Die Sonne hat viel Rhythmus und durchläuft verschiedene Aktivitätszyklen. Der bekannteste Zyklus ist vielleicht der Schwabe-Zyklus , das eine 11-jährige Kadenz hat. Aber was ist mit Zyklen mit viel längeren Zeitskalen? Wie können Wissenschaftler sie verstehen?
Wie sich herausstellt, hat die Sonne einige versteckte Hinweise in Baumringen hinterlassen.
Vor etwa 400 Jahren begannen Astronomen, die Sonne mit ihren neu erfundenen Teleskopen zu beobachten. Sie bemerkten das Kommen und Gehen von Sonnenflecken und begannen, ihr Aussehen und ihre Auflösung aufzuzeichnen. Sie hatten keine Ahnung, was sie bedeuteten.
Diese Beobachtungen haben uns viel über die Aktivität der Sonne gelehrt. Je mehr Sonnenflecken es gibt, desto mehr passiert im Inneren der Sonne. Aber es gibt andere Zyklen von längerer Dauer, die sich auf die Erde und ihr Klima auswirken. Und ein 400-Jahres-Rekord, obwohl in mancher Hinsicht großartig, kann uns nicht viel über die längerfristigen Zyklen sagen.
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Der 11-jährige Schwabe-Zyklus ist selbst Teil dieser noch längeren Zyklen. Ein Team von Wissenschaftlern wollte den Schwabe-Zyklus über 400 Jahre hinaus rekonstruieren, um zu verstehen, wie alles zusammenpasst. Dazu mussten sie Hinweise finden, die die Sonne in Bäumen hinterlassen hatte. Diese Hinweise liegen in Form von Radionukliden vor, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden.
Das Forscherteam wird von Hans-Arno Synal und Lukas Wacker vom Labor für Ionenstrahlphysik der ETH Zürich geleitet. Sie verfolgten den Schwabe-Kreislauf bis ins Jahr 969 zurück, indem sie die Konzentrationen von radioaktivem Kohlenstoff in Jahrringen maßen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in einem Papier mit dem Titel „ Elfjährige Sonnenzyklen im letzten Jahrtausend durch Radiokarbon in Baumringen entdeckt .“ Es wurde in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
Das Tolle an Bäumen ist, dass sie in einem jährlichen Zyklus wachsen. Jedes Jahr, wenn ein weiterer Ring wächst, ist dies eine Momentaufnahme der Sonnenleistung für dieses Jahr. Das Zusammensetzen all dieser Ringe ergibt ein genaues Bild der Sonnenaktivität. In dieser Studie untersuchten die Wissenschaftler Jahrringarchive aus England und der Schweiz.
Die hellen und dunklen Ringe eines Baumes. Die ältesten Ringe befinden sich in der Mitte, die jüngsten außen. Bildnachweis: Flickr Creative Commons-Benutzerin Amanda Tromley.
Jeder Ring enthält eine winzige Menge radioaktiven Kohlenstoffs – nur ein Atom von Kohlenstoff 14 pro 1000 Milliarden Atome. Da Wissenschaftler wissen, dass die Halbwertszeit von C14 etwa 5700 Jahre beträgt, können sie die Konzentration der C14-Atome in der Atmosphäre berechnen, wenn jeder Ring gewachsen ist.
Hier wird es noch faszinierender: Der radioaktive Kohlenstoff in den Jahrringen stammt nicht von der Sonne. Es kommt von kosmische Strahlung die die Erde von weit außerhalb unseres Sonnensystems erreichen. Aber das Magnetfeld der Sonne trägt dazu bei, dass diese kosmische Strahlung die Erde nicht erreicht. Je stärker das Magnetfeld der Sonne ist, desto weniger C14-Isotope erreichen die Erde, um vom Baumwachstum aufgenommen zu werden. Daher korrelieren niedrigere Mengen an C14 in Baumringen mit Perioden größerer Sonnenaktivität.
Aber die Messung dieser winzigen Mengen an c14-Isotopen in den Jahrringen ist nicht einfach, und es ist auch nicht einfach, Unterschiede von Jahr zu Jahr zu erkennen. „Die einzigen Messungen dieser Art wurden in den 80er und 90er Jahren gemacht“, sagt Lukas Wacker, „aber nur die letzten 400 Jahre und mit dem äußerst aufwendigen Zählverfahren.“ Bei der Zählmethode wurde ein Geigerzähler verwendet, um das Zerfallsereignis jedes Isotops zu messen. Diese Methode erfordert viel Material und viel Zeit.
Das Team hat sich eine andere Methode ausgedacht: Beschleuniger-Massenspektrometrie . Diese Art der Spektrometrie wurde Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt und ist besonders nützlich beim Nachweis von Radioisotopen mit langer Lebensdauer wie C14.
„Mit Hilfe moderner Beschleuniger-Massenspektrometrie konnten wir die C14-Konzentration nun in wenigen Stunden mit tausendmal kleineren Baumringproben auf 0,1 Prozent genau messen“, sagt Ph.D. Student Nicolas Brehm in a Pressemitteilung , der für diese Analysen verantwortlich war.
Die Jahrringproben enthalten zwei Arten von Kohlenstoff. Neben dem radioaktiven C14-Isotop ist C12 die am häufigsten vorkommende der beiden stabilen Kohlenstoffisotope. Ein Beschleuniger-Massenspektrometer beschleunigt diese beiden Isotope, bevor sie durch ein Magnetfeld geschickt werden. Das Feld lenkt aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen eine Kohlenstoffsorte in eine Richtung und die andere Isotopenart in eine andere Richtung. Die Ergebnisse dieser Messung werden dann statistisch ausgewertet.
Ein einfaches Schema eines Beschleuniger-Massenspektrometers. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Gewichte sind C13 und C14 voneinander getrennt und C14 kann gemessen werden. Bildnachweis: Von Hah; BioMed Central Ltd., CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68194664
Als Ergebnis konnte das Wissenschaftlerteam die Aufzeichnung der Sonnenaktivität von 969 bis 1933 rekonstruieren. Ihre Rekonstruktion bestätigte den 11-jährigen Schwabe-Zyklus der Sonne bis ins Jahr 969 n. Chr. zurück. Es zeigte auch, dass die Amplitude dieses Zyklus, oder wie stark die Sonnenaktivität nach oben und unten geht, während lang anhaltender Sonnenminima kleiner ist.
Ihre Rekonstruktion bestätigte noch etwas anderes. Im Jahr 993 gab es ein ausgeprägtes solares Protonenereignis, das einen Höhepunkt im atmosphärischen C14 erzeugte. Diese Ereignisse treten auf, wenn von der Sonne emittierte Protonen ausreichend beschleunigt werden, um das Erdmagnetfeld zu durchdringen und eine Ionisierung in der Atmosphäre zu verursachen. Es gab Debatten um das Ereignis 993, aber diese Arbeit bestätigt seine Existenz.
Tatsächlich gingen die Ergebnisse weiter, als das Ereignis im Jahr 993 zu bestätigen. Die Forscher fanden auch Beweise für zwei weitere Protonenereignisse: eines im Jahr 1052 und eines im Jahr 1279. Dies ist das erste Mal, dass diese Ereignisse entdeckt wurden, und dies könnte darauf hindeuten dass sie häufiger vorkommen als gedacht. Dies ist sehr interessant, da diese Ereignisse eine Gefahr für die Elektronik auf der Erde und auf den Satelliten darstellen können.
Die Erde hat einige sehr langlebige Bäume. Einer von ihnen, eine borstige Kiefer in Kalifornien namens Methusalem, soll etwa 5.000 Jahre alt sein. Aber für diese Studie war es nicht nötig, alte lebende Bäume zu stören. Stattdessen untersuchten die Forscher alte Hölzer, die in noch erhaltenen Gebäuden verwendet wurden, wie z Abteikirche St. Alban , St. Albans, Hertfordshire, Großbritannien. Sein Bau stammt aus dem elften Jahrhundert. Das Team untersuchte 13 verschiedene Hölzer aus 11 verschiedenen Gebäuden in Großbritannien und der Schweiz.
Der kalifornische Methusalem-Baum ist fast 5000 Jahre alt und enthält eine Aufzeichnung der Sonnenaktivität über seine Lebensdauer. Zu seinem eigenen Schutz ist sein Standort geheim und es gibt keine Fotos davon. Dies ist ein Foto einer anderen Bristlecone-Kiefer. Bildquelle: Wikimedia Commons
Diese Art der Analyse hat das Potenzial, uns noch mehr über die Sonne zu lehren. Es gibt Jahrringarchive, die 14.000 Jahre zurückreichen, in subfossilisiertem Holz, das immer noch reich an Kohlenstoff ist. Die Forscher hoffen, mit ihrer Methode die C14-Konzentrationen in diesem Holz zu messen und so die Sonnenaktivität bis zum Ende der letzten Eiszeit zu rekonstruieren.
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