http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-06-05
新闻背景
据中国科学院网站报道，国家空间科学中心特聘研究员周大庄等科研人员，通过分析碳14显著增长事件和对我国史料记载的研究发现，在公元775年，发生了迄今已知最强的太阳高能粒子事件。本版特约主要研究者就相关问题向读者作科普介绍。
古树碳14增长来历不明
2012年，日本麦亚克研究组发现，日本雪松树年轮在774—775年间的放射性碳14有千分之十二的高增长；欧洲乌叟斯肯等研究组发现，欧洲橡树年轮的放射性碳14具有同样的增长。中国研究者也发现，南中国海珊瑚在773—775年有相似的放射性碳14快速增长。这些结果表明，775年左右碳14的增长是全球性的现象。
科学家们知道，当宇宙射线进入地球大气层时，它们与大气物质发生反应产生中子，中子进一步与氮14原子核发生反应产生碳14，会沉降在树木、珊瑚和冰芯中。因此测量树木、珊瑚和冰芯年轮碳14的变化可以推导宇宙射线的强度变化。
而宇宙射线可以分为银河宇宙射线和太阳宇宙射线两种。前者起源于超新星、脉冲星和其他高能天体活动；后者起源于太阳高能活动——耀斑和日冕物质抛射。地球环境中，在非超高能范围内太阳宇宙射线的强度高于银河宇宙射线。
那么，775年左右的碳14增长到底是来自何方的力量造成的？
超新星爆发可能性很低
研究表明，银河宇宙射线的正常变化幅度低，不可能诱发碳14的高增长，因而应当排除掉，于是碳14高增长的来源可能是具有强粒子发射的太阳粒子事件，和伴有伽马射线发射的超新星爆发。
超新星伽马射线可通过光核反应产生中子，从而产生碳14，因此较早的研究认为超新星是775年左右碳14高增长的一个可能起源。但是研究人员并没有在著名超新星事件SN1006和SN1054对应年代找到碳14增长。据估算，如果775年左右的碳14增长起源于超新星伽马射线，则这个超新星的能量将是普通超新星能量的100倍，这样的事件极难发生。
另一方面，研究人员发现，为了产生类似775年左右的碳14增长，超新星必须距地球约一百光年，这样的事件定会刺眼地亮，远比月光还亮，并且会持续数月之久，这样奇异的现象历史上不会没有记载。同时，因为如此地靠近地球，超新星遗迹一定会仍然可见。事实上，蟹状星云是天空中最亮的超新星遗迹，如果地球附近有相应于775年左右碳14高增长的超新星，它应该比蟹状星云更亮，人类不会看不到。
根据以上分析，必须排除775年左右碳14高增长的超新星起因。
太阳粒子来源的不同意见
这样看来，具有强粒子发射的太阳耀斑和日冕物质抛射，最有可能是775年左右碳14高增长的起因。
但是据日本麦亚克等人计算，775年左右的碳14产生率是每平方厘米6乘10的8次方原子。为了匹配这一高生成率，太阳粒子的通量必须很高。因此他们得出结论：775年左右碳14的增长太快，以至于不能由正常太阳耀斑和日冕物质抛射引起，所以太阳粒子起源的可能性很低，应当抛弃。
但是，这个结论应该是不正确的。原因是他们所使用的碳循环模式忽略了深海——最大的含有92%到95%全部碳的容器，大大地高估了对流层背景碳14浓度。其结果要么是发生在775年左右的一个不可能的超强太阳耀斑和日冕，要么是一个起因未知的超强银河宇宙线事件。
与麦亚克等人不同，乌叟斯肯等人使用了不同的碳循环模式来计算碳14生成率，得到的结果是每平方厘米1.3乘10的8次方原子，大约比麦亚克的计算值低5倍左右。这一较低的碳14生成率，能够合理地与具有强粒子发射的普通强太阳粒子事件相联系。
基于乌叟斯肯小组的研究，如果与碳14高增长相关的事件是太阳粒子事件，那么那一次太阳爆发的能量，大约2倍于1859年的卡林顿太阳粒子事件——过去155年中有记载的最强太阳粒子事件。公元775年左右的太阳爆发事件，应该是过去11400年中最强的太阳爆发事件。
《旧唐书》中记载成关键证据
关键的一环在于，强太阳粒子事件不但产生碳14的高增长，它们也能通过大气原子分子的电离，激发和退激发产生强极光。极光是磁纬较高地区上空大气的彩色发光现象，由于地磁场的作用，高能粒子绕磁力线做螺旋运动向磁极区域漂移，所以极光常见于高磁纬地区。而如果是超新星爆发，则不会引发强度那么大、持续时间那么久的极光。至于其中的科学原理是什么，由于涉及过于专业的内容，我们就不在这里详细解释了。
历史上的强极光事件可能记录在各种历史文献中。早在公元前数千年，中国就开始观测极光，因而有着丰富的极光记录。而775年左右的太阳爆发事件，正是在《旧唐书》中找到了关键的证据。下面介绍的就是旧唐书中的详细记载。
唐朝大历十年 “十二月丙子夜”(即中国农历774年12月11日夜，或公元775年1月17日夜)，“东方月上有白气十余道，如匹帛，贯五车、东井、舆鬼、觜、参、毕、柳、轩辕，三更后方散”。其中“东方月上”指极光大致方位高度；“白气”指极光，是各种不同颜色的综合效果；“匹帛”是展开的丝绸，说明极光呈现的是带状形态；“贯”是贯穿覆盖，表示极光的产生区域；“贯五车、东井、舆鬼、觜、参、毕、柳、轩辕”，说的都是极光在二十八星宿中的星宿方位；“三更后方散”，给出这一超级极光的消散时间是在三更之后，即半夜1至2点之后。
《旧唐书》借助中国星宿图，准确生动地记录了这次强极光。将星宿图上的极光投影到地面可知，极光发生的区域跨越东西南北，覆盖了北半球的相当部分。极光最可能是从晚上5至6点左右持续到半夜1至2点以后，持续时间约为8小时。因为不同能量不同方向的太阳粒子需要不同的时间才能到达地球，它们的产生时间最可能是775年1月14至16日。
基于以上分析讨论可断定：公元775年左右发生了超强太阳粒子事件，这一事件引起了全球碳14高增长和强极光。因此，11400年以来最强超级太阳粒子事件被首次发现鉴定。
延伸阅读
假如发生在今天
将会危及航天员生命
太阳粒子事件中质子占主要地位，相应于775年的太阳质子辐射计算结果显示，近地空间飞船内部的辐射风险为50%到100%，远远超过美国宇航局推荐的3%的终生辐射风险限值，辐射是致命的。
所幸的是，当时人类还没有技术可以破坏，在地球大气层的保护下，775年太阳粒子事件引起的地面辐射风险小于1%，人类得以幸存。
但要是发生在今天，人类就不会这么幸运了。除了航天员的辐射风险，强太阳粒子事件还可能对地面和空间微电子学和光电子学器件、通讯设施以及电力网络产生严重破坏，如1859年的卡林顿强太阳粒子事件，几乎使北半球的电报系统完全瘫痪，因此强太阳粒子事件的辐射防护和预报研究极为重要。
从775年太阳爆发事件研究中我们得到启发，必须寻找鉴定更多的历史强太阳粒子事件。为此我们将广泛调研中外强极光历史资料，测量分析古树和珊瑚年轮碳14的变化，计算太阳高能粒子的强度和辐射，建立数据库，研究数学物理模型，寻找历史上强太阳高能活动和粒子辐射规律，帮助实现空间天气和太阳粒子辐射预报。（周大庄）
[新华网-北京日报]