Sluneční aktivita v minulých 1000 letech

Jak se vyvíjela sluneční aktivita v minulých stoletích? Vědě se pomocí radioaktivního uhlíku podařilo rozklíčovat vliv Slunce v posledním tisíciletí. (délka blogu ca. 8 min.) 

Při pohledu na nebe by se mohlo zdát, že je Slunce stabilní a moc se nemění. Dojem vzniká proto, že ho sledujeme vždy jen chvilku. Ve skutečnosti Slunce prochází  v průběhu roků, desetiletí nebo i staletí pravidelně se opakujícími obdobími vyšší a nižší aktivity.

Nejspíš nejznámější je jeho zhruba jedenáctiletý cyklus, který poprvé popsal Christian Horrebow již koncem 18. století. Každých jedenáct roků dosahuje aktivita Slunce maxima, aby poté na několik let poněkud opadla. Během tohoto cyklu se zároveň mění počet slunečních skvrn, které se dají pozorovat  na slunečním kotouči. 

Sluneční skvrny jsou tmavé oblasti na viditelném slunečním povrchu. Jsou chladnější než okolí a proto vyzařují méně viditelného světla než zbytek povrchu Slunce. Vyzařují pouze asi 30% normálního slunečního světla. Na rozdíl od optického dojmu v dalekohledu tedy ve skutečnosti nejsou černé, ale jen méně zářivé než jejich okolí. Také jejich teplota se od teploty okolí liší. Sluneční skvrny jsou o cca 1500 °C chladnější než okolní hmota. 

Situace je tedy jednoduchá. Stačí se podívat, kolik slunečních skvrn je aktuálně vidět na povrchu Slunce - a víme, nakolik je naše mateřská hvězda právě aktivní. 

Horší už je to s odhadem aktivity v minulosti. Lidská pozorování jsou možná jen pomocí dalekohledu - lidské oko běžné skvrny na Slunci nezaregistruje. Logicky tedy máme k dispozici pozorování jen od doby, kdy byl vynalezen dalekohled, tedy zhruba od počátku 17. století. 

Vědci nyní použili malý trik - a s jeho pomocí se jim podařilo zjistit, jaká byla sluneční aktivita před více než 1000 roky. A to opravdu přesně. Použili přitom … metodu, které se říká radiokarbonové datování, a archivy historického dřeva v Anglii a ve Švýcarsku. 

Historické dřevo

Dřevo, které vyrostlo a bylo pokáceno v nám známém období, se dá datovat pomocí letokruhů. Protože stromy tvoří jen jednu novou vrstvu kůry ročně, odpovídá jeden kroužek právě jednomu roku. Stačí je jen spočítat a víme, jak byl strom starý. A nejen to. Analýzou stopových prvků se dá zjistit, v jakých podmínkách vyrostl. 

Vědci začali systematicky zkoumat staré dřevo, u kterého bylo známo přesné stáří. Existuje hned několik archivů, ve kterých se takové vzorky shromažďují. Všechny roční vrstvy otestovali na přítomnost jednoho určitého izotopu uhlíku. 

Naměřili tak data, která odpovídají každému roku až do doby před více než tisíci lety (přesněji pro roky 969 - 1933).

Radioaktivní uhlík

Jelikož je uhlík základním stavebním kamenem organických sloučenin - a tedy i dřeva - je ho ve vzorcích opravdu hodně. 

Při dnešních schopnostech analytické chemie není problém zjistit přesné množství jeho radioaktivního izotopu C-14, kterého je sice ve vzorku principiálně velice málo, ale přeci jen dost na to, aby ho zachytily dnešní citlivé vědecké přístroje. 

C-14 vzniká v horních vrstvách atmosféry díky působení kosmického záření a sluneční aktivity. Kosmické záření se stará o neustálou výrobu izotopu C-14. Sluneční vítr naopak před kosmickým zářením chrání, protože ho svým způsobem ze sluneční soustavy “vytlačuje”. Množství zmíněného izotopu pak snižuje. 

Výsledkem je lehké kolísání v množství radioaktivních atomů uhlíku, které se od běžného uhlíku liší dvěma “zbytečnými” neutrony v jádře. Takové jádro je nestabilní a mění se díky reakci, které se říká beta-rozpad. Při ní z jednoho neutronu v nestabilním jádře vznikne proton a vyzáří se elektron. Následně už má jádro protonů sedm a chemicky tedy odpovídá dusíku. Sedmi protonům už nevadí, že jim dělá v jádře společnost sedm neutronů - takové jádro je pak stabilní. Poločas přeměny na dusík (poločas rozpadu, tedy doba, za kterou se promění polovina vzorku) odpovídá zhruba 5700 rokům. 

Živé dřevo do své struktury neustále zabudovává další a další uhlík - tedy i nepatrné množství radioaktivního uhlíku, vzniklého v dané době v atmosféře naší planety. 

Když strom naši předkové pokáceli, přestalo dřevo absorbovat radioaktivní uhlík - a jeho množství se ve vzorku začalo automaticky snižovat díky nevyhnutelnému rozpadu nestabilních jader uhlíku na stabilní dusík. 

Díky tomu se dá také poměrně přesně vypočítat, jak jsou určité organické předměty staré. Dokud je ve vzorcích, obsahujících kdysi žijící organickou hmotu dostatek radioaktivního izotopu, který je ještě možné zachytit citlivými vědeckými přístroji, dá se určit, kdy tato hmota žila a tedy kolik roků zhruba uběhlo od pokácení stromu nebo úhynu živočicha. 

Při takovém datování mohou samozřejmě vznikat nepřesnosti. Může za ně kolísající množství nově vznikajícího radioaktivního uhlíku ve vrchní atmosféře naší planety. 

Zatímco ale kolísání koncentrace C-14 radiokarbonové datování historických objektů ztěžuje, využili ho vědci, kteří se zabývali sluneční aktivitou. 

Změny aktivity Slunce s sebou přinášejí změny v koncentracích radioaktivního izotopu uhlíku ve vzorcích dřeva. Vědci tedy porovnali jeho množství v různých letokruzích těch archivních dřevěných vzorků, u kterých znali jeho přesné stáří. 

Vznikl tak velice zajímavý graf - viz následující link (obrázek nejspíše nemá povolení ke zveřejnění na cizí webové stránce, proto ho uvádím v této formě):

https://www.astronews.com/news/artikel/2021/01/2101-016a.shtml

Pravidelný jedenáctiletý cyklus

Ukázalo se, že se ve vzorcích mimo jiné “uložil do paměti dřeva” nám už dobře známý jedenáctiletý sluneční cyklus, při kterém kolísá hodnota sluneční aktivity. 

Navíc je ve dřevě uložená informace o dlouhodobějším kolísání aktivity naší hvězdy. Jsou tu období, kdy je celkově aktivnější. Taková období pak střídají klidnější doby. V nich je amplituda aktivity Slunce (tedy rozdíl mezi nejnižší a největší kolísavou hodnotou) menší.  

Vědcům se podařilo potvrdit silné sluneční erupce v roce 993. Musela se při nich uvolnit větší množství protonů, které pak způsobily skokový nárůst množství radioaktivního uhlíku ve svrchní atmosféře naší planety a následně také ve vzorcích dřeva, které vyrostlo v oné době. 

A nejen to. Podobné sluneční erupce vyvolaly silný sluneční vítr také v rocích 1052 a 1279, jak ukázaly výsledky experimentu. Intenzivní vliv naší centrální hvězdy na atmosféru Země je tedy, jak se zdá, častější než jsme předpokládali. Mimo této konkrétní studie se potvrdila také silná sluneční aktivita v roce 775. 

Vědci se nyní chystají prověřit další archivy historického dřeva. Nejsou už sice úplné, takže nezachycují každý rok, zato se tak dají vysledovat vlivy aktivity Slunce staré až zhruba 14000 roků. 

Znamenalo by to, že se dozvíme, jak se měnila aktivita naší centrální hvězdy od minulé doby ledové. To by mohlo přinést zajímavé poznatky ohledně změny klimatu a kolísání teploty na naší planetě. Ta totiž logicky závisí právě na ... záření Slunce. 

Zdroj: Brehm N, Bayliss A, Christl M et al. Eleven-?year solar cycles over the last millennium revealed by radiocarbon in tree rings. Nat. Geosci. 14, 10–15 (2021)