广州地化所在放射性硫同位素示踪太阳活动取得研究进展

  • 文/广州地化所 图/广州地化所 (中国科学院广州地球化学研究所)
  • 创建于 2022-05-23
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  太阳是太阳系的主要能量来源,控制着地球的气候和水文系统,从而维持地球表生环境的生命活动和宜居性。重建过去的太阳活动历史,对评估异常太阳活动的强度和频率,预测其对宇航员、现代科技通讯和生态系统的影响都有重要意义。高能宇宙射线轰击地球大气可以产生放射性同位素(又称宇生核素,如碳14、铍10等),这些宇生核素存在于地球系统的多个圈层(如大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈等)。由于太阳活动强度可以调节进入太阳系的银河系宇宙射线强度,影响宇生核素在地球大气中的产率(图1),因此我们可以通过测量宇生核素在冰芯、树轮、沉积物等载体中的含量重建过去的太阳活动。
  最近,Heaton等(2021)在《Science》上发表综述文章指出,随着碳14加速质谱分析技术的高速发展,高分辨率分析可以精准鉴别年际尺度的太阳活动异常(如太阳质子事件),甚至可以重建地球磁场变化、超新星爆发等行星和天文极端事件。虽然该领域未来有望蓬勃发展,但最近研究发现,不同宇生核素、不同载体、不同区域的记录在同一时期并不一致,造成甚多争论。产生争论的原因之一,是宇生核素在大气中的产生、转化过程和跨圈层的传输、保存过程十分复杂,现今模型难以准确模拟。
  针对该问题,国科大博士生导师、中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心林莽研究员提出,被学界忽略的放射性硫同位素(硫35,半衰期约87天)可能是重要的破解手段之一。林莽研究员整合了第24太阳周期(2008-2019年)的大气硫酸盐硫35长期观测数据(Priyardashi et al., 2012; Lin et al., 2016, 2018),发现硫35的长期变化与太阳活动11年周期吻合,证明了硫35是太阳活动的忠实记录者。考虑到2015-2016年是近百年最强烈和持久的厄尔尼诺事件,林莽研究员进一步发现,该极端事件引起的区域大气环流变化可改变近地面的硫35含量,类似的极端气候影响在解读其他宇生核素记录时必须被慎重考虑。
  鉴于大气含硫物质对酸雨、人体健康、气候变化的影响,硫在大气科学的研究远比铍等元素丰富和深入,使用大气化学传输模型可对硫35在大气中的转化、传输和沉降过程进行较为准确的模拟。通过硫35观测数据的制约,有望进一步改善模型对铍7、铍10、碳14等宇生核素的大气过程模拟。另外,现今宇生核素产率模型并没有考虑硫35,因此,硫35观测数据可为验证这些核化学模型提供新的制约。林莽研究员建议核化学、大气科学、海洋科学、地球化学等多个领域的科学家联手,构建统一的多圈层宇生核素化学传输模型。该研究对使用宇生核素准确重建过去的天文、地磁和气候事件,预测未来类似的极端事件发生频率和强度,以及评估其对生态系统和人类科技的影响均有重要意义。
  研究成果最近以“Cosmogenic radiosulfur tracking of solar activity and the strong and long-lasting El Nino Events”为题,在综合期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上在线刊出,林莽研究员是论文的第一作者和唯一通讯作者,加州大学圣地亚哥分校Thiemens教授为第二作者。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目(42021002)、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目(ZDBS‐LY‐DQC035)、南方海洋科学与工程广东省实验室重大专项团队项目(GML2019ZD0308)和珠江人才计划(2019QN01L150)的支持。

  原文链接:https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2121550119

图1. 太阳活动影响地球大气放射性硫同位素浓度的示意图。太阳活动强烈(太阳黑子增多)时,太阳风较强,进入太阳系的银河系宇宙射线强度变弱,因此宇生核素产率变小。

责任编辑:刘虹洁