Zvětšit obrázek

Při interakcích kosmických paprsků s atomy a molekulami atmosférických plynů vznikají neutrony, které ve srážkách s atomy dusíku vyrážejí z jejich jader protony a mění je na ionty radioaktivního izotopu C14. Jeden z neutronů v jejich jádrech se ale časem změní v proton, přičemž se vyzáří elektron a antineutrino, uhlík se promění opět v dusík. Kredit: Wikipedia

Stavebními prvky pozemského života jsou uhlovodíky. Buňky každého organizmu je musí syntetizovat. Buď z jiných uhlovodíků z organické potravy, nebo z okolního anorganického prostředí. Když to domyslíme až k počátku potravinového řetězce, dopracujeme se k rostlinám a pro ně nezbytnému oxidu uhličitému, vodě a k dalším živinám, které absorbují z půdy. Můžeme také sledovat tok evoluce až k prvním mikroorganismům z domény archea, které si stavební látky svých buněk přetvářely (a dosud tvoří) z minerálů převážně rozpuštěných ve vodě za pomoci geotermální energie případně záření z nějaké spektrální oblasti slunečního světla. Když ale život vynalezl fotosyntézu, hlavní proud vývoje změnil směr k aerobním organismům, závislým na kyslíku, vodě a oxidu uhličitém.

 
A právě tento atmosférický CO₂ je pro radiokarbonovou metodu určování stáří klíčový. Atomy uhlíku, které molekuly oxidu obsahují, nejsou všechny stejné. Okolo 99 % z nich je izotopem C12 a má v jádře kromě 6 protonů i 6 neutronů, 1 % atomů stabilního izotopu C13 má o neutron více. Pak ale nepatrné množství – jen jedna biliontina všech atomů uhlíku v atmosféře – má těch neutronů 8. Tento izotop C14 ale již stabilní není, i když jeho poločas rozpadu je velmi dlouhý, až 5 730 let. To, že se nejen ve vzdušném obalu Země stále nachází, svědčí o tom, že se musí neustále nějak tvořit. Na svědomí to má kosmické záření – vysokoenergetické elektricky nabité částice, jimiž okolní vesmír bombarduje celou Sluneční soustavu. Vznikají například při výbuchu supernov. Když tyto ionty relativistickou rychlostí vletí do zemské atmosféry, ve srážkách s atomy a molekulami plynů vznikají spršky sekundárních částic, mezi nimiž jsou i neutrony s relativně nízkou energií (do půl elektronvoltu). Ty při náhodných kolizích s atomy dusíku ₇¹⁴N z jejich jader vyrazí proton, ale sami v nich uvíznou, čímž je přetvoří na jádra uhlíku ₆¹⁴C. Tyto radioaktivní ionty se slučují se vzdušným kyslíkem na oxid uhličitý. Rostliny samozřejmě mezi molekulami CO₂ s odlišnými izotopy uhlíku nedělají rozdíl, a tak se do jejich pletiv zabudovávají radioaktivní atomy. Býložravci je pak přenášejí do živočišné říše, a tak lze radiokarbonové datování použít pro různé biologické materiály - dřevo, kosti, kůže, rostlinná vlákna v látkách... starých nanejvýš 62 tisíc let, což je doba pro potřeby například archeologie postačující. Paleontologie si pak musí najít jiné metody datování. Radiouhlíková metoda vychází z předpokladu, že smrtí živého organismu – rostliny nebo živočicha – se do jeho tkání žádný další uhlík z prostředí nedostává, a tedy lze z poměru izotopu C14 k stabilnímu C12 určit, kolik let uplynulo od doby, kdy žil. Pro úplnost se patří dodat, že intenzita kosmických paprsků není stejná, v období solárního minima je vyšší, protože vesmírné ionty čelí menšímu odporu slunečního větru a magnetického pole naší hvězdy. Je to ale statistický předpoklad, jenž mohou narušovat krátkodobé anomálie způsobené příletem většího počtu částic uvolněných například při výbuchu supernovy nebo jiné energetické kosmické události. I my lidé dokážeme poměry jednotlivých izotopů ovlivnit, jak to ukázaly atmosférické zkoušky jaderných zbraní v polovině minulého století. Poměrné zastoupení C14 v atmosféře do jisté míry ovlivňují i změny celkové koncentrace CO₂. Proto pro přesnější datování je nevyhnutná kalibrace radiouhlíkové metody a pravidelně obnovována kalibrační křivka bere v úvahu jiným způsobem dostatečně přesně stanovený věk například mořských korálových útesů a příslušný poměr izotopů uhlíku v schránkách polypů, jež je budují. 

Zvětšit obrázek

Nejstarší kryptomérie japonská (Cryptomeria japonica), známá pod jménem Jōmon Sugi. Je jistě starší než 2000 let, možná ale „pamatuje“ 5 000 let a někteří se domnívají, že až 7 000. Je jedním z hlavních výletních cílů pro třista tisíc turistů, kteří malý jihojaponský ostrov Jakušima ročně navštíví. Že tento zájem překračuje v sezóně únosnou míru, dokazuje i kalendář s vyznačenými dny, kdy se návštěva kvůli přelidnění v okolí vzácného stromu nedoporučuje. Kredit:. Chris 73 / Wikimedia Commons a http://www.yakumonkey.com/ (zde jsou i další info, foto, videa...)

Jak citlivá v některých případech mohou být měření obsahu radioaktivního uhlíku a co lze z výsledků vyčíst, dokazuje studie čtyřlístku japonských vědců z laboratoře pro výzkum vztahů Slunce – Zem Nagojské university na ostrově Honšú. Již název článku uveřejněného v nejnovějším vydání časopisu Nature: Podpis zvýšení kosmických paprsků v letech 774-775 na letokruzích stromů v Japonsku (A signature of cosmic-ray increase in ad 774–775 from tree rings in Japan), prozrazuje pointu jejich práce.

 
Vědci se rozhodli prozkoumat zastoupení radioaktivního uhlíku v jednotlivých ročních přírůstcích dvou dlouhověkých kryptomerií (Cryptomeria japonica), jenž se také nazývají japonskými cedry. Ta nejstarší známá kryptomérie, Jōmon Sugi, roste na malém jihojaponském ostrově Jakušima. Rozloha tohoto flíčku pevniny omývaném vodami Pacifiku jen o několik kilometrů čtverečných překonává velikost území Prahy. Přesto se jeho členitý terén zvedá z moře až do výšky 1 935 m n.m. Díky častému dešti je zde dostatek sladké vody, což v kombinaci s úrodnou vulkanickou půdou a teplým podnebím s mírnými zimami bez mrazů vytváří ideální podmínky pro bohatou vegetaci. Díky ní patří vnitrozemí ostrova do seznamu světového dědictví UNESCO. Zde vyrostly i dvě kryptomérie, z nichž vědci získali vzorky pro svoji studii. Každému letokruhu obou exemplářů byl dendrochronologicky určen přesný věk. Pak z prvního stromu byly vyseparovány jednotlivé letokruhy odpovídající období 750 - 820, ze druhého pak jenom desetiletí 770 až 779 našeho letopočtu. Z každého letokruhu pak vědci extrahovali nerozpustnou celulózu, jejíž složení je stabilní a samozřejmě se v průběhu let nemíchá. Tento polysacharid známý i pod jménem buničina pak za pomoci oxidačního činidla ve vakuu spálili, vzniklý oxid uhličitý vyčistili a vodíkem redukovali na uhlík. Obsah radioaktivního C14 stanovili metodou hmotnostní spektrometrie. U obou stromů, u nichž se ve zkoumaných letokruzích překrývá desetiletí 770 – 779, výsledky poskytly stejný obraz: v roku 774 došlo v pozemské atmosféře k prudkému nárůstu koncentrace C14. V 1238 let starém záznamu tento rozdíl představuje zvýšení jen o 1,2 %, což se sice zdá být nepodstatně málo, přesto je to asi 20 násobek nárůstu, který by mohly mít na svědomí běžné variace v intenzitě kosmických paprsků spjaté se slunečním cyklem a geomagnetickou aktivitou. Japonci vytvořili matematicko-fyzikální modely, kterými situaci simulovali pro případy, že kosmické paprsky byly intenzivnější asi měsíc, půl roku, rok, dva a tři roky. Výsledné teoretické křivky nárůstu radioaktivního C14 v rostlinném pletivu porovnali s těmi naměřenými. Ve výpočtech samozřejmě zohledňovali uplynulý čas a rychlost proměny nestabilního uhlíku beta rozpadem zpět na dusík N14 (neutron se rozpadne na proton, přičemž se uvolní elektron a antineutrino). Nejlepší korelace mezi teoretickou křivkou a naměřenými daty se ukázala v případě, že zvýšená intenzita kosmických paprsků trvala přibližně rok. To znamená, že před 1 238 lety pravděpodobně po několik měsíců zemskou atmosféru bombardovala sprška vysoce energetických kosmických iontů, která vedla k zvýšení produkce radioaktivního uhlíku na průměrnou hodnotu 19 atomů na cm² za sekundu (vztaženo k sloupci atmosféry o průřezu 1 cm²), přičemž běžná průměrná hodnota produkce C14 je 2,05 atomů na cm² za sekundu.

Japonská studie by jistě potřebovala doplnit o výsledky analogických studií z jiných oblastí světa. Jenže tisíce let staré stromy jsou vzácností. Přesto závěry Japonců nejsou bez podpory a potvrzuje je i aktuální radiouhlíková kalibrační křivka, která vlastně pro vědce byla prvotní inspirací. Zkoumaný časový interval totiž nebyl vybrán náhodně. Je za posledních 3000 let jedním ze tří, kdy na kalibrační křivce je patrná výrazná krátkodobá kladná anomálie neodpovídající předpokládaným variacím intenzity kosmického záření, čili rekonstrukcím sluneční aktivity. Kalibrační křivka je ale pětiletým klouzavým průměrem výsledků vícero výzkumů převážně dlouhověkých amerických sekvojí. Japonské kryptomérie tedy anomálii v druhé polovině 8. století potvrdily a podstatně zpřesnily její časovou souřadnici na rok 774, kdy došlo k prudkému nárůstu koncentrace C14 a rok 775, kdy hodnoty začaly pomalu klesat.

Zvětšit obrázek

Řezy dvěma kmeny kryptomérie japonské. Ani jeden by neposkytl data z osmého století. Letitý vykotlaný strom možná byl dostatečně starý, ale protože jeho středová část vyhnila, jeho nejstarší zachované letokruhy pocházejí z roku 1192.  Kredit: Wikipedia a Research Institute for Sustainable Humanosphere. Detailnější snímky kryptomérií rostoucích v Brně – Soběšicích.

Co způsobilo, že naše planeta byla vystavena tomuto intenzivnímu ostřelování vysoce energetickými ionizovanými částicemi přilétajícími odněkud z okolního vesmíru? Nejpravděpodobnějším vysvětlením se zdá být exploze supernovy. Má to ale háček - nenašel se žádný historický záznam, jenž by odpovídal tak výraznému úkazu. Muselo jít totiž o podstatně bližší, případně i mohutnější explozi, než předvedly supernovy zaznamenané v letech 1006 a 1054, které ale v letokruzích nezanechaly měřitelné stopy v podobě zvýšeného obsahu C14. Samozřejmě, že by mohlo jít o supernovu, jež zazářila na jižní obloze, čímž mohla uniknout tehdejším hvězdopravcům. Tento argument ale nestačí. Výpočty naznačují, že exploze by se musela odehrát ve vzdálenosti maximálně 2 kiloparseků, tedy šesti a půl tisíce světelných let. Jenže, jak podotýkají autoři studie, „supernova, která explodovala relativně nedávno a relativně blízko Země, by byla dosud výrazně jasná (v rádiovém a rentgenovém spektru), a takový objekt pozorován není.“

Jako další příčinu, kterou vědci berou v potaz, je velký přítok energetických částic ze sluneční koróny při extrémní sluneční erupci, případně výronu koronální hmoty vymrštěné uvolněnou energií při rekonekci (zkratu) vyboulených magnetických siločar. Jenže i tato hypotéza není bez vady na kráse. I když analýzy berylia Be10 z ledovcových vrtů také potvrzují 30% nárůst tohoto radioaktivního izotopu v přibližně odpovídajícím období, muselo by jít o sluneční částice s tak vysokou energií, jaká doposud nebyla u naší hvězdy nikdy zaznamenána. Tuto představu nepodporují ani žádné zaznamenané následky. Například neexistují historické popisy neobvyklé polární záře, která by v důsledku interakcí oblaku energetického solárního plazmatu se zemskou magnetosférou prozářila noční oblohu i ve středních zeměpisných šířkách. V těch vyšších by předvedla neuvěřitelnou podívanou. Nezaznamenaly se ani negativní vlivy vážně narušené ozonové vrstvy zemské atmosféry. A k tomu by podle tohoto scénáře muselo dojít.

Daniel Baker, fyzik z Laboratoře pro výzkum fyziky atmosféry a vesmíru Coloradské university v Boulderu je ale přesvědčen, že japonský tým příliš rychle zavrhl myšlenku, že zvýšení radioaktivního uhlíku v letech 774 – 775 mohl způsobit velký oblak sluneční koronální hmoty, jenž po silné erupci zasáhl přímo Zemi. Je dokonce přesvědčen, že za jistých podmínek by dostatečné množství protonů mohlo být urychleno na velmi vysoké energie i v případě, že samotná erupce nebyla extrémně silná. „V současnosti víme mnohem více o významu protonů urychlovaných v čele rázové vlny, jež předchází hlavní struktuře vyvržené koronální hmoty řítící se směrem k Zemi. Raději bych přemýšlel o tom, zda silný výron sluneční koronální hmoty pohybující se přímo k Zemi mohl vytvořit takové množství protonů s dostatečnou energií, že to ovlivnilo zemskou atmosféru."

 
Možných vysvětlení je tedy více a žádné není neprůstřelné. A tak nezůstává nic jiného, než popravdě přiznat, že na současné úrovni poznatků nedokážeme jednoznačně rozhodnout, co bylo zdrojem velké spršky vysokoenergetických ionizovaných částic, které v roce 774 možná po dobu až několika měsíců útočily na Zemi a v její atmosféře produkovaly téměř desetkrát více radioaktivního uhlíku, než je to obvyklé. Další střípek do mozaiky poznání by mohly vložit podrobnější, zejména časovou souřadnici zpřesňující analýzy zvýšeného obsahu radioaktivního izotopu Be10, jenž je také produktem jaderných reakcí způsobených kosmickým zářením.

Video: Stručné vysvětlení radiouhlíkové metody. Ve videu zmíněný stabilní poměr C14/C12 se běžně používá pro základní datování. Přesnější analýzy vychází z korelační křivky zohledňující změny v produkci C14, které souvisejí se změnami v počtu vysoceenergetických iontů vlétajících do zemské atmosféry. Kredit: Cassiopeia Project

Zdroj: Nature