Een onderzoeksgroep, gecoördineerd door de Universiteit van Helsinki, kon een piek in de radiokoolstofconcentratie van bomen in Lapland meten die plaatsvond na de Carrington-vlam. Deze ontdekking helpt ons voor te bereiden op gevaarlijke zonnestormen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters .

De Carrington-gebeurtenis van 1859 is een van de grootste geregistreerde zonnestormen van de afgelopen twee eeuwen. Het werd gezien als witte lichtflitsen op een gigantische zonnevlekkengroep, branden op telegraafstations en verstoringen in geomagnetische metingen, evenals aurorae, zelfs in tropische gebieden.

In een gezamenlijk onderzoek uitgevoerd door de Universiteit van Helsinki, het Natural Resources Institute Finland en de Universiteit van Oulu werd voor het eerst een teken van een toename van de radiokoolstofconcentraties na de Carrington-storm waargenomen in boomringen. Voorheen zijn sporen van radiokoolstof alleen gedetecteerd bij veel intensere zonnestormen.

Ontdekking door een kosmische marker

Ontmoetingen tussen sterke gemagnetiseerde wolken van geladen deeltjes die vrijkomen uit de zon, bekend als zonneplasmastromen, en het geomagnetische veld van de aarde resulteren in geomagnetische stormen. Het geomagnetische veld stuurt de deeltjes van de zonnestorm voornamelijk via de poolgebieden de atmosfeer in. Het meest zichtbare gevolg van het fenomeen zijn aurora's.

In de bovenste lagen van de atmosfeer kunnen deeltjes met voldoende hoge energie, via kernreacties, ook radiokoolstof produceren ( ¹⁴ C), een radioactieve isotoop van koolstof. In de loop van maanden en jaren komt radioactieve koolstof in de lagere atmosfeer terecht als onderdeel van atmosferische koolstofdioxide, en uiteindelijk in planten via fotosynthese. Het proces van fotosynthese bewaart de informatie die is vervat in koolstofdioxide in de jaarringen van bomen.

Om de informatie van radiokoolstof te verkrijgen, worden monsters genomen door hout te snijden uit het houtmateriaal dat in de loop van de afzonderlijke jaren is gegroeid. De monsters worden door verbranding en chemische reductie verwerkt tot cellulose en de cellulose tot pure koolstof. De fractie radiokoolstof in zuivere koolstof wordt gemeten met behulp van een deeltjesversneller.

“Radiokoolstof is als een kosmische marker die fenomenen beschrijft die verband houden met de aarde, het zonnestelsel en de ruimte”, zegt Markku Oinonen, directeur van het Laboratorium voor Chronologie van de Universiteit van Helsinki, die leiding gaf aan het onderzoek.

Zonnestormen in kaart brengen

Een zonnestorm die overeenkomt met de Carrington-gebeurtenis in de moderne tijd zou elektrische en mobiele netwerken ontwrichten en grote problemen veroorzaken voor satelliet- en navigatiesystemen, wat zou leiden tot problemen in bijvoorbeeld het luchtverkeer. Dit is de reden waarom nauwkeurige kennis van het gedrag van de zon de samenleving ten goede komt.

Zonnestormen die kleiner zijn en vaker voorkomen dan de Carrington-stormen kunnen tegenwoordig worden bestudeerd met meetapparatuur en satellieten, terwijl grotere bijvoorbeeld kunnen worden onderzocht door de radiokoolstofconcentratie in boomringen te meten.

Tot nu toe is het niet mogelijk geweest om specifiek middelgrote stormen zoals de Carrington-gebeurtenis, die in de moderne tijd niet hebben plaatsgevonden, te bestuderen met behulp van conventionele radiokoolstoftechnieken. Deze recente studie opent een potentiële nieuwe manier om de frequentie van stormen ter grootte van Carrington te onderzoeken, wat kan helpen om je beter voor te bereiden op toekomstige bedreigingen.

Steeds nauwkeurigere informatie over de koolstofcyclus

De resultaten werden geïnterpreteerd met behulp van een numeriek model van de productie en het transport van radiokoolstof, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Oulu.

"Het dynamische atmosferische koolstoftransportmodel is speciaal ontwikkeld voor het beschrijven van geografische verschillen in de verdeling van radiokoolstof in de atmosfeer", zegt postdoctoraal onderzoeker Kseniia Golubenko van de Universiteit van Oulu.

Wat significant was in het onlangs gepubliceerde onderzoek was hoe het radiokoolstofgehalte van bomen in Lapland verschilde van dat van bomen op lagere breedtegraden. De eerste metingen werden uitgevoerd in het Accelerator Laboratory van de Universiteit van Helsinki, terwijl herhaalde metingen in twee andere laboratoria de eerdere onzekerheden aanzienlijk verminderden.

De ontdekking kan helpen om de atmosferische dynamiek en de koolstofcyclus beter te begrijpen vanaf de tijd vóór de door de mens gegenereerde uitstoot van fossiele brandstoffen, waardoor de ontwikkeling van steeds gedetailleerdere koolstofcyclusmodellen mogelijk wordt.

"Het is mogelijk dat de overmaat aan radiokoolstof, veroorzaakt door de zonnevlam, voornamelijk via noordelijke regio's naar de lagere atmosfeer werd getransporteerd, in tegenstelling tot wat algemeen wordt begrepen over de beweging ervan", zegt doctoraal onderzoeker Joonas Uusitalo van het Laboratorium voor Chronologie.

Andere bronnen van radiokoolstof

"Het is ook mogelijk dat de cyclische verandering in de productie van radiokoolstof in de hogere atmosfeer, veroorzaakt door de variatie in zonneactiviteit, heeft geresulteerd in de lokale verschillen op grondniveau die we zien in onze bevindingen", voegt Uusitalo toe.

Volgens Uusitalo wordt de dominante fractie van radiokoolstof geproduceerd door galactische kosmische straling die van buiten het zonnestelsel komt, ook al veroorzaken uitzonderlijk sterke zonnestormen individuele uitbarstingen van de isotoop in de atmosfeer. Kosmische straling wordt op zijn beurt verzwakt door zonnewind, een continue stroom van deeltjes die hun oorsprong vinden in de zon en die in cycli van elf jaar schommelt tussen sterker en zwakker.

Het onderwerp vereist verder onderzoek. Uit historische gegevens blijkt dat er ook in 1730 en 1770 aanzienlijke geomagnetische stormen plaatsvonden. Daarom zal het volgen ervan waarschijnlijk hierna in beeld komen.

De studie werd uitgevoerd als een samenwerkingsproject van het Laboratorium voor Chronologie en de Afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Helsinki, en het Natural Resources Institute Finland. Onderzoekers van de Universiteit van Oulu, Nagoya Universiteit, Yamagata Universiteit en ETH Zürich hebben ook bijgedragen aan het onderzoek.

Meer informatie: Joonas Uusitalo et al, Transient Offset in 14C After the Carrington Event Opgenomen door Polar Tree Rings, Geophysical Research Letters (2024). DOI:10.1029/2023GL106632

Journaalinformatie: Geofysische onderzoeksbrieven

Aangeboden door Universiteit van Helsinki