Рис. 1. Дуло 15-метрового каламита, найденный в Хемнице. Фото с сайта palaeocast.com
Разбор древесины раннепермского ископаемого леса, найденного в немецком городе Хемниц, выявил впечатляющее постоянство в нраве солнечной активности. Выяснилось, что 290 млн лет назад, как и сейчас, на Солнце наблюдались 11-летние циклы, связанные с динамикой его магнитного поля. Благодаря воздействию на климат Земли эти циклы отразились на толщине годичных перстней деревьев той далекой эпохи.
Существует немало гипотез, какие связывают климатическую историю нашей планеты с изменениями в нраве солнечной активности. Поэтому особенно важно знать, как стабильным или, наоборот, переменчивым было поведение Солнца в минувшие столетия. До сих пор подобные исследования проводились в основном на довольно коротком отрезке поре, который исчисляется последними несколькими тысячами лет.
О циклах активности Солнца можно судить, так, по концентрации в стволах вековых деревьев изотопа радиоактивного углерода-14, какой образуется в атмосфере под действием вспышек солнечной радиации и космических лучей (S. Vasiliev, V. Dergachev, 2001. The ∼2400-year cycle in atmospheric radiocarbon concentration: bispectrum of 14C data over the last 8000 years). Иной космогенный изотоп, бериллий-10 (см. Изотопы бериллия), накапливается во льдах Антарктики и Гренландии — потому ледяные керны также могут использоваться в качестве архива, где записаны основные события из жития нашего светила (F. Steinhilber et al., 2012. 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings).
Сотрудники Фрайбергской горной академии (Германия) отворили куда более древнюю летопись солнечной активности, запечатленную в древесине ископаемого леса пермского этапа. Остатки этого леса залегают прямо под саксонским городом Хемниц. Лес воображает собой уникальный пример палеозойской экосистемы, застывшей во поре: подобно античному Геркулануму, он был погребен пирокластическим потоком при извержении вулкана, какое случилось примерно 290 млн лет назад (см.: Окаменевший лес в Хемнице).
Лес, произраставший на пункте современного Хемница, состоял из древовидных папоротников Psaroniaceae, древовидных хвощей каламитов, семенных папоротников Medullosales и хвойных кордаитов (Cordaitales). Для тогдашнего климата было характерно чередование влажных и засушливых сезонов, что приводило к возникновению годичных перстней в древесине — именно по вариациям в их толщине исследователи и смогли реконструировать солнечные циклы того поре.
Рис. 2. Годичные кольца в древесине голосеменного Agathoxylon, входившего в состав пермского леса в Хемнице: A — всеобщий вид, B — увеличенный участок, на котором видны отдельные сосуды. C — пеньки, оставшиеся от деревьев, погребенных пирокластическим потоком. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology
Итого авторы статьи изучили поперечные срезы 43 наиболее сохранившихся дул, относящихся ко всем выше перечисленным группам древесных растений. В совокупности было проанализировано 1917 годичных перстней (древесина самого возрастного из изученных деревьев в момент его крахи насчитывала 77 колец). Поскольку многие деревья бывальщины погребены заживо, прямо в вертикальном положении, они являлись современниками, что позволило соотнести их годичные перстни друг с другом. В результате была создана единая дендрохронологическая шкала, охватывающая заключительные 79 лет существования леса.
Циклы утолщения и истончения годичных перстней совпали друг с другом в 30 изученных стволах. За 79 лет, предшествовавших извержению вулкана, в древесине пермского леса возникло шесть таких циклических последовательностей, продолжавшихся 9–11 лет. Средняя продолжительность цикла составляет 10,62 года, что весьма хорошо соответствует 11-летнему циклу Солнца (в наши дни его посредственная продолжительность равна 11,12 годам, но за время систематических наблюдений она варьировала от 9 до 13,7 лет).
Рис. 3. А — Варьирование индекса прироста годичных перстней на протяжении последних 79 лет существования пермского леса (черноволосая линия показывает средний индекс прироста, синяя черта (max. value curve) отвечает максимальным значениям индекса прироста среди рассмотренных образчиков, красная — минимальным); хорошо различимы 11-летние циклы. B — итоги анализа данных: вейвлет-диаграмма, на которой представлены гипотетические циклы солнечной активности, соответственные дендрохронологической последовательности. По горизонтальной оси отложены номера годичных перстней, по вертикальной (слева) — предполагаемая длина цикла. Красно-желтые пятна указывают на наиболее вероятные длины циклов активности. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology
11-летние циклы солнечной активности (циклы Швабе) расписываются, начиная с XVII века, когда были изобретены телескопы, позволяющие разглядеть пятна на Солнце. В начине цикла пятен на Солнце очень мало, затем их число нарастает и потом вновь идет на спад. Пятна — беспросветные участки на поверхности Солнца с пониженной температурой — образуются в тех пунктах, где его магнитное поле подавляет активность фотосферы. Раз в 11 лет нордовый и южный полюса магнитного поля Солнца меняются пунктами — по одной из версий процесс этой реверсии и стоит за циклическими колебаниями числа солнечных пятен.
Рис. 4. Солнце по пора 23-го цикла активности. Показаны снимки нижней короны с 1996 по 2006 год. В начине и конце цикла наблюдались минимумы активности, в середине цикла (2000–2002 годы) был максимум. Фото с сайта nasa.gov
Популярно, что амплитуда 11-летних солнечных циклов может сильно варьировать. Так, в 1645–1715 годах наблюдался так называемый минимум Маундера. В это пора даже в пиковый период 11-летнего цикла пятен на Солнце возникало на несколько распорядков меньше, чем в предыдущее и последующие столетия. Недавно российские ученые вычислили, что такие спады случаются раз в 350–400 лет, и мы сейчас как раз близимся к одному из них (V. Zharkova et al., 2015. Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium timescale). Закономерности поведения Солнца в немало долгосрочной перспективе известны куда хуже, поэтому существование 11-летних солнечных циклов в далеком прошедшем представляется отнюдь не столь очевидным, как это может показаться на первоначальный взгляд.
И всё же древесина пермского Хемница свидетельствует, что в ранней перми такие циклы имели пункт и, следовательно, магнитное поле Солнца вело себя образцово так же, как сейчас. Конечно, на толщине годичных колец его динамика могла отпечатлеться лишь косвенным образом. А именно, периодическая активизация магнитного поля Солнце экранирует Солнечную систему от проникновения космических лучей извне. Во пора магнитных бурь на Солнце снижается интенсивность космических лучей, фиксируемых орбитальными станциями (эффект Форбуша). Это же происходит и на пике 11-летнего цикла, когда растет число солнечных пятен и, следственно, активность магнитного поля Солнца (J. Lockwood, W. Webber, 1967. The 11-year solar modulation of cosmic rays as deduced from neutron monitor variations and direct measurements at low energies).
Популярно, что космические лучи ионизируют атмосферу, что приводит к усиленному образованию облаков (H. Svensmark, E. Friis-Christensen, 1997. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage — a missing link in solar-climate relationships). Воздействуя на интенсивность этого процесса, 11-летние солнечные циклы тем самым могут регулировать число осадков и, следовательно, замедлять или увеличивать скорость роста древесины. Собственно этот механизм, считают авторы статьи, и превратил пермские деревья в регистраторы солнечной активности.
Наверняка в подобный роли выступали деревья и в другие эпохи, что делает ископаемую древесину натуральном кладезем информации об исторической динамике Солнца. Сейчас заинтересованность к этой теме только начинает пробуждаться — так, в 2013 году бразильские ученые попытались реконструировать солнечную активность по годичным перстням бразильских голосеменных, датируемых рубежом триаса и юры (A. Prestes et al., 2013. Imprint of Climate Variability on Mesozoic Fossil Tree Rings: Evidences of Solar Activity Signals on Environmental Records Around 200 Million Years Ago?). Окаменевшие леса встречаются, начиная с запоздалого девона, так что теоретически по ним можно реконструировать последние 400 миллионов лет истории Солнца — возле 10% всего периода его существования (см.: Самый древний лес на Земле был по крайней мере трёхъярусным, «Элементы», 22.03.2012).
