН.
Немного предыстории. Шесть лет назад появилась новая область исследований — анализ быстрых (в течение года-двух) подъемов содержания радиоактивного изотопа углерода (14C, углерод-14) в атмосфере Земли.
Начало положила статья в журнале Nature, опубликованная 14 июня 2012 года под авторством четырех практически никому не известных сотрудников университета Нагои в Японии. При этом первым автором была уж точно никому не известная Фуса Мияке (Fusa Miyake), в то время аспирантка третьего года обучения. Они анализировали методом ускорительной масс-спектрометрии (AMS) активность углерода-14 в древесных кольцах японского кедра, — в каждом из колец, образовавшихся в период с 750 по 820 год, — и обнаружили резкий скачок активности радиоуглерода в кольцах, которые образовались в 775 году нашей эры. Этот рост был настолько высоким, что авторы заявили о невозможности объяснения такого скачка концентрации радиоактивного углерода в атмосфере ни крупной солнечной вспышкой, ни появлением сверхновой.
Эта статья вызвала большой резонанс в среде исследователей разных направлений. Астрофизики стали выдвигать версии о причинах такого скачка, геофизики взялись пересчитывать мощность воздействия, которое привело к такому росту радиоактивности, дендрохронологи пытались воспроизвести эти результаты с помощью анализа годичных колец деревьев из других регионов, историки — искать сведения и необычном явлении в летописях, гляциологи — искать следы события в ледовых колонках из Гренландии и Антарктиды и так далее.
Очень быстро, в течение нескольких месяцев, дендрохронологи убедились, что данные воспроизводятся. Такой же скачок в тот же год был обнаружен (раз, два) в годичных кольцах дуба из Германии, лиственницы с Ямала (работа была выполнена на нашем материале), сосны из Калифорнии и, позже, у деревьев из нескольких других регионов.
Физики показали, что скачок такой интенсивности все-таки может быть объяснен солнечной вспышкой. Вероятно, это была самая сильная вспышка на Солнце за последние тысячи лет. Версии о вспышке сверхновой или падении на Землю кометы были отвергнуты.
Солнце и след в кольцах деревьев
Радиоактивный углерод получается из азота. Когда нейтрон сталкивается с атомом азота, он замещает в нем протон, и атом азота превращается в атом неустойчивого изотопа углерода, который радиоактивен.
Как известно, нейтроны могут достаточно долго существовать только в ядре атома, в свободном состоянии их период полураспада около 15 минут. Поэтому если в атмосфере Земли массово появляется радиоактивный углерод, то это означает, что откуда-то «массово» пришли нейтроны, которые родились не более 15 минут назад. Единственный ядерный котел, расположенный рядом с нами, — это Солнце.
Нейтроны постоянно рождаются в термоядерных реакциях в ядре Солнца, но оттуда они выйти не могут. Но во время вспышек температура достигает сотен миллионов градусов, и в атмосфере Солнца тоже начинают происходить термоядерные реакции и рождаются нейтроны, которые затем разлетаются во все стороны, в том числе достигают Земли.
Никакого другого источника нейтронов, кроме солнечной вспышки, придумать не получается, это единственное разумное объяснение. Других источников рядом с нами нет.
Какой была эта вспышка, говорить сложно, — никаких подобных событий в истории не зафиксировано. Мы систематически наблюдаем за солнечной активностью всего 300 лет, и оно в этот период вело себя относительно спокойно. Но мы, конечно, не знаем всех его возможностей. Не исключено, что оно способно на вспышки значительно большей силы. Самая мощная вспышка в истории — так называемое событие Каррингтона — произошла еще до появления надежных средств измерения. Но она никаких следов в кольцах деревьев не оставила.
Сергей Богачев
ФИАН
Гляциологи, проведя анализ аномалий в содержании изотопов бериллия-10 (10Be) и хлора-36 (36Cl), которые, как и углерод-14, являются космогенными, подтвердили реальность события. Бериллий-10 образуется в результате взаимодействия частиц, образованных при воздействии космических лучей на верхние слои атмосферы, с азотом, а также с кислородом. Если углерод-14 остается в атмосфере в составе молекул углекислого газа, то бериллий-10 выпадает вместе с осадками. Хлор-36 образуется аналогично — из атомов аргона. Благодаря этим открытиям гляциологи смогли внести поправки в датировки ледовых колонок.
Вскоре, в 2013 году, вышла еще одна статья Фуса Мияке (все еще аспирантки) с двумя соавторами с сообщением об обнаружении аналогичного, но чуть меньшего, скачка радиоуглерода в 994 году новой эры. Позднее были обнаружены еще несколько подобных событий в более далеком прошлом. Их открыли группы исследователей из США и Китая. Тем не менее, все они теперь называются «Miyake events» — события Мияке.
В только что опубликованной статье проведен анализ событий 775 и 994 года в глобальном масштабе. Из разных точек земного шара, почти из всех мест, где вообще построены древесно-кольцевые хронологии длительностью не менее 1100 лет, были предоставлены для радиоуглеродного анализа годичные кольца деревьев, датированных дендрохронологическим методом.
Что нового позволил выявить такой масштабный эксперимент?
1) Впервые в глобальном масштабе показана надежность древесно-кольцевых датировок.
Дендрохронологическая датировка использует примерно тот же принцип, который применяется в дактилоскопии. Изменчивость годичных колец тоже образует неповторимый узор, но по нему идентифицируют не отдельное дерево, а время, когда оно росло. Каждый достаточно продолжительный период времени в каждом дереве в конкретном месте произрастания «отпечатывается» вполне определенным узором колец разной ширины. Следовательно, если время жизни погибшего дерева частично совпадало со временем жизни живого, то наложив узор годичных колец одного дерева на узор другого можно найти место (то есть время) их полного совпадения и определить точные годы образования колец у погибшего дерева. Тем самым мы получим узор за более длительный период и затем его можно использовать для определения времени жизни еще более древних остатков деревьев. Процесс поиска мест совпадения узоров годичных колец разных деревьев называется перекрестным датированием.
Однако дело в том, что дендрохронологическая датировка, в отличие от большинства других естественнонаучных методов датирования, имеет субъективную составляющую. Нет определенных пороговых значений статистических показателей сходства двух древесно-кольцевых рядов, при которых можно точно сказать, что ряды перекрестно датируются. Окончательное решение принимает человек. Поэтому достоверность датировки в некоторой степени зависит от опыта исследователя.
Это всегда вызывало определенный скепсис у некоторых представителей наук о прошлом, например у геологов. В нашей работе показано, что 40 хронологий по разным видам деревьев (всего было 27 видов), построенных разными авторами для совершенно разных районов Земли, не датируемых между собой, так как прирост деревьев зависит от региональных особенностей климата и биологических особенностей древесного вида, воспроизводят общий для планеты сигнал внеземного происхождения совершенно синхронно.
2) Датировка двух событий Мияке была выполнена с точностью до одного-двух месяцев. Как это стало возможно? Разные виды деревьев в разных районах Земли имеют отличия в сроках вегетации. Например, лето в Южном полушарии соответствует периоду покоя у деревьев Северного полушария. Но основе таких особенностей рассчитано, что первое из событий произошло в июле 774 года, а второе — в апреле 993 года.
3) На мой взгляд, наиболее интересный результат — зафиксированное снижение содержания радиоуглерода в Северном полушарии в кольцах деревьев в периоды событий Мияке от полюса к экватору. Но однозначного объяснения для этого феномена пока нет.
Если говорить в целом об исследованиях событий Мияке, то самые многообещающие перспективы открываются для наук о прошлом, которые используют радиоуглеродные датировки, то есть для археологии, палеогеографии, палеоэкологии, палеоклиматологии, геологии. Точность радиоуглеродного метода обычно составляет плюс-минус сотни лет. Даже при использовании самых прогрессивных методик неопределенность составляет несколько десятков лет. А теперь появляется возможность датирования радиоуглеродным методом с точностью до года!
И такая возможность уже реализована в нескольких работах. Например, с помощью события 774 года была определена точная дата извержения вулкана Чанбайшань (Changbaishan)на границе нынешних КНР и КНДР. По радиоуглеродным датировкам древесины 264-летней лиственницы, погибшей при извержении вулкана, было известно, что это событие произошло в X веке. Оставался вопрос о том, было ли это извержение причиной гибели государства Бохай в 926 году. Некоторые историки склонялись именно к этой версии.
Но даже использование гибрида радиоуглеродного и дендрохронологического датирования — метода wiggle matching — не дало определенного ответа, так как была получена дата в интервале 920-950 годы. После открытия событий Мияке была предпринята еще одна попытка — выполнен радиоуглеродный анализ отдельных центральных колец лиственницы, которые образовались в VIII веке. В результате исследователи обнаружили всплеск радиоуглерода в одном из колец, который был очевидным проявлением события Мияке. С помощью этой метки были точно определены даты образования всех колец и дата гибели дерева — осень 946 года.
Мне трудно судить о том, насколько важны данные о датах и мощности всплесков активности радиоуглерода в атмосфере Земли для гео- и гелиофизиков. Но судя по валу работ в этих областях, посвященных анализу событий Мияке, они представляют для них большой интерес. Думаю, что выявленные в нашей работе особенности пространственного распределения радиоуглерода тоже будут им интересны.
Консорциум COSMIC состоит в основном из дендрохронологов с вкраплениями археологов, химиков и физиков. Первый вариант статьи готовился координатором проекта Ульфом Бюнтгеном при участии еще шести основных авторов. Затем черновик был разослан всем соавторам. Некоторые из них внесли существенные поправки в суть статьи, предлагали свою интерпретацию результатов. В том числе и я пытался вносить изменения разной степени значимости. Что-то было принято, часть изменений не прошла. Не только из-за разногласий в понимании результатов. Были и идеологические разногласия (не политические, конечно) в понимании того, что такое дендрохронологическая датировка. Здесь, к сожалению, победила группировка авторов с «толерантными» взглядами, хотя координатор вроде бы поддерживал мою точку зрения.
Конечно нужно признать, что в первую очередь мы — поставщики материала. Но этот материал не просто кусок древесины, а отдельные древесные кольца с точными календарными датами, за надежность которых мы несем ответственность.
Возможно, было бы лучше самим проводить анализы, реализовывать свои идеи. Но отсутствие ресурсов, в данном случае доступа к установкам по анализу радиоуглерода методом ускорительной масс-спектрометрии, лишает нас этой возможности.
Откуда берутся образцы
В России пока не обнаружены живые деревья возрастом более 1000 лет. Мы используем древесину давно погибших деревьев. Остатки деревьев могут сохраняться на поверхности многие сотни лет — например, на Полярном Урале.
Наша группа работает на полуострове Ямал. Там стволы древних лиственниц и елей сохраняются в речных отложениях. Собственный возраст (количество колец) тамошних деревьев не особенно большой, максимум 500 лет. Но с помощью дендрохронологической датировки на основе множества таких относительно коротких древесно-кольцевых рядов мы построили непрерывную хронологию длительностью более 7000 лет.
Это самая длительная древесно-кольцевая хронология в России — мы можем определить точную дату (год) образования каждого кольца у деревьев, росших на Ямале в последние 7000 лет.
Нам доступен «классический» метод радиоуглеродного датирования — сцинтилляционный, основанный на измерении радиоактивности образца (числа импульсов). Он относительно недорог (около 2-5 тысячи рублей за образец), но для него требуется большой вес образца, порядка сотни и более граммов. Отдельные годичные кольца таким методом не проанализируешь. Кроме того, и точность определения углерода-14 таким методом не очень высока.
Современный метод ускорительной масс-спектрометрии основан на анализе массы атомов (изотопов углерода). Для него требуются намного меньшие количества образца, десятки миллиграмм, и он намного более точен. Однако он и на порядок дороже сцинтилляционного — от 650 долларов за одно определение.
Так что работа в консорциумах позволяет намного более полно использовать возможности нашего материала, который в ином случае был бы потерян для науки.
Литература