自然地球科学:树木年轮中的放射性碳揭示了在过去的千年中存在11年的太阳活动周期。
太阳是地球的重要能源。虽然人类对太阳活动(太阳黑子)的观测只有400年的历史，但宇宙射线产生的宇宙成因核素会被记录在树木年轮或冰芯中，可以作为追溯几千年前太阳活动变化的重要线索。14 C是碳的放射性同位素，是宇宙射线轰击高层大气中的氮形成的。这些14 C在大气中被氧化形成CO 14 2，通过光合作用被树木吸收并记录在当年形成的年轮中，不再与外界交换。因此，树木年轮中14 C的丰度变化可以还原古代大气中14 C的变化，进而记录宇宙线强度和太阳活动。树轮具有定年准确、分辨率高、连续性好的特点，具有重建年际甚至季节太阳活动变化的潜力(Uusitalo et al .，2018)。此外，高分辨率的历史文献，如太阳黑子活动史和古代朝鲜极光年表(SILSO WDC，2019；；、万等，2020)，具有定年准确、时间分辨率高的特点，也可用于研究太阳活动。
日本学者三宅曾经通过测量树轮的年分辨率，发现了公元774-775年和公元992-993年14 C丰度的显著增加，揭示了两次强宇宙线事件(三宅等人，2012，2013)。这两个事件的发生极有可能与太阳高能粒子事件有关(Mekhaldi et al .，2015；见前沿报告《公元774-775年太阳活动强烈》)。然而，上述研究仅使用了片段的树轮14 C记录。目前仍缺乏具有年分辨率和连续千年的树轮14 C的记录。
瑞士苏黎世联邦理工学院的Brehm团队最近在《自然地球科学》上发表了最长的、连续的、年度分辨率的树轮14 C记录。树轮14 C记录了1000年来14 C的三次快速上升(图1a)，大气中14 C的短时间快速上升与太阳高能粒子事件有关。第一次发生在公元993年。这次太阳高能粒子事件导致14 C的产量在一年内增长了近3倍。14 C的第二次显著上升发生在公元1052年，在之前公布的14 C的数据集中可以通过模型得到验证(图2a)。然而，该模型并没有检测到发生在公元1279年的14 C丰度的第三次显著增加，这可能与所选数据集的准确性有关(图2b)。即便如此，这两个疑似事件的发现也表明，太阳高能粒子事件可能远比我们想象的更加频繁。值得注意的是，3次太阳高能粒子事件发生在990-1290之前，最近700年没有发生过，1052和1279的事件都发生在太阳活动极小期。
图1 969-1933年14 C的变化与太阳调节(Brehm etal ., 2021).
图2过去千年发现的两个新的疑似14 C丰度增加事件(Brehm et al .，2021)。
太阳活动有11年的周期，上述周期引起的14°C的变化会记录在树轮中，但这项研究很有挑战性，因为太阳周期性活动引起的114°C的变化只有2‰，14°C的平均分析误差为60 ‰。Brehm等人对14 C和黑子记录进行带通滤波分析并计算峰间距离，将振幅小于1.2‰的信号设为噪声(图3)。结果表明，振幅小的周期可能是由噪声引起的。这些噪音导致极小期太阳活动的幅度变小，周期变短。这意味着未来观测周期最小或振幅较小的太阳活动时，要考虑噪声可能带来的影响。
图3带通滤波14 C记录的频谱分析(Brehm等人，2021)。图B中的蓝色和橙色十字表示振幅>；峰间距离1.2‰，深蓝色直方图表示振幅>；1.2‰周期长度，黑色代表黑子数周期长度的分布。
为了进一步评估14 C记录中噪声引起的周期和幅度的变化，笔者将带通滤波后的14 C的周期和幅度与随机产生的测试数据进行了对比(图4)。结果表明，当选取振幅为0.8‰、周期为10.4年的正弦信号作为模拟数据时，其周期和振幅的分布与实测记录最匹配。因此，11年的太阳周期被记录在14 C记录中，其平均振幅为0.8‰，低于此前报道的振幅(2‰)。这个振幅不是恒定的，而是取决于太阳活动的强度。在太阳活动最小期，振幅为0.6‰，在太阳活动最大期，振幅约为0.9‰。
这项研究的意义在于利用高分辨率树轮14 C记录发现新的太阳高能粒子事件，重建太阳变化的长期趋势和年代际变化，揭示太阳活动规律及其引起的14 C变化。目前，越来越多的研究利用高分辨率的树轮14 C记录揭示太阳活动的变化规律。
图4振幅和周期分布(Brehmet等人，2021)。橙色代表带通滤波后的14 C记录，蓝色代表10.4yr周期信号和不同振幅的模拟数据。
参考
，万人。古代朝鲜极光年表。北京:科学出版社，2020。
王晓明，等.利用放射性碳同位素地球环研究过去一千年的太阳活动[J].北京:科学出版社，2002 .自然地球科学，2021: 1-6。
Mekhaldi F，Muscheler R，Adolphi F，etal .AD 774/5和993/4宇宙线事件太阳起源的多辐射证据[J].自然通讯，2015，6(1): 1-8。
[10]宫家福，增田K，中村t .树木年轮碳-14含量的另一个快速事件[J].自然通讯，2013，4(1): 1-6。
等.公元774-775年日本树木年轮的宇宙线增长特征[J].自然，2012，486(7402): 240-242。
等.用北极树轮记录公元774年的太阳超级风暴[J].自然通讯，2018，9(1): 1-8。