Modernin ajan suurinta aurinkomyrskyä jäljitettiin Lapin puiden vuosirenkaista

Carringtonin aurinkomyrsky vuodelta 1859 on suurin historiankirjoihin kirjattu aurinkomyrsky keskiajan jälkeen. Se näkyi auringonpilkkuina, lennätintoimistojen tulipaloina ja muina häiriöinä sähköverkoissa sekä revontulina matalillakin leveysasteilla.

Helsingin yliopiston, Luonnonvarakeskuksen (Luke) ja Oulun yliopiston yhteistutkimuksessa löydettiin vuosirenkaista ensimmäistä kertaa merkki Carringtonin aurinkomyrskyn jälkeisestä radiohiilipitoisuuden noususta. Aiemmin radiohiilijälkiä on paikannettu vain tätä rajummista aurinkomyrskyistä.

Kosminen merkkiaine paljastaa

Kun auringosta purkautunut voimakas ionisoitunut hiukkaspilvi eli plasmavirtaus kohtaa Maan magneettikehän, syntyy magneettinen myrsky. Maan magneettikenttä ohjaa aurinkomyrskyjen hiukkaset maan ilmakehään pääosin arktisten alueiden kautta. Ilmiön näkyvin seuraus ovat revontulet.

Tarpeeksi suurienergiset hiukkaset voivat tuottaa yläilmakehässä ydinreaktioiden kautta myös hiilen radioaktiivista isotooppia eli radiohiiltä (14C). Radiohiili päätyy kuukausien ja vuosien kuluessa alailmakehään ja osaksi ilmakehän hiilidioksidia, ja yhteyttämisen kautta kasveihin. Yhteyttäminen säilöö hiilidioksidin sisältämää tietoa puun vuosirenkaisiin eli vuosilustoihin.

Radiohiilitiedon saamiseksi puusta vuollaan kunkin vuoden aikana kasvanut puumateriaali erillisiksi näytteiksi, muunnetaan näytteet selluloosaksi ja selluloosa puhtaaksi hiileksi polttamalla ja kemiallisen pelkistyksen avulla. Puhtaasta hiilestä mitataan radiohiilen osuus hiukkaskiihdyttimellä.

– Radiohiili on kuin kosminen merkkiaine, joka kertoo maan, aurinkokunnan ja ulkoavaruuden ilmiöistä, kuvaa tutkimusta vetänyt johtaja Markku Oinonen Helsingin yliopiston Ajoituslaboratoriosta.

Auringonpurkaukset kartalle

Carringtonia vastaava hiukkaspurkaus nykyaikana häiritsisi sähkö- ja mobiiliverkkoja ja aiheuttaisi suuria ongelmia satelliitti- ja navigaatiojärjestelmille ja siten esimerkiksi lentoliikenteelle. Siksi tarkentuva tieto auringon käyttäytymisestä hyödyttää yhteiskuntaa.

Carringtonin purkausta pienempiä ja yleisempiä auringon purkauksia pystytään tutkimaan mittauslaitteilla ja satelliiteilla, suurempia muun muassa puiden vuosirenkaiden radiohiilimittauksista.

Vain "keskikokoisia", Carringtonin tapahtuman kaltaisia purkauksia, joita ei ole tapahtunut modernina aikana ja jotka eivät ole näkyneet perinteisellä tavalla radiohiiliarkistoissa, ei ole pystytty tutkimaan. Tuore tutkimus avaa potentiaalisen uuden tavan tutkia Carringtonin kokoluokan purkausten yleisyyttä, mikä voi auttaa paremmin varautumaan tulevaisuuden uhkiin.

Hiilen kulku tarkemmaksi

Tulosten tulkinnassa hyödynnettiin Oulun yliopiston tutkijoiden teoreettista mallia, joka kuvaa radiohiilen syntyä ja kiertoa ilmakehässä.

– Dynaaminen hiilen kulkeutumismalli on kehitetty kuvaamaan erityisesti sitä, kuinka maantieteelliset erot radiohiilen kulussa syntyvät, sanoo tutkija Kseniia Golubenko Oulun yliopistosta.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa oli merkittävää, miten Lapin puiden radiohiilipitoisuus poikkesi matalampien leveysasteiden puiden radiohiilipitoisuuksista. Ensimmäiset mittaukset tehtiin Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa, ja kahdessa muussa laboratoriossa tehdyt toistomittaukset vähensivät merkittävästi mittauksiin aiemmin liittyneitä epävarmuustekijöitä.

Tutkimustulos voi auttaa paremmin ymmärtämään ilmakehän dynamiikkaa ja hiilen kiertoa ajalta ennen ihmisen aiheuttamia fossiilisia päästöjä. Sen avulla nykyisiä hiilenkiertomalleja voidaan kehittää entistä yksityiskohtaisemmiksi.

– On mahdollista, että auringonpurkauksen aiheuttama radiohiiliylijäämä kulkeutui alailmakehään ensisijaisesti pohjoisten alueiden kautta, vastoin yleistä käsitystä sen liikkeestä, väitöskirjatutkija Joonas Uusitalo Ajoituslaboratoriosta pohtii.

Radiohiilen muut lähteet

– On myös mahdollista, että auringon aktiivisuuden vaihtelusta johtuva syklinen muutos yläilmakehän radiohiilen tuotannossa on johtanut tuloksissamme näkyviin paikallisiin eroihin maanpinnan tasolla, Joonas Uusitalo lisää.

Uusitalo kertoo, että vaikka poikkeuksellisen voimakkaat aurinkomyrskyt synnyttävät ilmakehään kertarysäyksen radiohiiltä, eniten radiohiiltä aiheuttavat auringon ulkopuolelta tulevat galaktiset kosmiset säteet. Näitä puolestaan pyyhkii vähäisemmäksi aurinkotuuli, Auringosta lähtöisin oleva jatkuva hiukkasvirta, joka voimistuu ja heikkenee 11 vuoden sykleissä.

Aihe tarvitsee lisätutkimusta. Historiankirjoista tiedetään, että myös vuosina 1730 ja 1770 tapahtui merkittävät magneettiset myrskyt, joten seuraavat askelet otettaneen niiden jäljittämiseen.

Nyt julkaistu tutkimus on tehty Helsingin yliopiston Ajoituslaboratorion ja fysiikan osaston sekä Luonnonvarakeskuksen yhteistyöhankkeena. Mukana on ollut myös Oulun yliopiston, Nagoyan ja Yamagatan yliopistojen sekä ETH Zurichin tutkijoita. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Suomen kulttuurirahasto ja Emil Aaltosen säätiö.

Alkuperäinen artikkeli: Joonas Uusitalo, Kseniia Golubenko, Laura Arppe, Nicolas Brehm, Thomas Hackman, Hisashi Hayakawa, Samuli Helama, Kenichiro Mizohata, Fusa Miyake, Harri Mäkinen, Pekka Nöjd, Eija Tanskanen, Fuyuki Tokanai, Eugene Rozanov, Lukas Wacker, Ilya Usoskin, Markku Oinonen. Transient Offset in 14C After the Carrington Event Recorded by Polar Tree Rings. AGU, 2024. DOI: 10.1029/2023GL106632

Lisätietoa

Joonas Uusitalo, väitöskirjatutkija
Helsingin yliopisto
joonas.uusitalo@helsinki.fi
p. 0458864698

Thomas Hackman, yliopistotutkija
Helsingin yliopisto
thomas.hackman@helsinki.fi
050 4486 258

Markku Oinonen, laboratoriojohtaja
Helsingin yliopisto
markku.j.oinonen@helsinki.fi
p. 050 3187 302

Kseniia Golubenko, tutkijatohtori
Oulun yliopisto
Kseniia.Golubenko@oulu.fi
p. 044 9507 665

Ilya Usoskin, professori
Oulun yliopisto
Ilya.Usoskin@oulu.fi
050 3441 247

Samuli Helama, tutkija
Luonnonvarakeskus
samuli.helama@luke.fi
p. 029 5325 047