Presentazione:
I dati annuali di 14C negli anelli degli alberi sono un dato eccezionale per scoprire eventi estremi di particelle energetiche solari (SEP) nel passato. Firme di eventi SEP estremi sono state riportate nel 774/775 dC, 992/993 dC e ∼660 aC. In questo studio riportiamo l'evidenza di un altro rapido aumento della concentrazione di 14C negli anelli degli alberi dalla California, dalla Svizzera e dalla Finlandia intorno al 5410 aC. Questi dati sul 14C, mostrano un aumento significativo di ~6 ‰ nel 5411-5410 a.C. La firma della variazione di 14C è molto simile ai tre eventi SEP confermati e indica un flusso estremo a breve termine di radiazione di raggi cosmici nell'atmosfera. Il rapido aumento di 14C aumento negli anelli degli alberi nel 5411/5410 a.C. si è verificato durante un periodo di elevata attività solare e 60 anni dopo una grande escursione di 14C durante il 5481-5471 aC. La somiglianza dei nostri dati di 14C con eventi precedenti suggerisce che l'origine dell'evento del 5410 aC, sia un evento SEP estremo.
1. Introduzione:
Il flusso di raggi cosmici nell'atmosfera terrestre fluttua nel tempo a causa di vari fattori. La modulazione solare e geomagnetica dei raggi cosmici galattici sta dominando questo processo su scale temporali che vanno da pochi giorni a milioni di anni, come la diminuzione di Forbush (una schermatura dei raggi cosmici galattici dovuta a un'espulsione di massa coronale), il ciclo di Schwabe di 11 anni, le variazioni multi-decennale come il Grande Minimo Solare o variazioni millenarie nell'intensità del campo magnetico terrestre. Oltre a questi fattori ricorrenti, anche eventi sporadici e intensi di particelle energetiche solari (SEP) possono contribuire a un'improvviso aumento di raggi cosmici sulla Terra. Un evento SEP su larga scala che raggiunge la Terra è noto come GLE (ground-level enhancements - [Link]), che può essere rilevato come un grande aumento dei tassi di conteggio dei monitor di neutroni a terra. Dal 1942 sono stati registrati 72 GLE. Prima delle osservazioni dirette dei raggi cosmici, le firme degli eventi SEP estremi del passato possono essere registrate dai nuclidi cosmogenici, in particolare,14C negli anelli degli alberi e 10Be e 36Cl nelle carote di ghiaccio polare, tutti prodotti in una cascata di particelle innescata dalle interazioni dei raggi cosmici ad alta energia con i costituenti della bassa atmosfera terrestre. (Mekhaldi et al.; Miyake, Usoskin, & Poluianov).
I possibili eventi di raggi cosmici guidati da SEP riportati finora in più studi sono: 774/775 dC , 992/993 dC e ∼660 aC. Tutti questi eventi sono stati segnalati come rapidi aumenti delle concentrazioni di nuclidi cosmogenici (10Be, 14C e 36Cl) entro un anno. Si stima che l'entità degli eventi SEP che potrebbero causare questi segnali, sia di un ordine di grandezza superiore al più grande GLE ad oggi misurato strumentalmente. È importante determinare la cadenza e l'intensità di eventi di raggi cosmici simili non solo per la ricerca sulla fisica solare ma anche per la previsione delle tempeste spaziali. In precedenti tentativi di ricerca di eventi simili, le origini di altre escursioni di 14C negli anelli degli alberi non sono state chiaramente rilevate ad eccezione dei tre eventi sopra menzionati, anche se Miyake, Masuda, e Wang, hanno riportato un quarto evento SEP che potrebbe essersi verificato nel 3372/3371 aC , utilizzando gli anelli degli alberi di un esemplare sub-fossile di noce cinese sepolto in riva ad un fiume. La datazione incrociata dell'anello e la data di questo evento sono state messe in discussione da altri ricercatori. Il loro studio sulle variazioni di 14C negli anelli similmente datati del pino bristlecone della California e della quercia tedesca non sono state in grado di riprodurre l'evento. Pertanto, la data, se non la presenza, dell'evento del 3372/3371 aC va annotata come finora controversa. Inoltre, sono stati segnalati aumenti rapidi di 14C nel 1528 aC , ~1055 dC e 1279 dC. Tuttavia, gli aumenti di 14C nel 1528 aC e nel 1279 dC furono riportati ciascuno da un solo albero e da un solo luogo. L'aumento di 14C intorno al 1055 dC è stato suggerito come una diversa variazione di 14C ma non da eventi guidati da SEP, ma come un possibile collegamento con la supernova SN 1054. Pertanto, saranno necessarie verifiche dettagliate utilizzando più alberi e più nuclidi per confermare il verificarsi e l'origine di questi nuovi eventi registrati.
2. Materiali e metodi
2.1. Campioni di anelli degli alberi:
Sono stai utilizzati tre esemplari di alberi provenienti da tre località geografiche molto distanti tra loro, per i quali i record annuali di 14C sono stati prodotti e confrontati in modo indipendente. Uno di questi è un esemplare di Pinus longaeva 1971#059 dal sito di Methuselah Walk nelle White Mountains della California, Stati Uniti (37.3794°N, 118.1654°W, 3.094m slm, Figura S1). L'esemplare di legno residuo è stato raccolto nel 1971 e conservato presso l'archivio del Laboratory of Tree-Ring Research (LTRR) dell'Università dell'Arizona. Questo è lo stesso esemplare utilizzato per l'escursione del 5480 aC. Le date del calendario degli anelli di pino bristlecone sono state stabilite con la datazione incrociata delle misure di larghezza degli anelli degli alberi corrispondenti alla serie 1971#059 rispetto alla cronologia principale di Methuselah Walk. La cronologia di Methuselah Walk è una delle migliori registrazioni incrociate di pino bristlecone che originariamente fu costruita nei primi anni '70 e aggiornata due volte negli anni '80 e poi nel 2010. La seconda serie di anelli degli alberi proviene da un esemplare di Pinus sylvestris della Lapponia finlandese (69.26°N, 27.40°E, 199m slm, Figura S1). L'esemplare proviene da un tronco d'albero sub-fossile conservato in condizioni anossiche di sedimenti lacustri e scavato durante la campagna su larga scala per costruire una rete di pini sub-fossili per quella regione. La serie di anelli degli alberi del campione si estende tra il 5562 e il 5331 aC ed è datata in modo incrociato rispetto alla cronologia master super lunga finlandese. L'ultimo esemplare di anello d'albero proviene da un Larix decidua Mill, tronco rinvenuto sul campo anteriore del ghiacciaio Unteraar, Svizzera (46°34′ N, 8°15′ E, 1.930m slm, Figura S1), che era stato sepolto nei sedimenti e questi sono stati almeno temporaneamente coperti dal ghiacciaio. Il registro è stato campionato nel 2013 durante le attività sul campo per la raccolta di materiale sugli anelli degli alberi sulla variabilità dei ghiacciai dell'Olocene. La serie della larghezza dell'anello dell'esemplare risale al periodo 5459-5368 aC , ed è stata incrociata con la cronologia delle conifere delle Alpi orientali come cronologia di riferimento. In questa relazione usiamo l'anno del calendario gregoriano aC, (escluso l'anno zero tra a.C. e d.C.), in tutto il testo per comodità dei lettori. Tuttavia, per i grafici usiamo l'anno astronomico (includendo l'anno zero delineato nell'era volgare dal tempo precedente).
2.2. Pre-trattamenti e misure di 14C:
Ogni anello annuale è stato separato per il periodo 5420–5396 aC (California), 5421–5371 aC (Svizzera) e 5420–5400 aC (Finlandia). Poiché erano già stati presi dati continui di 14C dell'albero della California per il periodo 5420-5412 aC , abbiamo preparato una nuova serie di campioni per il periodo 5411-5396 aC . La concentrazione di 14C nel campione della California è stata misurata utilizzando la spettrometria di massa con acceleratore presso l'ETH di Zurigo e l'Università di Yamagata, e che nel campione finlandese è stato misurato una volta o, in alcuni casi, due volte allo YU-AMS. Il campione svizzero è stato trattato con cellulosa con il metodo BABAB e le concentrazioni di 14C sono state misurate 1–3 volte all'ETH di Zurigo.
3. Risultati e discussioni:
3.1. Importanza dell'evento:
Figura (1a) mostra i dati annuali misurati di 14C per la serie di anelli degli alberi da California, Svizzera e Finlandia. Poiché le età misurate più volte per ciascuna serie di alberi sono in buon accordo, le abbiamo combinate tramite la media ponderata. Si trova nei nostri dati che le medie dei valori Δ14C diventano più elevate con la latitudine. Gli scostamenti sono in media di 1,9±0,8‰ e 3,1±1,0‰ tra le serie di California e Svizzera, e California e Finlandia, rispettivamente (figure S2 e S3 - in fondo al post). Il test AT stima che l'offset tra le serie della California e della Finlandia sia significativo (p=0,002). Buntgen hanno riportato uno scostamento di circa 3‰ e 2‰ osservato tra le zone atmosferiche di radiocarbonio NH0 e NH2, e NH0 e NH1, rispettivamente (NH0, NH1 e NH2 corrispondono alle posizioni geografiche dei nostri campioni finlandesi, svizzeri e californiani), e l'intervallo dei nostri offset presenta una stretta somiglianza con gli offset riportati. Si noti che queste zone al radiocarbonio sono state definite per i dati 14C dopo i periodi del picco della bomba atmosferica (Hua et al.), e la zona NH0 è stata aggiunta per vedere l'effetto della regione ad alta latitudine da (Büntgen et al.). Pertanto, consideriamo l'offset misurato come l'impronta digitale dell'aumento delle concentrazioni di 14 C con la latitudine attraverso l'emisfero. Il nostro studio ha rilevato un aumento annuale significativo delle concentrazioni di 14C dal 5411 al 5410 a.C. nei registri degli anelli degli alberi della California e della Finlandia. L'incremento tra questi due anni è di 9,9‰ nella serie California e di 8,6‰ in quella finlandese, che corrispondono rispettivamente a 3,5 e 3,3 volte l'errore di misura. Sebbene la serie svizzera non mostri un aumento significativo dal 5411 al 5410 aC, si osserva un aumento di ~10‰ dal 5412 al 5409 aC. Questa variazione di Δ14C corrisponde bene alle altre due serie considerando le incertezze di misura. Per ulteriori analisi, abbiamo sottratto gli offset tra le serie di dati in modo che le serie svizzera e finlandese corrispondano al Δ14C della California. Le (Figure 1a e 1b) confrontano tutte e tre le serie di anelli degli alberi. Dopo la sottrazione dell'offset, la dispersione rimanente tra i set di dati è coerente con le incertezze di misurazione e nessun dato rifiutato con una confidenza del 95% da un test chi quadrato. La serie combinata (fig 1c) mostra un aumento del 6,0‰ di Δ14C dal 5411 al 5410 aC, che è statisticamente significativo e 4,2 volte maggiore delle incertezze di misura. Dopo il rapido aumento del 5411/5410 aC, gli alti valori di Δ14C sono mantenuti per 3 anni con il picco che si verifica nel 5408 aC per poi diminuire gradualmente. Di seguito, faremo riferimento a questa firma nella variazione Δ14C come all'evento del 5410 aC.
(a) Confronto dei valori Δ14C tra le serie di pino bristlecone della California, larice svizzero e pino silvestre finlandese. (b) Lo stesso della figura 1a, ma le serie della Svizzera e della Finlandia sono spostate di meno 1,9‰ e 3,1‰ nella direzione dell'asse verticale. (c) Valori Δ14C combinati (medie ponderate) delle tre serie in figura 1b.
3.2. Confronto con altri eventi annuali di raggi cosmici:
L'aumento di 14C durante l'evento del 5410 aC è molto simile alla struttura degli eventi annuali dei raggi cosmici rilevati finora, ovvero un forte aumento di Δ14C in un solo anno seguito da un plateau (Figura 2). Per confrontare la variazione 14C dell'evento del 5410 a.C. con altre escursioni 14C note, abbiamo utilizzato i set di dati ad alta risoluzione dei valori Δ14C di Büntgen per gli eventi 774/775 dC e 992/993 dC, e di Sakurai per l'evento del 660 aC. Poiché i dati di Sakurai sono stati presi con risoluzione intra-stagionale (analisi separata del legno precoce e del legno tardivo), li abbiamo calcolati in media in una serie annuale. Il confronto indica un aumento significativo di Δ14C (> 3 volte maggiore delle incertezze di misurazione) durante gli eventi dei raggi cosmici del 774 dC, 993 dC, 664 aC e 5410 aC Si noti che la linea di base di ciascun evento (zero dell'asse Y in Figura 2) è la media ponderata di quattro punti dati (tranne l'evento del 993 dC con tre punti dati) che precede lo spostamento significativo di Δ14C. Il confronto suggerisce che la magnitudine dell'evento del 5410 aC era inferiore rispetto agli eventi precedentemente riportati . L'aumento massimo di 14C al 5408 aC è molto vicino all'evento del 992/993 dC, sebbene gli errori dell'evento del 5410 aC siano maggiori (Tabella S1 in fondo). La somiglianza delle firme degli eventi implica che un aumento a breve termine del flusso di raggi cosmici si sia verificato nel 5411/5410 a.C. È stato discusso che un SEP estremo potrebbe non essere l'unica causa di questi rapidi aumenti nella produzione di 14C. I fenomeni galattici risultanti dai raggi gamma, come l'esplosione di una supernova e scoppi di raggi gamma, sono possibili spiegazioni. In questa fase in cui sono disponibili solo dati di 14C dagli anelli degli alberi, non possiamo escludere questi altri fenomeni come causa dell'evento del 5410 aC. Notiamo che la potenza del segnale sembra variare aumentando all'aumentare della latitudine, come invece è stato osservato per l'evento del 774/775 dC. Per determinare l'origine specifica, il rapporto di potenziamento di altri nuclidi cosmogenici (14C, 10Be e 36Cl) nelle carote di ghiaccio e il gradiente meridionale dei nuclidi cosmogenici devono essere studiati in futuro.
Confronto degli eventi annuali noti dei raggi cosmici. L'evento 774/775 dC: cerchi aperti (Büntgen et al: media di 26 siti dall'emisfero settentrionale), l'evento 992/993 dC: quadrati aperti (Büntgen et al: media di sette siti dall'emisfero settentrionale), l'evento del ∼660 a.C.: diamanti aperti (Sakurai et al.), e l'evento del 5410 aC: cerchi pieni (questo studio). La linea orizzontale rappresenta il tempo nell'unità di anno, e gli incrementi significativi si verificano nell'anno n°5. Le linee verticali vengono spostate in modo che ogni linea di base abbia una media pari a zero. Le linee di base sono definite come la media ponderata dei dati prima degli incrementi significativi (dati n. 1–4 o n. 2–4).
3.3. Attività solare del sesto millennio aC, precursore del medio-Olocene:
La Figura (S3 - in fondo) mostra i dati di questo studio (Figura 1c) e i dati pubblicati in (Miyake, Jull, et al.) datato al sesto millennio a.C. Durante il periodo 5482-5472 aC, si osserva una grande escursione nelle concentrazioni di 14C, la cui causa non è stata ancora determinata, ma, a causa della somiglianza con altre escursioni, è probabile che sia un grande minimo solare. Dopo la grande escursione, i dati mostrano una graduale diminuzione per circa 60 anni prima che appaia l'evento del 5410 aC qui riportato. Dalla variazione di 14C durante la graduale diminuzione è molto simile alla fine del Minimo di Maunder (il grande minimo solare ben definito e meglio studiato) nel 1640-1720 dC, il periodo di graduale diminuzione potrebbe rappresentare un aumento dell'attività solare, poiché l'attività magnetica solare gradualmente costruisce. Tale caratteristica è comune anche agli eventi del 775 dC e del 660 aC, cioè gli eventi che si sono verificati durante l'aumento dei livelli di attività solare, cioè decenni dopo la fine del Grande Minimo Solare. Sebbene siano necessarie ulteriori verifiche per specificare l'origine dell'evento del 5410 aC, è interessante notare che l'evento del 5410 aC si è verificato durante un periodo di alta attività solare. Durante la graduale fase di decadimento dell'evento, non ci sono cambiamenti rapidi in Δ14C, solo fluttuazioni regolari piuttosto piccole che potrebbero essere causate dal ciclo di Schwabe. Poiché altri studi hanno applicato con successo un filtro passa-banda per rilevare il ciclo di Schwabe nei record dell'anello 14C (ad esempio, Güttler et al. ; Scifo et al. ; Vasil'ev et al.), abbiamo utilizzato un approccio simile (analisi passa-banda da 6 a 25 anni) per il periodo dal 5491 a.C. al 5371 a.C. utilizzando i dati di (Miyake, Jull, et al.) e questo studio (Figura 3a). Innanzitutto, per sottrarre l'effetto dell'evento del 5410 a.C., abbiamo adattato i dati Δ 14 C dal 5414 al 5396 a.C. utilizzando un modello del ciclo del carbonio a 22 scatole (Büntgen et al.) assumendo una produzione pulsata di 14 C con 4,6 × 10 26 atomi si sono verificati nel 5410 aC.(Figura S4 - in fondo). La figura 3a mostra un set di dati sottratto. Abbiamo applicato analisi passa-banda di 6-25 anni per 1.000 serie di dati generati utilizzando i dati 14 C e i relativi errori della figura 3a (Figura 3b) per rilevare ogni possibile ciclicità intorno agli 11 anni nel nostro set di dati. Figura 3c mostra gli errori stimati della figura 3b, ovvero le deviazioni standard di 1.000 serie di dati generate casualmente. Il risultato mostra una variazione periodica attorno alla lunghezza del ciclo di Schwabe per l'intero periodo, che è fortemente influenzata dalle incertezze di misura per i singoli anelli degli alberi di circa 2‰. (Brem et al.) hanno osservato che il rumore di misurazione porta principalmente a una sovrastima delle ampiezze dopo il filtraggio passa-banda. Abbiamo quindi generato 5.000 set di dati casuali sintetici attorno a un'onda sinusoidale di una certa ampiezza e lunghezza del ciclo con la stessa risoluzione di campionamento basata sulle incertezze delle serie di misurazioni per stimare la loro influenza sull'ampiezza e sulla lunghezza del ciclo. Allo stesso modo, i set di dati casuali prodotti per diverse lunghezze e ampiezze del ciclo sono stati filtrati passa-banda di 6-25 anni prima che gli istogrammi delle ampiezze di picco e delle distanze picco-picco fossero generati e confrontati con quelli ottenuti per il set di dati misurati. Il confronto è mostrato in una mappa di probabilità nella (Figura S6 - in fondo al post). Una variazione periodica di 11 anni con la modulazione di ampiezza di 0,7–1,6‰ (intervallo 1-sigma) spiega bene il set di dati, coerente nell'errore con le ricostruzioni per l'ultimo millennio (Brehm et al.) ma è significativamente inferiore al Aumento del 6‰ osservato per l'evento del 5410 aC Si prevede che il ciclo di Schwabe manifestato nei dati Δ14C ritarderà il ciclo solare effettivo di 2-3 anni a causa delle grandi riserve di carbonio scambiate nel ciclo del carbonio (ad esempio, Siegenthaler et al.). Ad esempio, è stato osservato un ritardo di 3±1 anni nella recente verifica delle fluttuazioni delle macchie solari intorno al 1860 utilizzando i dati degli anelli degli alberi di 14C (Scifo et al.). L'evento del 5410 aC si è verificato durante un massimo solare che, considerando questo intervallo di 3 anni, è analogamente coerente con i risultati degli eventi SEP del 774/775 dC e del 992/993 dC (Scifo et al.). Sono necessari ulteriori dati sugli isotopi cosmogenici per confermare la causa dell'evento del 5410 aC, tuttavia, la sua associazione con l'aumento dell'attività solare indica che un evento SEP estremo è una spiegazione plausibile della sua origine.
(a) Il set di dati Δ14C dopo l'evento del 5410 aC è stato sottratto da una simulazione del modello a scatola (vedi testo). (b) serie filtrate passa-banda di 1.000 serie di dati generati con larghezza di banda di 6-25 anni dei dati Δ14C in figura 3a dal 5491 al 5371 aC. La linea rossa indica il 5410 aC. (c) Errori stimati calcolati dalla deviazione standard di 1.000 serie di dati generate casualmente.
4. Conclusioni:
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