Zonneactiviteit gereconstrueerd gedurende een millennium

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van ETH Zürich (*) heeft de 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 een nauwkeurigere datering van organische materialen mogelijk te maken met behulp van de C14-methode.

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

Hoe de zonneactiviteit zich ontwikkelde vóór het begin van systematische registraties is tot dusver echter moeilijk te reconstrueren. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Hans-Arno Synal en Lukas Wacker van het Laboratorium voor Ionenbundelfysica aan de ETH, waaronder het Max Planck Instituut voor Zonnestelselonderzoek in Göttingen en de Universiteit van Lund in Zweden, heeft nu de elfjarige cyclus ​​van de zon getraceerd en dit helemaal tot het jaar 969 met behulp van metingen van de concentratie van radioactieve koolstof in boomringen.

Tegelijkertijd hebben de onderzoekers zo een belangrijke database gecreëerd voor een nauwkeurigere leeftijdsbepaling met behulp van de C14-methode. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Geoscience.

Zonneactiviteit van boomringen

Om de zonneactiviteit over een millennium te reconstrueren met een extreem goede tijdsresolutie van slechts één jaar, gebruikten de onderzoekers boomringarchieven uit Engeland en Zwitserland. In die boomringen, waarvan de leeftijd nauwkeurig kan worden bepaald door de ringen te tellen, bevindt zich een heel klein deel van de radioactieve koolstof C14, waarbij slechts één op de 1000 miljard atomen radioactief is.

Uit de bekende halveringstijd van de C14-isotoop - ongeveer 5700 jaar - kan dan de concentratie radioactieve koolstof in de atmosfeer worden afgeleid 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 de aarde beschermd wordt - is het mogelijk om de zonneactiviteit af te leiden uit een verandering in de concentratie van C14 in de atmosfeer.

Bij de foto: Zonneactiviteit over de afgelopen 1000 jaar (blauw, met foutinterval in wit), zonnevlekrecords (rode curve) die minder dan 400 jaar teruggaan. De achtergrond toont een typische elfjarige cyclus van de zon. Illustratie: ETH Zürich.

Betere resultaten door moderne detectietechnieken

Nauwkeurige metingen van een verandering in die toch al zeer kleine concentratie lijken echter 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 worden radioactieve vervalgebeurtenissen van C14 in een monster direct geteld met behulp van een geigerteller, waarvoor relatief veel materiaal nodig is en door de lange halveringstijd van C14 zelfs meer tijd. “Met behulp van moderne versneller-massaspectrometrie konden we de C14-concentratie nu in slechts enkele uren tot op 0,1 procent meten met duizend keer kleinere boomringmonsters”, vult promovendus Nicolas Brehm aan, die verantwoordelijk was voor die analyses.

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

Bij de foto: Met de nieuwe instrumenten die aan de ETH zijn ontwikkeld (rechts), kunnen onderzoekers kleine veranderingen van enkele tienden van een procent in die concentratie meten en de zonneactiviteit uit het verleden reconstrueren. Illustratie: ETH Zürich

Regelmatige elfjarige cyclus gedurende een millennium

Deze procedure stelde de onderzoekers in staat om de zonneactiviteit van 969 tot 1933 naadloos te reconstrueren. Vanaf 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) ook kleiner is tijdens langdurige zonneminima. Dergelijke inzichten zijn belangrijk voor een beter begrip van de interne dynamiek van de zon.

De meetresultaten lieten ook een bevestiging van de zonne-energetische protonengebeurtenis van 993 toe. In zo'n geval veroorzaken sterk versnelde protonen die de aarde bereiken tijdens een zonnevlam een ​​lichte overproductie van C14. Bovendien vond het onderzoeksteam ook bewijs van twee andere, 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.

Preciezere datering volgens de C14-methode

Omdat boomringarchieven al 14.000 jaar bestaan, willen de onderzoekers in de nabije toekomst hun methode gebruiken om de jaarlijkse C14-concentraties te bepalen tot aan het einde van de laatste ijstijd. Als een soort “extra” kunnen de gegevens in de nieuwe studie gebruikt worden om organisch materiaal veel nauwkeuriger te dateren met behulp van de C14-methode en zijn ze al opgenomen in de laatste editie van de internationaal erkende radiokoolstofkalibratiecurves (IntCal).

"ETH was nog niet eerder bij die referentiedatabase betrokken", zegt Lukas Wacker, "maar met onze nieuwe resultaten hebben we nu een derde van de metingen in één keer bijgedragen."

Auteur: Jan Vyvey
Bron: ETH Zürich

(*) De Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, afgekort ETH Zürich, is een universiteit in de Zwitserse stad Zürich. Het is een zusteruniversiteit van de Franstalige École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Het ETH is in tegenstelling tot de Universiteit Zürich een federaal instituut, waardoor het onder direct bestuur van de bondsstaat Zwitserland staat.

In totaal studeren aan de ETH 15.000 studenten en promovendi en zijn er ongeveer 550 professoren. Het totaalbudget bedroeg in 2010 ongeveer 1,4 miljard Zwitserse franken. Circa twintig alumni of hoogleraren van de ETH Zürich, waaronder Wilhelm Röntgen, Wolfgang Pauli en Albert Einstein, hebben sinds 1901 een Nobelprijs ontvangen. Ook vele alumni werkzaam op gebieden waar geen Nobelprijs wordt uitgereikt, zoals wiskunde (Niklaus Wirth en Georg Cantor) en architectuur (Hendrik Petrus Berlage) zijn wereldwijd bekend. De universiteit wordt tot de 10 beste ter wereld gerekend.

Bron: Wikipedia