Природа, 1994, ? 1, стр. 3-15

"АСТРОФИЗИКА"

Радиоуглеродный хронометр

Валентин Андреевич Дергачев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией космических лучей Физико-математического института им. А. Ф. Иоффе РАН. Область исследования астрофизика и геофизика космических лучей. Автор более 150 научных работ по различным аспектам этой тематики, в том числе монографии 'Применение радиоуглеродного метода для изучения природной среды прошлого' (Л., 1991). В настоящее время научные интересы связаны с исследованиями по космогенным изотопам глобальных особенностей солнечной активности, климата и интенсивности космических лучей в прошлом.

ИЗУЧЕНИЕ взаимосвязи явлений и процессов, протекающих в космосе, околоземном пространстве и на Земле, диктуется не только чисто научной, познавательной стороной проблем астрофизики, климатологии, геофизики, окружающей среды и других областей науки, но и необходимостью решения ряда практических задач. Особенность исследований природных процессов на современном этапе обусловлена остротой, вызванной взаимодействием системы 'человек-среда', которое чревато непредсказуемым развитием.

Прямые эксперименты в космосе и наземные исследования дают ценную информацию, отражающую свойства и закономерное развитие космической среды и ряда космических объектов. Однако временная шкала этих экспериментов слишком коротка, чтобы установить все закономерности, присущие тому или иному природному процессу, и вызывающие его изменения причины. Естественно, что ход природных процессов охватывает значительные интервалы времени и причинная обусловленность их развития может быть понята при оперировании с достаточно длинными временными рядами. Для этих целей можно успешно использовать исторические записи полярных сияний; изменяющуюся во времени ширину годичных слоев деревьев, отложений торфа; распространенность нуклидов в различных геосферах; процессы в биосфере, геологических объектах; сведения о миграции людей в прошлом и т. п.

По-видимому, наиболее ценные данные проистекают из колец деревьев, имеющих абсолютную временную шкалу. Еще в 1892 г. доктор физики, профессор Новороссийского университета В. Ф. Шведов в журнале 'Метеорологический вестник' опубликовал статью 'Дерево как летопись засух', в которой на основании сопоставления прироста годичных колец спиленных акаций с распределением осадков по нескольким станциям юго-запада России сделал вывод о повторяемости через 9 лет засух на этой территории и указал на возможность использования дендрохронологических данных в целях прогнозирования природных изменений. Обширные исследования закономерностей колебаний ширины колец деревьев провел в начале нашего века американский астроном А. Е. Дуглас и получил убедительные доказательства влияния циклической деятельности Солнца на рост деревьев [1]. Ему удалось 'уловить' ясную 11-летнюю периодичность в изменениях прироста колец. По праву Шведов и Дуглас явились основателями дендрохронологии - науки, давшей в руки исследователей важный фактор - время. После того как американский ученый У. Либби разработал радиоуглеродный метод датировки (за который в 1960 г. получил Нобелевскую премию), были начаты работы по датировке разнообразных событий прошлого по кольцам деревьев, что в археологии принципиально изменило понимание путей развития современной цивилизации. Проверка метода радиоуглеродных часов с помощью годичных колец деревьев известного возраста, начатая в 50-е годы X. Зюссом [2], показала, что в современных образцах ход часов нарушается. И это связано с флуктуациями атмосферного содержания радиоактивного углерода: понижением на проценты, вызванным со второй половины прошлого века выбросом в атмосферу большого количества углекислого газа за счет сжигания ископаемого топлива, в котором радиоактивный углерод полностью распался; резким увеличением на десятки процентов с 50-х годов нашего столетия за счет проведенных атомных испытаний в атмосфере. Заметим, что исследователям удалось умело извлечь интересные выводы из этого факта нарушения хода радиоуглеродных часов, вызванного антропогенным воздействием на атмосферный резервуар радиоуглерода в глобальном масштабе (изменение удельной активности углерода в обменной системе более быстрое по сравнению с естественным ходом), а именно, получить детальную картину изменения характеристик обменного углеродного цикла, что чрезвычайно важно для изучения и прогнозирования хода природных процессов.

Вскоре де Врие были продемонстрированы заметные флуктуации атмосферного содержания радиоуглерода вследствие естественных причин [3]. Автор попытался скоррелировать экспериментально обнаруженные колебания концентрации радиоуглерода в кольцах древесины и зернах пшеницы за последние несколько сотен лет с изменениями климата.

А после того, как и в более удаленном прошлом в образцах древесины известного возраста были обнаружены нарушения хода радиоуглеродных часов, началось интенсивное изучение естественных причин изменения уровня радиоуглерода. Благодаря этому удалось войти в 'соприкосновение' с целым рядом интересных природных событий [4]. Начиная с 1965 г. такие исследования были начаты в нашей стране и в США.

Хотя со времени обоснования метода прошло всего около 40 лет, уже сейчас необычайно широк спектр применения радиоуглерода в различных областях наук: геологии четвертичного периода и палеогеографии, палеоклиматологии и археологии, океанографии и астрофизике, биологии и геофизике и т. д. Вполне определенно можно сказать, что ни один другой радиоактивный изотоп, кроме радиоуглерода, не является столь ценным источником для получения информации во многих областях исследований.

В целом наличие длинных рядов информации (например, содержание радиоуглерода в образцах древесины известного возраста за тысячи лет) о состоянии природных процессов позволяет как исследовать закономерности развития, так и прогнозировать эти процессы. При этом применение спектрального, корреляционного, регрессионного и других методов анализа временных рядов, а также методов топологической динамики способствует не только установлению качественных или количественных сторон характера связей, но и раскрытию некоторых механизмов исследуемых процессов.

ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИОУГЛЕРОД В ПРИРОДЕ

Известно, что земная атмосфера подвергается непрерывной бомбардировке космических лучей. Нуклонный компонент космических лучей, взаимодействуя с ядрами атмосферных газов, образует ряд космогенных радиоактивных изотопов: ³Н, ¹⁰Ве, ¹⁴С, ²⁶Al и др. Детальное исследование этих изотопов стало возможным недавно, лишь после того, как была выяснена природа космических лучей, исследована зависимость реакции образования изотопов от высоты, геомагнитных широты и долготы, а также создана весьма чувствительная аппаратура для регистрации чрезвычайно малых количеств и трудно измеряемых низких естественных удельных активностей природных образцов.

Радиоактивный углерод образуется при бомбардировке ядер атомов атмосферного азота нейтронами космических лучей согласно реакции ¹⁴N+n R ¹⁴С+p. Количество образуемого изотопа ¹⁴С в земной атмосфере составляет около 2 атомов за 1 с на 1 см² поверхности. Поскольку ¹⁴С является радиоактивным ядром, при его распаде возникает стабильное ядро азота и испускаются электрон и нейтрино: ¹⁴С R ¹⁴N + e^- + v.

Химически активный ¹⁴С окисляется до ¹⁴СO2, диффундирует к нижним слоям атмосферы и перемешивается с обычной углекислотой. Путем фотосинтеза радиоуглерод может быть связан в органических веществах, т. е. попадает в клетки растений, в том числе и в кольца деревьев. Радиоуглерод также поглощается Мировым океаном. Благодаря тому, что времена перехода изотопа ¹⁴С в различные резервуары гораздо короче его времени жизни, он равномерно распределен по всему объему обменной системы.

Среднее отношение радиоактивного углерода к стабильному (¹⁴С/¹²С) в атмосферной двуокиси углерода и в живых организмах, соответствующее равновесию с атмосферой и гидросферой, составляет порядка 10^-12, поскольку ¹⁴С непрерывно воспроизводится в верхней атмосфере Земли падающими на нее энергичными галактическими космическими лучами. Солнечный космический компонент, являющийся интегральным потоком частиц от солнечных вспышек, также может образовывать ¹⁴С в отдельных мощных вспышках.

В атмосфере Земли в общей сложности постоянно находится около 80 тонн радиоуглерода. Удельная активность углерода в обменной системе составляет около 15 распадов за 1 мин на 1 г углерода. За 80 лет распадается около 1% первоначального числа атомов ¹⁴С.

Если органическое вещество изолировано от источника образования ¹⁴С, то активюность радиоуглерода в нем уменьшается по обычному экспоненциальному закону радиоактивного распада: А¹ = Ао*ехр (- a*t), где А¹ - удельная активность спустя t лет после выхода образца из обменного резервуара, Aо - удельная активность в начальный момент t=0, a - постоянная радиоактивного распада. Отсюда легко рассчитать возраст исследуемого образца по оставшейся на момент измерения активности ¹⁴С : t = 0,693 Т1/2*ln (Aо/A1) (где Т1/2 - период полураспада ¹⁴С, равный 5730 годам). Радиоуглеродный метод датировки нашел широкое применение при определении возраста различных явлений, произошедших за последние не более чем 100 тыс. лет.

Концентрацию ¹⁴С в прошлом можно установить на основе измерений активности образцов известного возраста. Наилучшим материалом для определения изменения атмосферной концентрации ¹⁴С в прошлом является целлюлоза колец деревьев известного возраста. Исследования показали, что каждое кольцо дерева 'запоминает' атмосферный ¹⁴С в год его формирования. Количество ¹⁴С, фиксируемое растущими деревьями, определяется параметрами обмена земного углеродного цикла, включающего атмосферу, гидросферу, биосферу и осадочные породы. Первичный уровень атмосферного ¹⁴С может быть рассчитан из измеренной в годичных кольцах деревьев известного возраста активности радиоуглерода с учетом фракционирования изотопов углерода, распада ¹⁴С и процедуры нормировки.

Если поток космических лучей постоянен, то общее количество атмосферного ¹⁴С должно находиться в вековом равновесии (подвижное равновесие между распадом и образованием ¹⁴С. При этом радиоуглеродные часы показывают абсолютное время, что очень важно, главным образом для археологов и геологов, и в меньшей степени - для астрофизиков и геофизиков. Интерес последней группы ученых составляет анализ причин нарушения такого равновесия. В то же время определение флуктуаций содержания ¹⁴С в прошлом дает возможность и археологам вносить поправки в радиоуглеродные датировки, т. е. уточнять возраст археологических находок. Отклонения естественного уровня ¹⁴С от равновесия можно связать со следующими причинами:

- изменения в глобальной скорости образования радиоуглерода, вызванные вариациями потоков галактических и солнечных космических лучей;

- изменения в скорости обменных процессов между геохимическими резервуарами вследствие изменений климата;

- вариации суммарного углекислого газа (в атмосфере, биосфере, гидросфере и в осадочных породах) за счет изменения во времени параметров углеродного цикла.

Причины изменения содержания ¹⁴С связанные с различными природными факторами, могут отличаться по длительности воздействия (кратковременные, долговременные), по характеру (циклической или импульсной природы) и т. п. Из-за резервуарной емкости атмосферы и относительно большого периода полураспада радиоуглерода атмосфера действует как низкочастотный фильтр, ослабляя амплитуду циклического сигнала, и в особенности короткопериодических колебаний. Так, амплитуда 11-летнего сигнала в содержании ¹⁴С уменьшается примерно в 100 раз, типичное ослабление амплитуд для периодов в 200 и 2000 лет составляет порядка 20 и 10 раз соответственно.

Солнечная активность, являясь одной из причин изменения потока космических лучей, может вызывать от цикла к циклу возмущения скорости образования ¹⁴С в 10 - 30 % для различных по мощности циклов, что в концентрации ¹⁴С составит всего примерно 0,1 - 0,3%, т. е. 11-летний 'радиоуглеродный' цикл можно экспериментально 'выудить' только очень высокочувствительной аппаратурой. Однако более длительные по времени периоды в высокоточных измерениях активности ¹⁴С в последовательностях годичных колец имеют больше возможностей для их убедительной регистрации. Так, для циклических изменений концентрации ¹⁴С, имеющих длительность 100-200 лет, амплитуда достигает уже 1 - 2%, что почти на порядок выше.

Для циклических процессов важно также учитывать заметную временную задержку между практически мгновенными изменениями в образовании ¹⁴С в верхней атмосфере и результирующими вариациями распространенности радиоуглерода в биосфере. Этот сдвиг приводит к смещению всех эффектов во времени. Так, 11-летний 'радиоуглеродный' цикл должен отставать на три-четыре года от цикла солнечных пятен, а, например, 200-летний цикл будет запаздывать от соответствующего 200-летнего солнечного цикла примерно на 20 лет и т. д.

МОЖНО ЛИ ПОЛНОСТЬЮ ДОВЕРЯТЬ РАДИОУГЛЕРОДНЫМ ДАННЫМ?

Можно считать, что только благодаря начатым Зюссом в Калифорнийском университете и продолженным им затем в течение 20 лет измерениям активности ¹⁴С в образцах известного возраста, радиоуглерод в кольце дерева получил статус нового астрофизического и геофизического индекса - важного 'инструмента' исследований природных процессов.

Еще до недавнего времени (всего 10 - 15 лет назад) даже многие экспериментаторы-'радиоуглеродчики' скептически относились к существованию особенностей, имеющих физическую природу, в измеряемых данных по содержанию ¹⁴С в последовательностях годичных колец и к значащим спектральным линиям, выделяемым в этих данных. Существовал определенный скептицизм относительно возможностей надежного выявления кратковременных колебаний содержания ¹⁴С, имеющих физический смысл, а не обусловленных исключительно статистическими флуктуациями и лабораторными ошибками. В большинстве своем ранние результаты отличались большим разбросом, противоречивостью и несопоставимостью, что не способствовало доверию к радиоуглеродному методу. И, по-видимому, не случайно в научной печати метод этот часто подвергался критике.

Учитывая потенциальные возможности метода для распространенных по всему земному шару корреляций событий в археологии, геологии, геохимии, геофизике и других областях науки, чрезвычайно важна степень доверия для пользователей этого метода, независимо от того, в какой лаборатории произведен анализ или получены конкретные результаты. Все это настоятельно требовало проведения сравнительных анализов измерений, выполненных в различных лабораториях.

Рис.1. Концентрация радиоуглерода (D¹⁴С - отклонение от уровня международного стандарта радиоуглерода) в образцах долгоживущих деревьев известного возраста, измеренная с высокой точностью: а - в блоках древесины по 10-летиям за 4500 лет; б - в блоках древесины по 20-летиям колец за последние 9600 лет. Надежно зафиксированы средневременные флуктуации содержания ¹⁴С, имеющие амплитуду изменений до -2%. Амплитуда долговременной флуктуации достигает ~10 %.

Надежность экспериментальных данных по измерению активности ¹⁴С определяется точностью измерений и правильностью анализа полученных результатов. Если точность выражается как стандартная ошибка измерений, которую может дать сама конкретная лаборатория, то определение правильного значения измеряемой концентрации ¹⁴С связано с дополнительными измерениями и детальным учетом большого числа факторов: точной фиксацией уровня радиоуглеродных лабораторных измерений относительного содержания ¹⁴С от уровня международного стандарта радиоуглерода; межлабораторным перекрестным сравнением; проверкой качества и унификации радиоуглеродных измерений и др. Такое сравнительное изучение, основанное на добровольном и анонимном участии в организованных лабораторных проверках, было начато в 1979 г., а первые результаты получены в 1982 г. Участвовавшим в проверке лабораториям удалось получить оценки экспериментальной точности и правильности выполнения анализов на всех стадиях осуществления довольно тонкого эксперимента - от подготовки образца до получения непосредственных результатов измерений. К 1990 г. было проведено повторное, значительно более представительное (около 50 лабораторий мира) изучение и сделан объективный статистический анализ [5], что позволило окончательно решить вопрос доверия в пользу радиоуглеродного метода датировки. Скептицизм относительно больших возможностей радиоуглеродных исследований стал спадать. К сожалению, участие радиоуглеродных лабораторий нашей страны в этом сравнительном анализе было недостаточно эффективным.

В настоящее время нет никакого сомнения, что вариации содержания ¹⁴С в земной атмосфере в прошлом являются источником важной дифференциальной во времени информации по изучению солнечной активности и других природных процессов на длительной временной шкале, имеющих абсолютную хронологию. Сняты и вопросы, связанные с возможной миграцией ¹⁴С из кольца в кольцо дерева, а также с широтной и высотной зависимостями.

В целом, накопленный к настоящему времени надежный экспериментальный материал по содержанию '¹⁴С в образцах известного возраста показывает на возможность селективного выделения из радиоуглеродных данных информации, порожденной комплексом интерферирующих астрофизических и геофизических процессов. Даже малый тип колебаний в таких данных превышает экспериментальный шум, а также случайный окрашенный шум. Тем не менее, при выделении и интерпретации кратковременных циклических флуктуаций содержания ¹⁴С необходимо быть чрезвычайно осторожным, ибо при спектральном анализе рядов данных с мощным шумовым компонентом возрастает проблема отделения истинных гармоник, присутствующих в исходном сигнале, от спектра выборочной реализации случайной составляющей, которая дает ложные спектральные линии.

В последние годы после решения хронологических проблем получены наиболее длинные ряды экспериментальных данных по содержанию ¹⁴С в кольцах деревьев известного возраста [6], включающие 10- и 20-летние образцы, т. е. образцы, содержащие по 10 или 20 колец каждый. Типичная точность этих данных, выполненных довольно тщательно, составляет для последних почти 7000 лет примерно +0,2 %, а для интервала 7000 - 9600 лет назад - около +0,5 %. В содержании ¹⁴С на большой временной шкале выделяется долговременный (~10 000 лет) квазисинусоидальный тренд с амплитудой до ~10 % и средневременные колебания (характерная шкала времени в 100 - 200 лет), именуемые также 'вариациями де Врие' с амплитудой до ~2 %. В погодичных измерениях выделяются кратковременные колебания длительностью примерно 10 лет и амплитудой, не превышающей 0,5 %.

КОЛЬЦА ДЕРЕВЬЕВ ДАЮТ ПРИРОДНЫМ СОБЫТИЯМ ТОЧНУЮ ВРЕМЕННУЮ ШКАЛУ

Уже в течение нескольких десятилетий ученые различных областей науки постоянно приводят доказательства большой важности запасаемой деревьями информации. Кольца деревьев известного возраста привлекают внимание исследователей как хорошо документированный материал. Считается, что живое дерево в процессе своего роста непрерывно фиксирует многочисленные осцилляции в физическом и химическом состоянии окружающей среды. Ширина кольца дерева является чутким показателем, реагирующим на изменение условий произрастания дерева как в современную, так и прошлые эпохи. Прирост колец дерева зависит от окружающей обстановки и, конечно, от состояния почв. Все химические изменения в почве также должны находить свое отражение в составе колец деревьев.

Хронологические последовательности годичных приростов колец в деревьях изучает дендрохронология. Корректное применение дендрохронологического метода позволяет устанавливать точное соответствие между отдельными кольцами и годом, в который росло то или иное кольцо. Одной из главных целей современной дендрохронологии является развитие и составление многовековых хронологических шкал. Исходный источник для этого - кривая изменчивости годичного прироста долгоживущих деревьев, которую сначала составляют для конкретного региона.

Наиболее значительных успехов в этой области достигли дендрохронологи Аризонского университета. На Американском континенте произрастают долгоживущие виды древесных пород. Дендрохронолог Э. Шульман нашел остистую, или долговечную, сосну (Pinus longaeva, Pinus aristata), которая начала расти 4600 лет назад. Путем сопоставления изменений ширины колец живых и сухих (мертвых) деревьев, древесных фрагментов, а также по чередованию картин широких и узких колец с надежной корреляцией на предшествующие шкалы, построенные по живым деревьям К. Фергюссону удалось получить наиболее длинную хронологию колец, охватывающую последние 7104 года. Недавно хронология по остистой сосне была расширена до 8700 г. от современности.

В холодном влажном климате Западной Европы нет долгоживущих деревьев, однако в заболоченных местах условия являются вполне подходящими для сохранения древесины. Кроме того, объектами изучения дендрохронологов могут быть имеющиеся здесь многочисленные памятники архитектуры и разные археологические объекты. Создание многовековых абсолютных дендрохронологических шкал в Европе осуществляют с помощью метода перекрестной датировки и временного наложения. Для определения абсолютного дендровозраста 'плавающих' хронологий, т. е. рядов колец деревьев, точно не привязанных к настоящему времени, успешно используется радиоуглеродный метод определения возраста образцов в совокупности с методом перекрестной датировки. Путем перекрестной датировки двух отдельных хронологий по дубу для Северной Ирландии и Германии была создана европейская хронологическая шкала длительностью в 7272 года. Хронологии колец деревьев по европейским ископаемым остаткам дуба и сосны практически без разрывов покрывают последние 11 тыс. лет. Радиоуглеродная калибровка дает возможность расширить хронологию по деревьям до 13300 лет. Используя отложения ленточных глин и ископаемых остатков растений, осевших в озерных отложениях, можно изучать причины вариаций содержания ¹⁴С вне пределов дендрохронологической шкалы.

Дендрохронологи дают не только точную временную шкалу изучаемым пробам, но также и обеспечивают радиоуглеродные лаборатории образцами древесины для исследований. Дендрохронологические исследования могут быть полезны для решения ряда проблем, связанных с окружающей средой. Изучение климатических и экологических аспектов является первостепенным для дендроклиматохронологии. По этой причине информация, содержащаяся в годичных кольцах деревьев, имеющих абсолютную временную шкалу, приобретает все большую ценность.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ ¹⁴С В ТЕЧЕНИЕ ПОСЛЕДНЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

Известно, что поток космических лучей непостоянен, а следовательно, и скорость образования радиоуглерода меняется во времени. Хорошо установлен эффект влияния солнечной модуляции на поток галактических космических лучей, а также ее воздействие на образование ¹⁴С. Этот поток, достигающий поверхности Земли, 'обратно коррелирует' с 11-летним циклом солнечной активности. Между результатами измерений концентрации ¹⁴С и числами солнечных пятен удалось установить следующее соотношение: когда солнечная активность высока, Земля сильнее экранирована от галактических космических лучей и образование ¹⁴С уменьшается; когда же солнечная активность низка, в окрестности Земли растет поток космических лучей и, соответственно, сильнее генерируется ¹⁴С. Важно также учитывать и другие эффекты. Наиболее очевидный - это изменяющаяся во времени напряженность магнитного момента Земли.

На коротких временных шкалах тонкая структура в годичных уровнях ¹⁴С может быть связана с 11 - или 22 -летней солнечной циклической модуляцией потока космических лучей. Заметим, что высокоточные погодичные измерения атмосферного уровня активности ¹⁴С, полученные по кольцам деревьев, выполнены различными лабораториями только на некоторых ограниченных временных интервалах, простирающихся всего на несколько лет или несколько десятков лет. Ограничение это вызвано узостью отдельных колец деревьев и сравнительно большим количеством древесины, необходимой для радиометрического измерения одного образца (составляющего от 50 до 200 г в зависимости от типа древесины и способа химической обработки).

Интересными оказались исследования содержания ¹⁴С в земной атмосфере для временного интервала, начинающегося с 1700 г. (имеются надежные данные по числам солнечных пятен) и простирающегося до конца настоящего столетия (период времени с конца XIX в. подвержен действию антропогенных факторов, влияющих на уровень естественной активности радиоактивного углерода). Они продемонстрировали, что существуют циклические вариации содержания ¹⁴С, хотя некоторые экспериментальные результаты все еще остаются противоречивыми. Как указано выше, эффекты 11-летнего 'радиоуглеродного' цикла незначительно превышают неопределенность измерений. Кроме того, неопределенности присущи и солнечной модуляции потока космических лучей, и параметрам обменной системы радиоуглерода. Анализ погодичных данных содержания ¹⁴С в кольцах деревьев [7], в винах [8], а также ряда чисел солнечных пятен, проведенный с помощью автокорреляционной функции, и спектр радиоуглеродных данных показывают наличие 11-летней цикличности на 95 %-ном доверительном интервале и ее корреляцию с числами солнечных пятен в течение четырех солнечных циклов (с 15-го по 19-й) со средней амплитудой 0,43+11 % в винах и примерно вдвое меньшей - в кольцах деревьев.

Рис.3.

Результаты измерения содержания радиоуглерода от года к году: (~38њ с. ш' ~45 в. д.); б и в - в кольцах деревьев, произраставших на разных высотах и широтах (б - 32њ26' с. ш., 110 47' з. д., высота 2740 м над ур. м.; в - 47 46 с. ш' 124њ09 з. д., на уровне моря. Штриховой линией представлена солнечная активность с учетом запаздывания концентрации ¹⁴С относительно солнечного цикла.

Четко выделяется тонкая структура в погодичных измерениях концентрации ¹⁴С. Несмотря на то, что образцы относятся к разным высотам и широтам и к районам, в которых влияние промышленного эффекта от сжигания ископаемого топлива на уровень содержания ¹⁴С разное, кривые хорошо воспроизводятся, и каждая из них показывает все общие наиболее значимые особенности.

Установленное соотношение между числами солнечных пятен и образованием ¹⁴С в течение 11-летних солнечных циклов для современного периода наблюдений за Солнцем можно использовать, чтобы смоделировать поведение содержания ¹⁴С для более ранних промежутков времени. Простая модель солнечной модуляции, основанная на таком соотношении, была использована для сопоставления экспериментальных и расчетных значений содержания ¹⁴С за последнее тысячелетие. Было показано, что эта простая модель, расширенная на недалекое прошлое, может воспроизводить по амплитуде и положению наблюдаемые увеличения космогенного ¹⁴С. Таким образом, благодаря знанию поведения космогенного изотопа и его скорости образования, можно как восстановить, так и предсказать его концентрацию на различных временных шкалах.

Результаты измерений содержания ¹⁴С в образцах, охватывающих последнее тысячелетие, показывают значительные его осцилляции, длительностью в несколько десятков лет. Такие длительные повышения концентрации ¹⁴С можно соотнести с экстремально низкой солнечной активностью. Тем более, и в поведении Солнца в XVII - XVIII вв. (приходящихся как раз на наиболее примечательное повышение уровня ¹⁴С) надежно установлено резкое ослабление солнечных пятен - маундеровский минимум. В работе В. А. Дергачева и В. С. Векслера показано, что маундеровский минимум солнечной активности дает нам ключ к интерпретации солнечных эффектов в истории ¹⁴С и уверенность в описании других подобных отклонений содержания ¹⁴С за счет влияния Солнца. Обстоятельство это и было использовано как мера обнаруженных повышений в уровне радиоуглерода соответствующими минимумами солнечной активности: минимумом Шперера (XV - XVI вв.) и минимумом Вольфа (XIII - XIV вв.) и более ранними.

Каждый из этих минимумов отстоит друг от друга в среднем на 200 - 210 лет. Что касается минимумов содержания ¹⁴С, то они могут быть связаны с высокой солнечной активностью. Например, минимум концентрации ¹⁴С, приходящийся на XII - XIII вв. (на период так называемой 'средневековой эпохи потепления'), по летописям, свидетельствует о высокой активности Солнца в ту эпоху. Таким образом, видно, что отклик атмосферной концентрации ¹⁴С на экстремальное поведение солнечной активности, по крайней мере для последнего тысячелетия, вряд ли случайно. Иначе говоря, эти данные свидетельствуют в пользу гелиомодуляции потока космических лучей.

Рис.4. Сопоставление измеренных значений концентрации ¹⁴С в земной атмосфере для последнего тысячелетия (точки) с рассчитанными по модели (сплошная линия).

Заметны выразительные пики концентрации ¹⁴С, приходящиеся на периоды исторически зафиксированной уменьшенной солнечной активности - минимумы: Маундера (1645-1715 гг.), Шперера (1420-1530 гг.) и Вольфа (1280-1340 гг.). Значительное понижение уровня ¹⁴С в течение XII-XIII вв. связано, по-видимому, с влиянием высокой солнечной активности.

Рис.5. Спектральная плотность мощности (p концентрации ¹⁴С (согласно данным, приведенным на рис. 1) после удаления долговременного тренда, полученная: а - с помощью дискретного Фурье-преобразования; б - методом максимальной энтропии. Цифрами выделены наиболее характерные общие периоды, полученные различными методами.

Встает вопрос: регулярны или случайны такие проявления солнечной активности в более удаленном прошлом. Ответ можно получить из длинных рядов наблюдений природных событий, используя разнообразные методы статистического анализа временных рядов.

210-ЛЕТНИЙ ЦИКЛ И СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

В последние годы проведена успешная работа по использованию статистических методов в различных областях науки и техники, в том числе и для исследования закономерностей поведения концентрации ¹⁴С в конкретных рядах измерений, что позволяет получать информацию о физических процессах (астрофизического или геофизического характера). Учитывая, что ряды характеристик исследуемых природных процессов имеют ограниченную длину, успех зависит от того, насколько точно обеспечено достоверное представление об основных характеристиках процессов, с которыми связаны эти данные. В конечном счете, понимание исследуемого процесса зависит от качества и достоверности оценки спектра по данным конечной протяженности.

Данные по содержанию ¹⁴С в кольцах деревьев имеют хорошо определенный спектр. В вариациях содержания ¹⁴С содержатся многочисленные периоды, простирающиеся от 11 до ~2400 лет. Точные значения периодов до некоторой степени изменяются в зависимости от используемого алгоритма. Спектральные характеристики сильно уменьшают амплитуду колебаний при уменьшении периода, что связано, как указывалось выше, с емкостью атмосферного резервуара. Наибольшая мощность оказывается для больших периодов. Важно заметить, что этот спектр подвержен определенным ошибкам, как в амплитуде, так и в линейной частоте. Кроме того, полученные спектры несколько изменяются и при использовании различного моделирования.

У исследователей мало сомнений относительно фундаментальных периодов ~2400, ~210, ~90 лет, ~22 года, существующих в радиоуглеродном спектре. Этим периодам отвечают, как правило, сателлитные линии.

Выше, на основании рассмотрения радиоуглеродного ряда за последнее тысячелетие, сделан вывод, что присутствие 210-летнего периода в спектре ¹⁴С является, по-видимому, результатом модуляции потока космических лучей за счет изменения магнитных полей в гелиосфере с таким же периодом. Вариации солнечной активности, связанные с существованием длительных минимумов пятнообразовательной деятельности Солнца и малым числом полярных сияний в эти эпохи (типа эпохи Маундера 1645-1715 гг., Шперера 1420-1530 гг., Вольфа 1280-1340 гг., Оорта 1010-50 гг. и современный минимум ~1900 г.), в настоящее время находятся под пристальным вниманием исследователей. Эти минимумы разделены примерно 200-летним интервалом.

Сейчас накопилось достаточно доказательств в пользу того, что 210-летний тип вариации содержания ¹⁴С вокруг главного тренда вызывается солнечным циклом такой же продолжительности. Британский ученый Дж. Шове был, по-видимому, одним из первых, кто сделал вывод о существовании примерно 200-летнего цикла в изменении чисел солнечных пятен, восстанавливая годы максимумов 11-летних циклов пятен, видимых невооруженным глазом в период между 290 и 1610 гг. Им было установлено, что в четные столетия число полярных сияний оказывается выше, чем в нечетные. В последнее время проводится ревизия каталогов пятен, видимых невооруженным глазом, в Китае, Японии, Корее и в арабских странах. Спектральный анализ наиболее полной систематической регистрации солнечных явлений в Китае с 206 г. до н. э. и до наших дней, выполненный недавно Ху Жентао, показал наличие в этих данных наиболее значительных гармоник в 210 и 11 лет.

Все более и более фактов свидетельствует в пользу глобального проявления периодичности примерно 200 лет в различных природных процессах. В. А. Алексеевым (в падении хондритов на основе статистического анализа падений метеоритов) наряду с ~11- и 90-летней волнами, была установлена и волна в 220+20 лет. Итальянскими учеными - Дж. Кастаньоли и его сотрудниками - выявлена периодичность ~206 лет в изменении содержания СаСОз в морских кернах и т. д. Кроме этого, такие закономерности подтверждаются результатами изотопного анализа содержания ¹⁰Be в кернах льда: Н. Оешгер и Дж. Вир показали, что синхронность и величина изменений концентрации по ¹⁰Ве и ¹⁴С хорошо согласуются.

В работе В. А. Дергачева и В. Ф. Чистякова показано, что Солнце влияет и на скорость образования ¹⁴С (через модуляцию интенсивности космических лучей), и на земной климат (через вариации солнечной постоянной)9. Хотя доказательства прямой связи между потоком солнечного излучения и его активностью по результатам эксперимента Solar Maximum - Solar Minimum Mission, показывающие возрастание и падение солнечного излучения в течение солнечного цикла, получены только для последних 10 лет. Правда, на основе анализа переменности Солнца и звезд Дж. Герард делает вывод о возможности переменности полной светимости Солнца не только с установленным ~11-летним периодом, но и с 80-90-летним и более длинными периодами. Интересно, что 210-летние спектральные характеристики детектируются в спектре изменения ширины колец деревьев, связывая, таким образом, солнечную активность и температуру - одну из характеристик климата.

К. Соне и X. Зюсс показали, что существует корреляция между спектром ¹⁴С и спектром вариаций прироста колец остистой сосны из Восточной Калифорнии [10]. Автоспектры содержания ¹⁴С и прирост этих деревьев оказались подобными. Кроме того, оба ряда данных обратно коррелируют в том смысле, что наличие более толстых колец у деревьев (быстрый прирост) связано с более высокими температурой и солнечной активностью, а последняя означает большую модуляцию и, следовательно, уменьшенное образование ¹⁴С . В таком случае, если существует, с одной стороны, прямая связь между солнечной активностью глобальной температурой, а с другой - обратная связь между содержанием ¹⁴С и солнечной активностью, то 210-летний период должен вносить определенный эффект в климатическую изменчивость ближайшего будущего.

Однако обратимся сначала к ретроспективному рассмотрению. Если 1690-й год идентифицировать как среднюю точку 'маундеровского минимума' солнечной активности с 210-летним периодом (учитывая ~20-летнюю временную задержку между максимумом образования и максимумом концентрации ¹⁴С ), то максимумы ¹⁴С должны приходиться на 1710-й, 1500-й, 1290-й и 1080-й годы, а минимумы - на 1815-й, 1605-й, 1395-й и 1185-й. Максимумы или минимумы солнечных пятен должны быть также примерно на 20 лет раньше, чем экстремумы в содержании ¹⁴С. Средняя точка последнего относительно слабого 210-летнего минимума пришлась на ~ 1900-й год. Максимум солнечной активности этого цикла должен находиться в начале следующего столетия, если наблюдаемые периодичности будут сохраняться и впредь.

Интересно, что минимумы периода Глайсберга (88-90 лет) попадают на ~ 1898-1900-й и 1986-1988-й годы, а ближайший максимум должен оказаться в районе ~2030 г. В этом случае и 210-летняя, 88-летняя цикличности солнечной.активности обязаны вносить вклад в потепление климата в первой половине XXI столетия. Что же касается более далекого прошлого, то эта волна удивительно хорошо попадает практически на все крупные пики на кривой содержания ¹⁴С за последние 4500 и 9600 лет.

2400-ЛЕТНИЙ ЦИКЛ И ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

Сопоставим наиболее выразительные пики на кривой изменения содержания ¹⁴С. Как правило, они объединяют несколько высоких колебаний длительностью в ~200 лет. Можно уловить чередование пиков с довольно определенным периодом - около 2000 лет. Эти сильнейшие особенности очень четко просматриваются как крупномасштабные вариации с периодом ~2400 лет в радиоуглеродном ряду данных за последние 9600 лет после гауссовой фильтрации.

В эпохи, близкие к 1600, 3800, 6100 и 8300 лет назад, концентрация ¹⁴С на протяжении по крайней мере тысячелетия была пониженной. Это может свидетельствовать о высокой солнечной активности в названные интервалы. Эпохи ~450, 2700, 5000, 7200 и 9500 лет назад характерны для экстремально низких уровней солнечной активности.

За несколько последних десятилетий собрано достаточно много данных по историческому изменению характеристик глобального климата, по результатам колебаний уровней озер, по выводам кислородного анализа и многих других методов исследования. В результате эти данные позволяют выделить по крайней мере четыре кульминационные фазы синхронного изменения климата в обоих полушариях земного шара:

малая ледниковая эпоха, 560-135 лет назад;

климатический оптимум в раннем средневековье, 1300-800 лет назад;

похолодание 'железного' века, 2900-2300 лет назад;

последний климатический оптимум, 6000-7000 лет назад.

Эти фазы хорошо прослеживаются и в изменениях концентрации ¹⁴С . Что касается других экстремумов, которые выделены в уровне ¹⁴С и могут быть обусловлены колебаниями климата, то в научной литературе можно найти подтверждение этой связи. Так, например, холодный период, наблюдаемый около 5000 лет назад, был выделен по спорово-пыльцевому методу X. Никольсом в осадках болот из шести различных мест северной Канады. Кстати, им же зарегистрированы и все предыдущие похолодания. Цикличность в ~2400 лет была выделена В. А. Дергачевым и В. Ф. Чистяковым и в радиоуглеродных данных за последние ~14 тыс. лет. Эпохи экстремальных состояний климата с такой цикличностью, накладывающиеся на более долговременные изменения климатических показателей, прослежены для последних более чем 50 тыс. лет.

Трудно перечислить все многочисленные временные ряды различных природных данных, из которых можно получить сведения о ~ 2000-летнем цикле. Р. Фейрбэнкс сделал вывод, что в течение последнего перехода от ледникового периода к межледниковью (на интервале 14-8 тыс. лет назад) было два импульса таяния ледниковых вод, разделенных промежутком в ~2500 лет. В. Ф. Чистяковым прослежено появление гигантских протуберанцев, свидетельствующих о необычной мощности явлений на Солнце в 1375 и 1385 гг. до н.э. и в 185 и 1239 гг. н.э. Это совпадает с выделенными по содержанию ¹⁴С эпохами высокой солнечной активности.

Рис.6. Крупномасштабные вариации концентрации ¹⁴С, выделенные с помощью гауссовых фильтров (стрелки указывают на экстремумы периода ~2400 лет).

Эпохи, длительностью в несколько сотен лет, близ- кие к ~1600, 3800, 6100 и 8300 лет назад, характерны для экстремально низкой солнечной активности, а экстремально высокой солнечной активности соответ- ствуют эпохи ~450, 2700, 5000, 7200 и 9500 лет назад.

Источник такой цикличности окончательно еще не определен. Сделаны лишь различные предположения, включающие источники как земного, так и внеземного происхождения: К. Крир в 1988 г. исследовал связь между этим 2400-летним компонентом и соответствующим циклом в изменениях геомагнитного поля, А. Пестио и др. в 1987 г. - в данных по концентрации ¹⁸О в кернах льда и фораминиферах из кернов океанов. Однако имеются очень слабые основания в пользу предположения, связанного с магнитным полем Земли, поскольку не детектировано никакого изменения периодического компонента геомагнитного поля требуемой амплитуды. Можно попытаться объяснить 2400-летнюю линию в спектре ¹⁴С земным происхождением вследствие изменяющихся во времени запасов СO2 и обменных скоростей в океане. Большинство имеющихся аргументов свидетельствует в пользу того, что 2400-летний цикл связан, возможно, с климатическими характеристиками.

Дендроклиматологические исследования Б. Шмидта по дубу в 1988 г. указывают на то, что малому ледниковому периоду (1500-1800 гг.) предшествовала холодная эпоха, отстоящая на 2700-2350 лет назад. А еще более ранняя холодная эпоха приходится на интервал времени между 5750 и 4750 гг. считая от современности. Эти климатические эпохи отстоят друг от друга на 2200-2400 лет, и каждая из них совпадает с крупными флуктуациями в содержании ¹⁴С, что сильно влияет на калибровку радиоуглеродного цикла. Интересно заметить, что пики кислотности в кернах льда, вызванные, по всей вероятности,^ вулканическими событиями, приходятся на временные интервалы 1400- 2200, 3000-3600 и 5200-6400 гг., которые, как следует из радиоуглеродного ряда, совпадают с периодами высокой солнечной активности.

Эти периоды иллюстрируются многочисленными климатическими характеристиками и связанными с ними процессами: подъемом океанов, донными отложениями морей и озер, колебаниями метана в пузырьках льда, видовым составом органического мира в океанах, кривыми изменений среднегодовой температуры воды, результатами пыльцевого анализа, миграцией людей и т. п. [11]. В схему ~2400-летнего цикла укладывается заселение самых северных палеолитических и неолитических стоянок человека, что также совпадает с эпохами потепления.

Для выяснения естественных источников вариаций климата значительный интерес представляют полученные в 1986 г. Ф. Ротлисбергером уникальные данные по флуктуациям оледенении (наступление и отступание ледников) в течение голоцена для различных районов земного шара: Аляски, Южной Америки, Европейских Альп, Гималаев, Новой Зеландии, Скандинавии. Климатические изменения в наступании и отступании ледников зафиксированы, конечно, главным образом через температуру и осадки, но несомненно, что их флуктуации отражают изменения глобальной средней температуры. В комбинациях данных по осцилляциям оледенении можно выделить девять холодных интервалов. Из них наиболее мощные и продолжительные, длительностью в ~500 лет, приходятся на ~300, ~3300, ~4600, 7400 лет назад, а интервалы меньшей длительностью - на ~600, ~1100, ~1400, 2150 и ~2650 лет назад.

И наконец, приведем возможную структуру 2400-летнего солнечного и климатического цикла, которая начинает вырисовываться из анализа имеющихся данных.

Установлено, что на шкале времени, характеризуемой этим периодом, наблюдается повторение теплых и холодных эпох (малых климатических оптимумов и малых ледниковых периодов), их наблюдают как до оледенения, так и во время оледенения и после него. Усиление солнечной активности сопровождается потеплением климата и наоборот. Так, двум сильным ослаблениям солнечной активности (маундеровскому минимуму в XVII в. и шпереровскому минимуму в XV в.) предшествовал средневековый максимум солнечной активности в Х-XIV вв. Удается выделить три фазы этого цикла: активную, фазу депрессии и спокойную. Активной фазе соответствует высокий уровень солнечной активности и малый климатический оптимум, фазе депрессии - ослабление солнечной активности типа минимумов Маундера и Шперера и, соответственно, малый ледниковый период. Последняя фаза следует за активной. Оценки В. Ф. Чистякова дают для спокойной фазы значение ~800 лет. В среднем такой же величиной могут быть оценены и активная фаза, и фаза депрессии.

Рис.7. Структура 2400-летнего цикла: Т - период, dT - спокойная фаза, DТ - промежуток времени между экстремумами активной фазы и фазы депрессии, Q - современная эпоха, t - текущее время. Следуя данному рисунку, можно сказать, что активность Солнца в своей эволюции выходит или уже вышла на спокойную фазу.

1. Douglas A. E. Climatic Cycles and Tree Growth. Washington, 1919. V. 1.

2. Suess H. E. // Science. 1955. V. 122. P. 415-417.

3. De Vries H. // Konikl. Ned. Acad. Wetenshop. 1958. V. 861. P. 94-102.

5. Cross Check ¹⁴С. // Radiocarbon. 1990. V.32, N 3. Р. 253-397.

6. Calibration Issue // Radiocarbon. 1985. V.28. N 2В. Р. 805-1030.

8. Burchuladze A.A.,Pagava S.V.,Povinec P. et al // Nature. 1980. V. 287. P. 320-322.

Сканировано 9.07.1999 С.Гроховский