最近，國(guó)家空間科學(xué)中心特聘研究員周大莊等科研人員,，通過(guò)分析碳14顯著增長(zhǎng)事件和對(duì)我國(guó)史料記載的研究發(fā)現(xiàn)，在公元775年,，發(fā)生了迄今已知最強(qiáng)的太陽(yáng)高能粒子事件,。為此《北京日?qǐng)?bào)》特約周大莊研究員就相關(guān)問(wèn)題向讀者作科普介紹。
古樹碳14增長(zhǎng)來(lái)歷不明
2012年,，日本麥亞克研究組發(fā)現(xiàn),，日本雪松樹年輪在774—775年間的放射性碳14有千分之十二的高增長(zhǎng)；歐洲烏叟斯肯等研究組發(fā)現(xiàn),，歐洲橡樹年輪的放射性碳14具有同樣的增長(zhǎng),。中國(guó)研究者也發(fā)現(xiàn),，南中國(guó)海珊瑚在773—775年有相似的放射性碳14快速增長(zhǎng),。這些結(jié)果表明，775年左右碳14的增長(zhǎng)是全球性的現(xiàn)象,。
科學(xué)家們知道,，當(dāng)宇宙射線進(jìn)入地球大氣層時(shí)，它們與大氣物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生中子,，中子進(jìn)一步與氮14原子核發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生碳14,，會(huì)沉降在樹木、珊瑚和冰芯中,。因此測(cè)量樹木,、珊瑚和冰芯年輪碳14的變化可以推導(dǎo)宇宙射線的強(qiáng)度變化。
而宇宙射線可以分為銀河宇宙射線和太陽(yáng)宇宙射線兩種,。前者起源于超新星,、脈沖星和其他高能天體活動(dòng)；后者起源于太陽(yáng)高能活動(dòng)——耀斑和日冕物質(zhì)拋射,。地球環(huán)境中,，在非超高能范圍內(nèi)太陽(yáng)宇宙射線的強(qiáng)度高于銀河宇宙射線。
那么,，775年左右的碳14增長(zhǎng)到底是來(lái)自何方的力量造成的,？
超新星爆發(fā)可能性很低
研究表明，銀河宇宙射線的正常變化幅度低,，不可能誘發(fā)碳14的高增長(zhǎng),，因而應(yīng)當(dāng)排除掉,，于是碳14高增長(zhǎng)的來(lái)源可能是具有強(qiáng)粒子發(fā)射的太陽(yáng)粒子事件，和伴有伽馬射線發(fā)射的超新星爆發(fā),。
超新星伽馬射線可通過(guò)光核反應(yīng)產(chǎn)生中子,，從而產(chǎn)生碳14，因此較早的研究認(rèn)為超新星是775年左右碳14高增長(zhǎng)的一個(gè)可能起源,。但是研究人員并沒(méi)有在著名超新星事件SN1006和SN1054對(duì)應(yīng)年代找到碳14增長(zhǎng),。據(jù)估算，如果775年左右的碳14增長(zhǎng)起源于超新星伽馬射線,，則這個(gè)超新星的能量將是普通超新星能量的100倍,，這樣的事件極難發(fā)生。
另一方面,，研究人員發(fā)現(xiàn),，為了產(chǎn)生類似775年左右的碳14增長(zhǎng)，超新星必須距地球約一百光年,，這樣的事件定會(huì)刺眼地亮,，遠(yuǎn)比月光還亮，并且會(huì)持續(xù)數(shù)月之久,，這樣奇異的現(xiàn)象歷史上不會(huì)沒(méi)有記載,。同時(shí)，因?yàn)槿绱说乜拷厍?，超新星遺跡一定會(huì)仍然可見(jiàn),。事實(shí)上，蟹狀星云是天空中最亮的超新星遺跡,，如果地球附近有相應(yīng)于775年左右碳14高增長(zhǎng)的超新星,，它應(yīng)該比蟹狀星云更亮，人類不會(huì)看不到,。
根據(jù)以上分析,，必須排除775年左右碳14高增長(zhǎng)的超新星起因。
太陽(yáng)粒子來(lái)源的不同意見(jiàn)
這樣看來(lái),，具有強(qiáng)粒子發(fā)射的太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射,，最有可能是775年左右碳14高增長(zhǎng)的起因。
但是據(jù)日本麥亞克等人計(jì)算,，775年左右的碳14產(chǎn)生率是每平方厘米6乘10的8次方原子,。為了匹配這一高生成率，太陽(yáng)粒子的通量必須很高,。因此他們得出結(jié)論：775年左右碳14的增長(zhǎng)太快,，以至于不能由正常太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射引起，所以太陽(yáng)粒子起源的可能性很低，應(yīng)當(dāng)拋棄,。
但是,，這個(gè)結(jié)論應(yīng)該是不正確的。原因是他們所使用的碳循環(huán)模式忽略了深?！畲蟮暮?2%到95%全部碳的容器,，大大地高估了對(duì)流層背景碳14濃度。其結(jié)果要么是發(fā)生在775年左右的一個(gè)不可能的超強(qiáng)太陽(yáng)耀斑和日冕,，要么是一個(gè)起因未知的超強(qiáng)銀河宇宙線事件,。
與麥亞克等人不同，烏叟斯肯等人使用了不同的碳循環(huán)模式來(lái)計(jì)算碳14生成率,，得到的結(jié)果是每平方厘米1.3乘10的8次方原子,，大約比麥亞克的計(jì)算值低5倍左右。這一較低的碳14生成率,，能夠合理地與具有強(qiáng)粒子發(fā)射的普通強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件相聯(lián)系,。
基于烏叟斯肯小組的研究，如果與碳14高增長(zhǎng)相關(guān)的事件是太陽(yáng)粒子事件,，那么那一次太陽(yáng)爆發(fā)的能量,，大約2倍于1859年的卡林頓太陽(yáng)粒子事件——過(guò)去155年中有記載的最強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件。公元775年左右的太陽(yáng)爆發(fā)事件,，應(yīng)該是過(guò)去11400年中最強(qiáng)的太陽(yáng)爆發(fā)事件,。
《舊唐書》中記載成關(guān)鍵證據(jù)
關(guān)鍵的一環(huán)在于，強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件不但產(chǎn)生碳14的高增長(zhǎng),，它們也能通過(guò)大氣原子分子的電離,，激發(fā)和退激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)極光,。極光是磁緯較高地區(qū)上空大氣的彩色發(fā)光現(xiàn)象,，由于地磁場(chǎng)的作用，高能粒子繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)向磁極區(qū)域漂移,，所以極光常見(jiàn)于高磁緯地區(qū),。而如果是超新星爆發(fā)，則不會(huì)引發(fā)強(qiáng)度那么大,、持續(xù)時(shí)間那么久的極光,。至于其中的科學(xué)原理是什么，由于涉及過(guò)于專業(yè)的內(nèi)容,，我們就不在這里詳細(xì)解釋了,。
歷史上的強(qiáng)極光事件可能記錄在各種歷史文獻(xiàn)中。早在公元前數(shù)千年,，中國(guó)就開(kāi)始觀測(cè)極光,，因而有著豐富的極光記錄。而775年左右的太陽(yáng)爆發(fā)事件，正是在《舊唐書》中找到了關(guān)鍵的證據(jù),。下面介紹的就是舊唐書中的詳細(xì)記載,。
唐朝大歷十年“十二月丙子夜”（即中國(guó)農(nóng)歷774年12月11日夜，或公元775年1月17日夜）,，“東方月上有白氣十余道,，如匹帛，貫五車,、東井,、輿鬼、觜,、參,、畢、柳,、軒轅,，三更后方散”。其中“東方月上”指極光大致方位高度,；“白氣”指極光,，是各種不同顏色的綜合效果；“匹帛”是展開(kāi)的絲綢,，說(shuō)明極光呈現(xiàn)的是帶狀形態(tài),；“貫”是貫穿覆蓋，表示極光的產(chǎn)生區(qū)域,；“貫五車,、東井、輿鬼,、觜,、參、畢,、柳,、軒轅”，說(shuō)的都是極光在二十八星宿中的星宿方位,；“三更后方散”,，給出這一超級(jí)極光的消散時(shí)間是在三更之后，即半夜1至2點(diǎn)之后,。
《舊唐書》借助中國(guó)星宿圖,，準(zhǔn)確生動(dòng)地記錄了這次強(qiáng)極光。將星宿圖上的極光投影到地面可知,，極光發(fā)生的區(qū)域跨越東西南北,，覆蓋了北半球的相當(dāng)部分。極光最可能是從晚上5至6點(diǎn)左右持續(xù)到半夜1至2點(diǎn)以后，持續(xù)時(shí)間約為8小時(shí),。因?yàn)椴煌芰坎煌较虻奶?yáng)粒子需要不同的時(shí)間才能到達(dá)地球,，它們的產(chǎn)生時(shí)間最可能是775年1月14至16日。
基于以上分析討論可斷定：公元775年左右發(fā)生了超強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件,，這一事件引起了全球碳14高增長(zhǎng)和強(qiáng)極光,。因此，11400年以來(lái)最強(qiáng)超級(jí)太陽(yáng)粒子事件被首次發(fā)現(xiàn)鑒定,。
延伸閱讀：
假如發(fā)生在今天將會(huì)危及航天員生命
太陽(yáng)粒子事件中質(zhì)子占主要地位,，相應(yīng)于775年的太陽(yáng)質(zhì)子輻射計(jì)算結(jié)果顯示，近地空間飛船內(nèi)部的輻射風(fēng)險(xiǎn)為50%到100%,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)宇航局推薦的3%的終生輻射風(fēng)險(xiǎn)限值,，輻射是致命的。
所幸的是,，當(dāng)時(shí)人類還沒(méi)有技術(shù)可以破壞,，在地球大氣層的保護(hù)下，775年太陽(yáng)粒子事件引起的地面輻射風(fēng)險(xiǎn)小于1%,，人類得以幸存,。
但要是發(fā)生在今天，人類就不會(huì)這么幸運(yùn)了,。除了航天員的輻射風(fēng)險(xiǎn),，強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件還可能對(duì)地面和空間微電子學(xué)和光電子學(xué)器件、通訊設(shè)施以及電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞,，如1859年的卡林頓強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件,，幾乎使北半球的電報(bào)系統(tǒng)完全癱瘓，因此強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件的輻射防護(hù)和預(yù)報(bào)研究極為重要,。
從775年太陽(yáng)爆發(fā)事件研究中我們得到啟發(fā),，必須尋找鑒定更多的歷史強(qiáng)太陽(yáng)粒子事件。為此我們將廣泛調(diào)研中外強(qiáng)極光歷史資料,，測(cè)量分析古樹和珊瑚年輪碳14的變化,，計(jì)算太陽(yáng)高能粒子的強(qiáng)度和輻射，建立數(shù)據(jù)庫(kù),，研究數(shù)學(xué)物理模型，尋找歷史上強(qiáng)太陽(yáng)高能活動(dòng)和粒子輻射規(guī)律,，幫助實(shí)現(xiàn)空間天氣和太陽(yáng)粒子輻射預(yù)報(bào),。
?南方多地將迎來(lái)大范圍降雪