מדי פעם, המדע מציג בפנינו חידה המתגלה כהפתעה מוחלטת. בדרך כלל, כאשר אנו חותכים עץ ומתחילים לבחון את הטבעות בחיתוך, אנו מוצאים עקבות של סוגים שונים של פחמן על טבעות אלה, כולל פחמן -12, פחמן -13 ופחמן -14. אמנם הפרופורציות של פחמן 12 ופחמן 13 לא משתנות לאורך זמן, אך פחמן 14 הוא סיפור אחר לגמרי. כמותו יורדת לאט בחצי תקופה של קצת יותר מ -5000 שנים, וההבדל האופייני לתכולה בטבעות שנתיות הוא 0.06%.
עם זאת, בשנת 2012, קבוצת מדענים יפנים ניתחה טבעות עצים משנת 774-775 שנים, ותגלית מפתיעה ציפתה להן. במקום השינויים הרגילים שהיו רגילים אליהם, הם מצאו זינוק חד בפחמן -14, כלומר פי 20 מהכמות הרגילה שלו. לאחר כמה שנים של מחקר, האשם לתופעה זו התגלה - זו הייתה השמש. להלן סיפור מדעי על האופן שבו למדנו על כך.
לפני זמן רב מערכת השמש שלנו נוצרה מענן גז מולקולרי. בנוסף למימן והליום שנותרו מהמפץ הגדול, ענן זה הכיל מספר יסודות כבדים שהרכיבו את שאר הטבלה המחזורית, שחזרו אל המדיום הבין כוכבי מהפסולת של דורות קודמים של כוכבים. ביניהם בלט אלמנט אחד - פחמן, היסוד הרביעי בשכיחותו ביקום כולו.
רוב הפחמן על פני כדור הארץ מאירוע כל כך רחוק הוא פחמן 12, שיש בו שישה פרוטונים ושישה נויטרונים בגרעין שלו. חלק קטן מאוד מהפחמן שלנו, כ -1.1%, קיים כפחמן -13, שיש לו נויטרון אחד יותר מהפחמן -12 הנפוץ יותר. אבל יש צורה אחרת של פחמן שהוא לא רק נדיר אלא גם לא יציב-פחמן -14 (יש לו שני נויטרונים נוספים בהשוואה לפחמן -12), והוא זה שמחזיק את הרמז.
שלא כמו פחמן -12 ופחמן -13, פחמן -14, עם שש הפרוטונים שלו ושמונה נויטרונים בגרעין שלו, אינו מטבעו יציב. מחצית החיים של פחמן -14 היא מעט יותר מ -5000 שנים, ואז האטומים שלו הופכים לחנקן -14, פולטים אלקטרון אחד ואנטי-אלקטרון, או נייטרינו. כל אטומי הפחמן -14 שנוצרו לפני היווצרות כדור הארץ היו צריכים להתפרק מזמן, ולא הותירו עקבות.
עם זאת, ניתן למצוא פחמן 14 על כדור הארץ. בערך לאחד מכל טריליון אטומי פחמן יש שמונה נויטרונים, דבר המצביע על כך שיש איזו איזופופים לא יציבים אלה שיכולים להיווצר על הפלנטה שלנו. במשך זמן רב ידענו שקיים פחמן -14, אך מקורו נותר לא ברור. אולם במאה ה -20 הבנו זאת לבסוף: פחמן 14 נובע מחלקיקים קוסמיים טעונים באנרגיה גבוהה המתנגשים עם עולמנו. היקום מלא בחלקיקים מסוג זה בעלי מטען אנרגיה גבוה. הם ידועים גם כקרניים קוסמיות, ומקורותיהם הם השמש, כוכבים, כוכבים מתים, חורים שחורים ואפילו גלקסיות מעבר לשביל החלב. רובם פרוטונים פשוטים, אך לחלקם יש גרעינים אטומיים כבדים יותר, אחרים הם אלקטרונים, אך יש אפילו מספר קטן של פוזיטרונים - אלה שווי ערך של אלקטרונים העשויים מחומר אנטי -חומר.
ללא קשר להרכבם, הדבר הראשון בו נתקלים קרניים קוסמיות כאשר מתקרבים לכדור הארץ הוא האטמוספירה שלו, וכתוצאה מכך עולות מספר תגובות שרשרת ואינטראקציות. ברגע זה נוצר מגוון רחב של חלקיקים חדשים, כולל פוטונים, אלקטרונים, פוזיטרונים, חלקיקי אור לא יציבים (מזונים ומיונים), כמו גם חלקיקים מפורסמים יותר כמו פרוטונים וניוטרונים. בפרט, נויטרונים הם קריטיים ליצירת פחמן 14.
רוב האטמוספירה של כדור הארץ - כ -78% - מורכבת מגז חנקן, שהוא בעצמו מולקולה דיאטומית המורכבת משני אטומי חנקן. בכל פעם שנויטרון מתנגש בגרעין חנקן, המורכב משבעה פרוטונים ו -7 נויטרונים, קיימת הסתברות מסוימת שהם יכולים ליצור אינטראקציה עם גרעין זה ולהחליף את אחד הפרוטונים שלו. כתוצאה מכך, אטום החנקן -14 (עם נויטרון) הופך לאטום פחמן -14 (עם פרוטון).
לאחר שייצרת פחמן 14, הוא מתנהג כמו כל אטום פחמן אחר. הוא יוצר בקלות פחמן דו חמצני באטמוספירה שלנו. הוא גם מתערבב עם האטמוספרה והאוקיינוסים. הוא חודר לצמחים, נצרך על ידי בעלי חיים, והוא חודר בקלות לאורגניזמים חיים עד שהוא מגיע לריכוז שיווי משקל. כאשר האורגניזם מת (או כשהטבעת בגזע העץ נוצרת במלואה), לא יחדור לתוכה אטומי פחמן -14 חדשים, ולאחר מכן כל אטומי הפחמן -14 הקיימים מתחילים להתפרק לאט אך בהתמדה.
כאשר אתה שומע את המונח "תאריכי פחמן", לזה מתכוונים המדענים: הם מודדים פחמן 14 ביחס לפחמן 12. אם נדע את היחס בין פחמן -14 לפחמן -12 שהיה קיים באורגניזם חי (מכיוון שהוא בדרך כלל שונה בכ -0.06% בלבד בשנה), ויש לנו גם את היחס בין פחמן -14 לפחמן -12 עד היום (חלק מהאטומים שלו כבר התפרקו בשל אופיו הרדיואקטיבי הבלתי יציב), ואז על סמך נתונים אלה נוכל לקבוע מאיזו תקופה אורגניזם זה חדל לקבל כמות נוספת של פחמן -14.
למיטב הבנתכם, רמת הפחמן -14 בעולם נשארה כמעט קבועה במהלך אלפי השנים האחרונות. השינוי היחיד, לפחות בתחילת שנות ה -2010, נבע מפיצוצים של פצצות גרעיניות באטמוספירה. עם זאת, בשנת 2012 כל העולם המדעי היה המום: שני ארזים שונים המתחילים בערך ב -774/775, כמו גם הטבעות שלהם, נותחו על ידי מומחים יפנים על תכולת הפחמן -14, והם מצאו זינוק משמעותי במדדים., שבמקרים מסוימים התברר כי הוא פי 20 יותר ממה שניתן להסביר בתנודות טבעיות.
ההסבר הסביר היחיד יכול להיחשב כך - בערך בתקופה זו, כדור הארץ היה נתון להפגזה עזה של קרניים קוסמיות, שזו הסיבה לעלייה הכמותית במדדי הפחמן -14. אמנם ההבדל הזה הוא לא משמעותי במונחים אבסולוטיים - רק 1.2% יותר פחמן -14 מהרגיל - אך עם זאת הוא הרבה יותר מהתנודות הרגילות שאנו מכירים.
יתר על כן, נחשף אז גל דומה בשלוש טבעות שנתיות נוספות באזורים שונים בעולם - מגרמניה ורוסיה ועד ניו זילנד וארצות הברית. התוצאות שנמצאות במדינות שונות חופפות, וההסבר לתופעה זו יכול להיות שונה מאוד - החל מפעילות מוגברת של השמש והתלקחויות קוסמיות ועד להשפעה ישירה של פרץ קרני גמא רחוק. עם זאת, מספר תצפיות היסטוריות ומדעיות נוספות נוספו לנתונים על פחמן -14 לאורך זמן, וזה מה שאיפשר לנו לפתור את התעלומה הזו.
בימי קדם, "צלב אדום נראה בשמים", שתועד בכרוניקה האנגלו-סכסית משנת 774, וזה יכול להיות קשור או לסופרנובה (לא נמצא זכר לכך) או לאירוע האורוראלי. "סערה" חריגה נרשמה בסין בשנת 775, וזה היה אירוע בולט, שכן אין אזכור לתופעה כזו אחרת.
בנוסף, נתוני ליבות קרח אנטארקטיקה נוספו לנתוני גזע העץ.בעוד שטבעות העצים מציגות זינוק בקריאת הפחמן בשנת 774/775, נתוני ליבת הקרח מראים עלייה דומה ברליום -10 רדיואקטיבי וכלור -36. על סמך זה ניתן להניח כי קיים קשר לאירוע אנרגיה משמעותי בהשתתפות חלקיקי השמש. מן הסתם ניתן להשוות תופעה מסוג זה עם "אירוע קרינגטון" המפורסם בשנת 1859 - זוהי סערת השמש החזקה ביותר בהיסטוריה האחרונה. והתיעוד ההיסטורי תומך גם בהסברים מסוג זה.
בנוסף, התגלו שתי תופעות נוספות שעשויות להראות קפיצות דומות באיזוטופים אלו: עלייה מעט קטנה יותר בשיעורים בשנת 993/994, ואירוע מוקדם יותר החל משנת 660 לפני הספירה. הנתונים מכל האירועים הללו מצביעים על מקור משותף, שבוודאי כלל שטף גדול של פרוטונים עם מדדי אנרגיה מסוימים.
זה מתאים לאירועים השכיחים יחסית המתרחשים בשמש - אנו מדברים על פליטת פרוטונים סולאריים. עם זאת, הדבר אינו תואם את התרחיש עם פיצוץ גמא, וכתוצאה מכך לא נוצרים שטפי הפרוטונים המתאימים, מה שיכול להסביר את ההיווצרות בו זמנית של בריליום 10. אותה קבוצה יפנית, שחבריה הציעו במקור פיצוץ גמא כהסבר לנתוני 774/775 על טבעות העץ, לאחר שבחנו את המדידות שלהם לגבי אירועי 993/994, הגיעו למסקנה הבאה:
"סביר מאוד שלאירועים אלה הייתה סיבה אחת. בהתחשב בתדירות מוגברת של אירועים הכוללים פחמן 14, אנו יכולים לומר שפעילות סולארית היא הסיבה הסבירה לאירועים אלה ".
מדי פעם השמש זורקת למעשה חלקיקים טעונים אנרגטית ישירות לכיוון כדור הארץ. לפעמים השדה המגנטי של כוכב הלכת שלנו משקף אותם, ולפעמים הוא מכוון חלקיקים אלה לאטמוספירה שלנו. כשהם מגיעים לאטמוספירה של כדור הארץ, הם יכולים ליצור אורורה, להרוס שדות מגנטיים מקומיים, וגם - אם אנחנו מתקדמים מספיק מבחינה טכנולוגית - הם יכולים לגרום לכל מיני הפרעות ברשתות ובמכשירים החשמליים שלנו, וזה יכול לפגוע בתשתיות של טריליוני דולרים.
כיום אנו יודעים על קיומם של מגוון אירועים הקשורים לשמש המשפיעים על כדור הארץ. למדנו גם שהתופעות הגדולות ביותר מתרחשות לעתים קרובות יותר מפעם אחת במילניום. איננו יכולים לחזות מתי יתרחש אירוע חדש מסוג זה, אך אנו יכולים להיות בטוחים כי השלכותיו על החברה האנושית יהיו משמעותיות מאוד. בעתיד תהיה עוד קפיצה בפחמן -14, אבל אז הרבה דברים על הפלנטה שלנו יושפעו מתופעה זו, לא רק טבעות עצים וליבות קרח. כולנו חייבים להחליט באופן קולקטיבי כיצד עלינו להתכונן לכך.
