Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van ETH Zürich heeft zonneactiviteit gereconstrueerd tot het jaar 969 met behulp van metingen van radioactieve koolstof in boomringen. Die resultaten helpen wetenschappers om de dynamiek van de zon beter te begrijpen en om organische materialen nauwkeuriger te dateren met behulp van de C14-methode.

Wat zich in de zon afspeelt, kan alleen indirect worden waargenomen. Zonnevlekken, bijvoorbeeld, de mate van zonneactiviteit onthullen - hoe meer zonnevlekken zichtbaar zijn op het oppervlak van de zon, des te actiever is onze centrale ster diep van binnen. Hoewel zonnevlekken al sinds de oudheid bekend zijn, ze zijn pas in detail gedocumenteerd sinds de uitvinding van de telescoop zo'n 400 jaar geleden. Dankzij dat, we weten nu dat het aantal spots varieert in regelmatige cycli van elf jaar en dat, Bovendien, er zijn langdurige perioden van sterke en zwakke zonneactiviteit, wat ook tot uiting komt in het klimaat op aarde.

Echter, hoe zonneactiviteit zich ontwikkelde vóór de start van systematische gegevens, was tot nu toe moeilijk te reconstrueren. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Hans-Arno Synal en Lukas Wacker van het Laboratory of Ion Beam Physics aan de ETH, waaronder het Max Planck Instituut voor Onderzoek van het Zonnestelsel in Göttingen en de Universiteit van Lund in Zweden, heeft nu de elfjarige cyclus van de zon getraceerd tot het jaar 969 met behulp van metingen van de concentratie van radioactieve koolstof in boomringen. Tegelijkertijd, Zo hebben de onderzoekers een belangrijke database gecreëerd voor een preciezere leeftijdsbepaling met behulp van de C14-methode. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Geowetenschappen .

Zonneactiviteit van boomringen

Om zonneactiviteit over een millennium te reconstrueren met een extreem goede tijdresolutie van slechts één jaar, de onderzoekers gebruikten boomringarchieven uit Engeland en Zwitserland. In die boomringen, waarvan de leeftijd nauwkeurig kan worden bepaald door de ringen te tellen, er is een kleine fractie radioactieve koolstof C14, met slechts één op de 1000 miljard atomen die radioactief is. Uit de bekende halfwaardetijd van de C14-isotoop - ongeveer 5700 jaar - kan men vervolgens de concentratie van radioactieve koolstof afleiden die in de atmosfeer aanwezig was toen de groeiring werd gevormd. Aangezien radioactieve koolstof voornamelijk wordt geproduceerd door kosmische deeltjes, die op hun beurt in meer of mindere mate van de aarde worden weggehouden door het magnetische veld van de zon - hoe actiever de zon, hoe beter het de aarde afschermt - het is mogelijk om zonneactiviteit af te leiden uit een verandering in de concentratie van C14 in de atmosfeer.

Betere resultaten door moderne detectietechnieken

Nauwkeurige metingen van een verandering in die toch al zeer kleine concentratie, echter, lijken op de zoektocht naar een stofkorrel op een naald in een enorme hooiberg. "De enige metingen van dat soort werden gedaan in de jaren 80 en 90, " zegt Lukas Wacker, "maar alleen voor de laatste 400 jaar en met behulp van de uiterst bewerkelijke telmethode." Bij die methode radioactieve vervalgebeurtenissen van C14 in een monster worden direct geteld met behulp van een geigerteller, waarvoor relatief veel materiaal nodig is en vanwege de lange halfwaardetijd van C14, nog meer tijd. "Met behulp van moderne versnellermassaspectrometrie waren we nu in staat om de C14-concentratie in slechts een paar uur tot op 0,1 procent te meten met boomringmonsters die duizend keer kleiner waren, " voegt promovendus Nicolas Brehm toe, wie verantwoordelijk was voor die analyses.

In versneller massaspectrometrie, C14- en C12-atomen (de "normale, " niet-radioactieve koolstof; C14, daarentegen, bevat twee extra neutronen in de kern) van het boommateriaal worden eerst elektrisch geladen en vervolgens versneld door een elektrische potentiaal van enkele duizenden volt, waarna ze door een magnetisch veld worden gestuurd. In dat magnetische veld zijn de twee koolstofisotopen, die verschillende massa's hebben, worden in verschillende mate afgebogen en kunnen dus afzonderlijk worden geteld. Om uiteindelijk de gewenste informatie over zonneactiviteit uit die ruwe data te halen, de onderzoekers moeten er een ingewikkelde statistische analyse op uitvoeren en de resultaten verder verwerken met behulp van computermodellen.

Regelmatige elfjarige cyclus gedurende een millennium

Deze procedure stelde de onderzoekers in staat om de zonneactiviteit van 969 tot 1933 naadloos te reconstrueren. Uit die reconstructie konden ze de regelmaat van de elfjarige cyclus bevestigen, evenals het feit dat de amplitude van die cyclus (met hoeveel de zonneactiviteit stijgt en down) is ook kleiner tijdens langdurige zonneminima. Dergelijke inzichten zijn belangrijk voor een beter begrip van de interne dynamiek van de zon. De meetresultaten maakten ook een bevestiging mogelijk van de zonne-energetische protonengebeurtenis van 993. In een dergelijk geval, sterk versnelde protonen die de aarde bereiken tijdens een zonnevlam veroorzaken een lichte overproductie van C14. Bovendien, het onderzoeksteam vond ook bewijs van nog twee, nog onbekende gebeurtenissen in 1052 en 1279. Dit zou erop kunnen wijzen dat dergelijke gebeurtenissen - die elektronische circuits op aarde en in satellieten ernstig kunnen verstoren - vaker voorkomen dan eerder werd gedacht.

Nauwkeuriger dateren volgens de C14-methode

Aangezien er de afgelopen 14.000 jaar boomringarchieven bestaan, in de nabije toekomst willen de onderzoekers met hun methode de jaarlijkse C14-concentraties bepalen tot aan het einde van de laatste ijstijd. Als een soort "extra, " de gegevens in de nieuwe studie kunnen worden gebruikt om organisch materiaal veel nauwkeuriger te dateren met behulp van de C14-methode en zijn al opgenomen in de nieuwste editie van de internationaal erkende radiokoolstofkalibratiecurves (IntCal). "ETH was daar niet bij betrokken geweest referentiedatabase eerder, " zegt Lukas Wacker, "maar met onze nieuwe resultaten hebben we nu een derde van de metingen in één keer bijgedragen."