碳14（14C）是碳的一种具放射性的同位素，它由宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。地球上14C的多少反映了当时宇宙射线的强度。如何了解过去14C的变化？主要通过测量树木年轮中的14C丰度来实现：含有14C的二氧化碳通过光合作用被树木吸收，储存到当年形成的树轮后，14C便不再与外界交换，因此当年大气的14C信息被树木年轮所保存，通过测量年轮每一年的14C变化，就可以恢复古大气中14C的变化，进而了解宇宙射线的强度变化。
日本科学家Miyake et al.（2012）曾在对日本树木年轮中14C丰度的测试中发现，公元774-775年14C丰度显著增加，增加幅度达到12‰，是正常太阳活动所引起的变化幅度的20倍（图1）。此后，该现象在北半球不同区域以及新西兰的树木中均有发现（Jull et al., 2014；Güttler et al., 2015）。上述结果表明：774-775年14C丰度显著增加的现象很可能是全球性的事件，揭示当时曾发生过一次强宇宙核素事件。
图1 日本树木年轮中记录的14C在774-775年的异常增强现象 (Miyake et al., 2012)
是什么原因导致774-775年强宇宙射线核素事件？就目前的认识来看，只有两种已知的现象可以导致宇宙射线强度在一年内发生如此重大的变化：一种是超新星爆发，另一种是强太阳质子事件(large solar proton event, SPE)。如果是超新星爆发导致的，那么超新星爆发所发出的强光会被肉眼观察到，但是世界各地并没有这样的记载。那是不是强太阳质子事件导致的呢？
芬兰赫尔辛基大学芬兰自然历史博物馆Unsitalo的团队近期在Nature Communications上发表最新研究成果，认为强太阳质子事件可能是774-775年14C丰度显著增加的原因。他们的主要研究思路是：基于现代时期太阳质子事件所导致的14C纬度效应（图2），通过重建774-775年14C与纬度的关系（图3），来推测14C在774-775年间突增的原因。
图2 1956年强太阳质子事件时不同纬度的14C产率 (Unsitalo et al., 2018)
宇宙射线核素14C的纬度效应是指14C强度在地磁高纬地区较高，在低纬地区较低，呈现较明显的纬度依赖性。原因是地球磁场会影响宇宙射线进入地球大气层，宇宙射线更容易在极地高纬地区进入大气层，在低纬赤道地区则受到较强的地磁场屏蔽作用，从而造成纬度效应。他们首次建立了774-775年事件时树轮14C强度与纬度的关系，发现随纬度的增加，14C强度随之增加（图3），与现代强太阳质子事件时14C与纬度的关系一致（图2），从而揭示了正是一次强太阳质子事件导致了当年的14C突增的现象。
图3 774-775年太阳质子事件发生时，14C强度与纬度的关系 (Unsitalo et al., 2018)
相关参考文献
Güttler D, Adolphi F, Beer J, et al. Rapid increase in cosmogenic 14C in AD 775 measured in New Zealand kauri trees indicates short-lived increase in 14C production spanning both hemispheres[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 411: 290-297.（原文链接）
Jull A J, Panyushkina I P, Lange T E, et al. Excursions in the 14C record at AD 774-775 in tree rings from Russia and America[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(8): 3004-3010.（原文链接）
Miyake F, Nagaya K, Masuda K, et al. A signature of cosmic-ray increase in AD 774-775 from tree rings in Japan[J]. Nature, 2012, 486(7402): 240.（原文链接）
Uusitalo J, Arppe L, Hackman T, et al. Solar superstorm of AD 774 recorded subannually by Arctic tree rings[J]. Nature communications, 2018, 9: 3495.（原文链接）
【感谢何宏青副研究员对本文的完善】
（撰稿：许晨曦）
