26.01.2017

По годичным кольцам окаменевшего леса прочитана древнейшая летопись солнечной активности

Анализ древесины раннепермского ископаемого леса, найденного в немецком городе Хемниц, выявил впечатляющее постоянство в характере солнечной активности. Выяснилось, что 290 млн лет назад, как и сейчас, на Солнце наблюдались 11-летние циклы, связанные с динамикой его магнитного поля. Благодаря влиянию на климат Земли эти циклы отразились на толщине годичных колец деревьев той далекой эпохи.

Существует немало гипотез, которые связывают климатическую историю нашей планеты с изменениями в характере солнечной активности. Поэтому особенно важно знать, насколько стабильным или, наоборот, переменчивым было поведение Солнца в минувшие века. До сих пор подобные исследования проводились в основном на довольно коротком отрезке времени, который исчисляется последними несколькими тысячами лет.

О циклах активности Солнца можно судить, например, по концентрации в стволах вековых деревьев изотопа радиоактивного углерода-14, который образуется в атмосфере под действием вспышек солнечной радиации и космических лучей (S. Vasiliev, V. Dergachev, 2001. The 2400-year cycle in atmospheric radiocarbon concentration: bispectrum of 14C data over the last 8000 years). Другой космогенный изотоп, бериллий-10 (см. Изотопы бериллия), накапливается во льдах Антарктики и Гренландии - поэтому ледяные керны также могут использоваться в качестве архива, где записаны основные события из жизни нашего светила (F. Steinhilber et al., 2012. 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings).

Сотрудники Фрайбергской горной академии (Германия) открыли куда более древнюю летопись солнечной активности, запечатленную в древесине ископаемого леса пермского периода. Остатки этого леса залегают прямо под саксонским городом Хемниц. Лес представляет собой уникальный пример палеозойской экосистемы, застывшей во времени: подобно античному Геркулануму, он был погребен пирокластическим потоком при извержении вулкана, которое случилось примерно 290 млн лет назад (см. нашу картинку дня Окаменевший лес в Хемнице).

Лес, произраставший на месте современного Хемница, состоял из древовидных папоротников Psaroniaceae, древовидных хвощей каламитов, семенных папоротников Medullosales и хвойных кордаитов (Cordaitales). Для тогдашнего климата было характерно чередование влажных и засушливых сезонов, что приводило к возникновению годичных колец в древесине - именно по вариациям в их толщине исследователи и смогли реконструировать солнечные циклы того времени.

Всего авторы статьи изучили поперечные срезы 43 наиболее сохранившихся стволов, относящихся ко всем выше перечисленным группам древесных растений. В совокупности было проанализировано 1917 годичных колец (древесина самого старого из изученных деревьев в момент его гибели насчитывала 77 колец). Поскольку многие деревья были погребены заживо, прямо в вертикальном положении, они были современниками, что позволило соотнести их годичные кольца друг с другом. В результате была создана единая дендрохронологическая шкала, охватывающая последние 79 лет существования леса.

Циклы утолщения и истончения годичных колец совпали друг с другом в 30 изученных стволах. За 79 лет, предшествовавших извержению вулкана, в древесине пермского леса возникло шесть таких циклических последовательностей, длившихся 9-11 лет. Средняя продолжительность цикла составляет 10,62 года, что очень хорошо соответствует 11-летнему циклу Солнца (в наши дни его средняя продолжительность равна 11,12 годам, но за время систематических наблюдений она варьировала от 9 до 13,7 лет).

11-летние циклы солнечной активности (циклы Швабе) регистрируются начиная с XVII века, когда были изобретены телескопы, позволяющие разглядеть пятна на Солнце. В начале цикла пятен на Солнце очень мало, затем их количество нарастает и потом вновь идет на спад. Пятна - темные участки на поверхности Солнца с пониженной температурой - образуются в тех местах, где его магнитное поле подавляет активность фотосферы. Раз в 11 лет северный и южный полюса магнитного поля Солнца меняются местами - по одной из версий, процесс этой реверсии и стоит за циклическими колебаниями числа солнечных пятен.

Известно, что амплитуда 11-летних солнечных циклов может сильно варьировать. Например, в 1645–1715 годах наблюдался так называемый минимум Маундера (обнаруженный при изучении архивов наблюдения Солнца). В это время даже в пиковый период 11-летнего цикла пятен на Солнце возникало на несколько порядков меньше, чем в предыдущие и последующие столетия. Недавно российские ученые вычислили, что такие спады случаются раз в 350–400 лет, и мы сейчас как раз приближаемся к одному из них (V. Zharkova et al., 2015. Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium timescale). Закономерности поведения Солнца в более долгосрочной перспективе известны куда хуже, поэтому существование 11-летних солнечных циклов в далеком прошлом представляется отнюдь не столь очевидным, как это может показаться на первый взгляд.

И всё же древесина пермского Хемница свидетельствует, что в ранней перми такие циклы имели место и, следовательно, магнитное поле Солнца вело себя примерно так же, как сейчас. Конечно, на толщине годичных колец его динамика могла отразиться лишь косвенным образом. А именно, периодическая активизация магнитного поля Солнце экранирует Солнечную систему от проникновения космических лучей извне. Во время магнитных бурь на Солнце снижается интенсивность космических лучей, регистрируемых орбитальными станциями (эффект Форбуша). Это же происходит и на пике 11-летнего цикла, когда растет число солнечных пятен и, следовательно, активность магнитного поля Солнца (J. Lockwood, W. Webber, 1967. The 11-year solar modulation of cosmic rays as deduced from neutron monitor variations and direct measurements at low energies).

Известно, что космические лучи ионизируют атмосферу, что приводит к усиленному образованию облаков (H. Svensmark, E. Friis-Christensen, 1997. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - a missing link in solar-climate relationships). Влияя на интенсивность этого процесса, 11-летние солнечные циклы тем самым могут регулировать количество осадков и, следовательно, замедлять или увеличивать скорость роста древесины. Именно этот механизм, считают авторы статьи, и превратил пермские деревья в регистраторы солнечной активности.

Наверняка в такой роли выступали деревья и в другие эпохи, что делает ископаемую древесину настоящем кладезем информации об исторической динамике Солнца. Сейчас интерес к этой теме только начинает пробуждаться - так, в 2013 году бразильские ученые попытались реконструировать солнечную активность по годичным кольцам бразильских голосеменных, датируемых рубежом триаса и юры (A. Prestes et al., 2013. Imprint of Climate Variability on Mesozoic Fossil Tree Rings: Evidences of Solar Activity Signals on Environmental Records Around 200 Million Years Ago). Окаменевшие леса встречаются начиная с позднего девона, так что теоретически по ним можно реконструировать последние 400 миллионов лет истории Солнца - около 10% всего периода его существования (см.: Самый древний лес на Земле был по крайней мере трёхъярусным, «Элементы», 22.03.2012).

Александр Храмов

Источники:

1. elementy.ru