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是什么导致在1200多年前地球上的碳-14急剧增加?

蜗牛卖萌
2021/5/5 16:01:05
是什么导致在1200多年前地球上的碳-14急剧增加?
最佳答案:

科学每隔一段时间就会给我们带来一个神秘的惊喜,这是一个完全的惊喜。通常,当我们切开一棵树并检查其年轮时,我们会在每个年轮中发现三种不同形式的碳:碳-12,碳-13和碳-14。尽管碳12和碳13的比例似乎不会随时间变化,但碳14却是另一回事。它的丰度缓慢衰减,碳-14半衰期超过5,000年,在年轮中,每年的典型变化约为0.06%。

  • 图注:尽管在太阳外层发生了诸如耀斑,日冕物质抛射,太阳黑子和其他复杂物理等暴力事件,但太阳的内部相对稳定:以内部温度和每个内部层密度定义的速率产生聚变。 但是,这些表面动力学可能会对恒星的行星产生巨大影响,包括行星地球。

但是在2012年,一日本研究人员小组分析了可追溯到774~775年的树年轮,当时他们发现一个巨大的惊喜。他们看到的峰值不是正常的变化,而是正常值的20倍。经过多年的分析,终于发现了导致该现象产生的罪魁祸首:太阳。为什么说是太阳导致了碳-14急剧增加呢?

  • 图注:原行星盘的图示,其中行星和小行星首先形成,当行星和小行星形成时,在它们之间产生“间隙”。一旦中央原恒星变得足够热,它就开始吹散周围原行星系统中最轻的元素。太阳前星云可能由各种放射性同位素组成,但是具有短半衰期的原子(如碳-14)到今天已经消失了。

很久以前,我们的太阳系是由气体分子云形成的。从大爆炸中遗留下来的氢气和氦气中埋藏着全套元素,这些元素构成了元素周期表的其余部分,并从前几代恒星的残骸返回到星际介质。在这些元素中,最突出的是碳,它是整个宇宙中第四大最常见的元素。

地球上存在的大部分碳是碳-12,由6个质子和6个中子组成。我们的碳的一小部分(约1.1%)以碳-13的形式出现,与更常见的碳-12相比,有一个额外的中子。但是,还有另一种形式的碳,不仅罕见,而且不稳定,碳-14(在碳-12上加了两个中子),这是解开这一谜团的关键。

  • 图注:所有碳原子在其原子核中均包含6个质子,但自然界中存在三种主要变体。碳-12具有6个中子,是最常见的稳定碳形式。 碳-13有7个中子,占稳定碳余下的1.1%; 碳-14不稳定,半衰期超过5,000年,但在地球大气层中不断形成。

与碳-12和碳-13不同,碳-14具有六个质子,但原子核中有八个中子,因此固有地不稳定。半衰期略超过5,000年,碳-14原子将衰变为氮-14,并在衰变发生时发射出电子和反电子中微子。任何在地球形成之前产生的碳-14原子都会在很久以前就全部衰变,没有留下任何原子。

但是在地球上,我们确实有碳-14。每1万亿个碳原子中,大约有1个原子中有8个中子,这表明地球上必须有某种方法才能产生这些不稳定的同位素。长期以来,我们知道碳-14的存在,但我们不了解它的起源。但是,在20世纪,我们终于弄清楚了:碳-14来自与我们世界碰撞的高能宇宙粒子。

  • 图注:宇宙射线是起源于整个宇宙的超高能粒子,它们撞击高层大气中的质子并产生新粒子的阵雨。快速移动的带电粒子也由于切伦科夫辐射而发光,因为它们的移动速度快于地球大气中的光速,并产生可在地球上被检测到的次级粒子。

从太阳、恒星、恒星残荷和黑洞,甚至银河系外的星系等来源,太空中都充满了这些被称为宇宙射线的高能粒子。它们大多数是简单的质子,但是有些是较重的原子核,有些是电子,还有一些甚至是正电子:电子的反物质对应物。

无论它们的组成如何,当宇宙射线遇到地球时,它们首先碰撞的就是我们的大气层,这将导致相互作用的连锁反应。将会产生各种各样的新粒子,包括光子、电子、正电子、介子和介子等不稳定的轻粒子,以及质子和中子等更常见的粒子。尤其是,中子对碳-14的产生极其重要。

  • 图注:宇宙射线阵雨和一些可能的相互作用。请注意,如果带电的离子(左)在原子核衰变之前撞击核,则会产生阵雨,但如果先衰变(右),则会产生介子,该介子将到达表面。宇宙射线产生的许多“子”粒子包括中子,可将号氮-14转化为碳-14。

地球上大部分大气(约78%)由氮气组成,氮气本身就是由两个氮原子组成的双原子分子。 每次中子与由7个质子和7个中子组成的氮核碰撞时,都有一定的概率会与该核发生反应,从而取代其中一个质子。结果,氮-14原子(和中子)转变为碳14原子(和质子)。

一旦生产出碳-14,它的行为就与其他任何碳原子一样。它容易在我们的大气层中形成二氧化碳,并在整个大气层和海洋中混合。它被植物吸收,被动物消耗,很容易进入生物体,直到达到平衡浓度。当一个有机体死亡(或树轮完全形成)时,没有新的碳-14进入其中,因此所有现存的碳-14缓慢而稳定地衰变。

  • 图注:如果人们知道碳-14的衰变方式并可以测量今天存在的碳-14(相对于碳-12)的数量,那么当从“化石”遗迹中发生特定事件时,很容易就能知道碳-14的含量。

当您听到“碳定年”一词时,这就是科学家所指的:测量碳-14与碳-12的比率。如果我们知道一个生物体存活时最初的碳-14与碳-12的比率是多少(因为它通常每年之间仅变化约0.06%),并且我们测量今天的碳-14与碳-12的比率是多少(其中一些碳-14与碳-12的比率由于其不稳定的放射性性质而衰减了),我们可以推断该生物体停止吸收碳-14已经有多长时间了。

据我们所知,在过去的几千年中,全世界的碳-14含量大致保持不变。至少在2010年代初期,这种模式的唯一已知波动是来自露天核武器的爆炸。然而,在2012年,我们被这一科学探测震惊了:对日本两棵独立的雪松树大约在774~775的年轮环中碳-14进行了分析,并看到了一个巨大的峰值,这个峰值大约是自然变化所能解释的20倍。

  • 图注:带误差线的彩色圆点显示了在日本(M12)和德国(橡树)树中测得的碳-14数据,以及即时生产碳-14的典型曲线(黑色曲线)。

唯一有意义的自然解释是,就在那时,如果地球经历了这些宇宙射线的过度轰击,产生的碳-14数量激增。尽管从绝对值来看这是一个小小的过剩——碳-14只比正常值多1.2%——但它远远高于我们所见过的任何自然变化。

此外,这种尖峰后来被确认存在于世界各地的树木年轮中,从德国到俄罗斯再到新西兰再到美国。这一结果在各国都是一致的,从太阳活动增加到宇宙耀斑,再到遥远的伽马射线**的直接撞击,都可以解释这一结果。但是碳-14的证据随后又加入了一些其他的历史和科学特点,而后者使我们能够解开这个谜。

  • 图注:2016年3月14日来自北极圈的北极光(北极光)。有时候,极光附近会在极光中产生罕见的紫色,因为原子的蓝色和红色发射线的组合可以产生这种罕见的景象,以及更典型的绿色。

从历史上看,“盎格鲁-撒克逊纪事”记录于公元774年的“天堂中的红色耶稣受难像”,这可能对应于超新星(从未发现过残余)或极光事件。在中国,公元775年记录到了异常的“雷暴”,值得注意的是,这是唯一记录的此类事件。

但科学上,树木年轮数据与南极冰芯数据相结合。虽然树木年轮显示774/775年碳-14的峰值,但冰芯数据显示放射性铍-10和氯-36的峰值相增加,这表明与太阳粒子的强烈高能事件有关。这样的一个事件可能与现在著名的1859年卡林顿事件(Carrington event)相当,这是近代史上记录的最大太阳风暴,历史数据也与此解释保持一致。

  • 图注:碳-14数据(中心)以及铍-10(顶部)和氯-36(底部)冰芯数据中的相关峰值,都与774~775年的一次富含质子的太阳耀斑事件一致。

随后还发现了另外两个可能在这些同位素中显示出类似峰值的事件:公元993~994年的一次稍弱的**,甚至更早的一次**可以追溯到公元前660年。这三个事件的综合数据指向一个共同的起源,这必然涉及特定能量范围内的大量质子流。

这与在太阳中看到的一个相对普遍的事件是一致的:太阳质子的喷出。但是,这与伽马射线爆裂场景不一致,后者无法产生必要的质子流来同时解释铍-10。最初提出对774~775年轮数据的伽马射线暴解释的同一日本团队在对993~994年事件进行了自己的测量后得出结论:

这些事件很有可能起源于同一事件。考虑到[碳-14]增加事件的发生率,太阳活动是[这些]事件的合理原因。

  • 图注: 太阳耀斑是一个相对典型的事件,它将物质从母星射出并射入太阳系。然而,一次巨大的、富含质子的耀斑确实可能导致我们过去在碳-14和其他同位素中看到的峰值,并在这个过程中对我们的基础设施造成很大的破坏。

太阳每隔一段时间就会向地球方向射出高能粒子。有时,地球磁场会将其偏转,而有时则将这些粒子集中到我们的大气中。当它们到达时,会产生极光,扰乱我们当地的磁场,如果我们技术先进,它们会在我们的电网和设备中产生各种电流,可能造成价值数万亿美元的基础设施损坏。

我们现在知道,有各种各样的太阳活动影响地球,我们所经历的最大规模的事件每千年发生一次以上。我们无法预测下一个何时到来,但可以肯定的是,人类社会的后果将比以往任何时候都要严重。碳-14水平在未来肯定会再次飙升,但当这种情况发生时,受影响的将远远超过树木年轮和冰芯。

毅字交友

2021/5/15 4:23:25

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其他回答(1个)

1个回答

  • 蜀蓉外客

    2021/5/10 11:10:14

    我记忆中是从我懂事起开始在地球上生活的.

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