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  • 科研進展

    廣州地化所林莽等:放射性硫同位素示蹤太陽活動

    發布時間:2022-05-07 來源:廣州地球化學研究所
    太陽是太陽系的主要能量來源,控制著地球的氣候和水文系統,從而維持地球表生環境的生命活動和宜居性。重建過去的太陽活動歷史,對評估異常太陽活動的強度和頻率,預測其對宇航員、現代科技通訊和生態系統的影響都有重要意義。高能宇宙射線轟擊地球大氣可以產生放射性同位素(又稱宇生核素,如碳14、鈹10等),這些宇生核素存在于地球系統的多個圈層(如大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈等)。由于太陽活動強度可以調節進入太陽系的銀河系宇宙射線強度,影響宇生核素在地球大氣中的產率(圖1),因此我們可以通過測量宇生核素在冰芯、樹輪、沉積物等載體中的含量重建過去的太陽活動。
    最近,Heaton等(2021)在《Science》上發表綜述文章指出,隨著碳14加速質譜分析技術的高速發展,高分辨率分析可以精準鑒別年際尺度的太陽活動異常(如太陽質子事件),甚至可以重建地球磁場變化、超新星爆發等行星和天文極端事件。雖然該領域未來有望蓬勃發展,但最近研究發現,不同宇生核素、不同載體、不同區域的記錄在同一時期并不一致,造成甚多爭論。產生爭論的原因之一,是宇生核素在大氣中的產生、轉化過程和跨圈層的傳輸、保存過程十分復雜,現今模型難以準確模擬。
    針對該問題,中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心林莽研究員提出,被學界忽略的放射性硫同位素(硫35,半衰期約87天)可能是重要的破解手段之一。林莽研究員整合了第24太陽周期(2008-2019年)的大氣硫酸鹽硫35長期觀測數據(Priyardashi et al., 2012; Lin et al., 2016, 2018),發現硫35的長期變化與太陽活動11年周期吻合,證明了硫35是太陽活動的忠實記錄者??紤]到2015-2016年是近百年最強烈和持久的厄爾尼諾事件,林莽研究員進一步發現,該極端事件引起的區域大氣環流變化可改變近地面的硫35含量,類似的極端氣候影響在解讀其他宇生核素記錄時必須被慎重考慮。
    鑒于大氣含硫物質對酸雨、人體健康、氣候變化的影響,硫在大氣科學的研究遠比鈹等元素豐富和深入,使用大氣化學傳輸模型可對硫35在大氣中的轉化、傳輸和沉降過程進行較為準確的模擬。通過硫35觀測數據的制約,有望進一步改善模型對鈹7、鈹10、碳14等宇生核素的大氣過程模擬。另外,現今宇生核素產率模型并沒有考慮硫35,因此,硫35觀測數據可為驗證這些核化學模型提供新的制約。林莽研究員建議核化學、大氣科學、海洋科學、地球化學等多個領域的科學家聯手,構建統一的多圈層宇生核素化學傳輸模型。該研究對使用宇生核素準確重建過去的天文、地磁和氣候事件,預測未來類似的極端事件發生頻率和強度,以及評估其對生態系統和人類科技的影響均有重要意義。
    研究成果最近以“Cosmogenic radiosulfur tracking of solar activity and the strong and long-lasting El Nino Events”為題,在綜合期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上在線刊出,林莽研究員是論文的第一作者和唯一通訊作者,加州大學圣地亞哥分校Thiemens教授為第二作者。該研究得到國家自然科學基金創新研究群體項目、中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目、南方海洋科學與工程廣東省實驗室重大專項團隊項目和珠江人才計劃的支持。

    圖1. 太陽活動影響地球大氣放射性硫同位素濃度的示意圖。太陽活動強烈(太陽黑子增多)時,太陽風較強,進入太陽系的銀河系宇宙射線強度變弱,因此宇生核素產率變小。

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