Nature Geoscience: 樹輪放射性碳揭示過去千年太陽活動存在11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400年 歷史 ，但是由宇宙射線產生的宇成核素會被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。 14 C是壹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 14 C在大氣中被氧化形成CO 14 2 ，通過光合作用被樹木吸收，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 14 C豐度變化可以恢復古大氣中 14 C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，具有重建年際甚至季節尺度太陽活動變化的潛力（Uusitalo et al., 2018）。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（SILSO WDC, 2019；魏勇，萬衛星，2020），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Miyake曾通過測量年分辨率的樹輪 14 C記錄，發現了公元774-775年、公元992-993年 14 C豐度顯著增加現象，揭示出兩次強宇宙射線事件（Miyake et al., 2012, 2013）。這兩次事件的發生，極有可能與太陽高能粒子事件有關（Mekhaldi et al., 2015；參見前沿報道《公元774-775年的強太陽活動》）。但上述研究僅利用了片段的樹輪 14 C記錄。目前仍然缺乏具有年分辨率且連續千年的樹輪 14 C記錄。
瑞士蘇黎世聯邦理工學院Brehm團隊近期在Nature Geoscience上發表了目前最長的、連續的、具有年分辨率的樹輪 14 C記錄。該樹輪 14 C記錄了過去1000年中 14 C三次快速的增加現象（圖1a），而短時間內大氣 14 C快速增加與太陽高能粒子事件有關。第壹次發生在公元993年，此次太陽高能粒子事件導致 14 C產量在壹年內增加近三倍。第二次 14 C明顯增加發生在公元1052年，並可以通過模型在前人發表 14 C數據集中得到驗證(圖2a)。然而，模型並未檢測到發生在公元1279年的第三次 14 C豐度明顯增加事件，這可能與所選數據集精度等有關（圖2b）。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象中更頻繁。值得註意的是，三次太陽高能粒子事件發生在公元990-1290年之前，最近700年來壹直沒有發生，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。
圖1 公元969-1933年 14 C變化以及太陽調控 (Brehm etal., 2021)
圖2 過去千年發現的兩次新的疑似 14 C豐度增加事件（Brehm et al., 2021）
太陽活動具有11年周期，上述周期導致的 14 C變化會被記錄到樹輪中，但這項研究非常具有挑戰性，因為太陽11年的周期性活動引起的 14 C變化僅為2‰，而 14 C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。Brehm等對 14 C以及太陽黑子記錄開展了帶通濾波分析並計算了峰間距離（peak-to-peak distance），將振幅小於1.2‰的信號設定為噪音（圖3）。結果表明，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。
圖3 帶通濾波 14 C記錄的頻譜分析（Brehm et al., 2021）。b圖中藍色和橙色的叉代表振幅>1.2‰的峰間距離，深藍色直方圖代表振幅>1.2‰周期的周期長度，黑色代表太陽黑子數周期長度分布
為進壹步評估 14 C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 14 C周期和振幅與隨機生成的測試數據進行比較（圖4）。結果發現，當模擬數據選擇振幅為0.8‰、周期為10.4年的正弦信號時，在周期和振幅分布上可與實測記錄達到最佳匹配。因此， 14 C記錄中確實記錄了11年的太陽活動周期，且其平均振幅為0.8‰，這個結果要比前人報道的振幅（2‰）更低壹些。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 14 C記錄發現了新的太陽高能粒子事件，重建了太陽變化的長趨勢和年代際變化，揭示了太陽活動的規律及其導致的 14 C變化。目前，越來越多的研究利用高分辨率樹輪 14 C記錄揭示太陽活動的變化規律。
圖4 振幅和周期分布（Brehmet al., 2021）。橙色代表帶通濾波之後的 14 C記錄，藍色代表包含10.4yr周期信號以及不同振幅的模擬數據
參考文獻
魏勇，萬衛星.古代朝鮮極光年表.北京：科學出版社，2020.
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UusitaloJ, Arppe L, Hackman T, et al. Solar superstorm of AD 774 recorded subannuallyby Arctic tree rings[J]. NatureCommunications, 2018, 9(1): 1-8.