W stanie ustalonym średni stosunek koncentracji ' 4 C /'- C na Ziemi jest efektem zrównoważenia rozpadu promieniotwórczego i produkcji radiowęgla. Szybkość produkcji radiowęgla na Ziemi jest funkcją wielkości strumienia promieniowania kosmicznego dociera
jącego do atmosfery ziemskiej. Pierwotny strumień protonów pochodzenia galaktycznego jest modulowany oddziaływaniem międzyplanetarnego pola magnetycznego o zmiennym natężeniu związanym z wahaniami aktywności Słońca oraz oddziaływaniem pola magnetycznego Ziemi (rozdz. 1.3).
Zmienność w czasie pierwotnego strumienia protonów docierających spoza Układu Słonecznego jest słabo zbadana. Badania składu meteorytów wskazują jedynie, że strumień ten w ciągu ostatnich 10^ lat nie zmieniał się więcej niż o 50% (Oeschger el a l., 1970, Nishiizumi el al., 1980), jednak nie dają żadnych informacji o zmianach strumienia w przedziale czasu rzędu tysięcy lat. Jak zostanie pokazane niżej, obserwowane długookresowe wahania A '4C można zadowalająco wyjaśnić zmianami natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Tak więc,
140
do czasu uzyskania jednoznacznych danych można zakładać, że strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego był w interesującym nas przedziale czasu stały.
6.1.1. D ane o zm ianach m om entu dipolowego ziemskiego pola m agnetycznego w prze
szłości
Zmiany momentu dipolowego ziemskiego pola magnetycznego są najlepiej poznanym czynnikiem kształtującym koncentrację radiowęgla na Ziemi w ostatnich kilkunastu tysiącach lat. Rekonstrukcje paleomagnetyczne wykorzystują pomiary namagnesowania materiałów zawierających minerały ferromagnetyczne, utrwalonego w określonym momencie przeszłości.
Najbardziej wiarygodną rekonstrukcję natężenia pola magnetycznego dają materiały, których namagnesowanie utrwaliło się podczas stygnięcia od wysokich temperatur (lawy wulkaniczne, wypalana ceramika i podobne artefakty archeologiczne). Ponieważ położenie biegunów dipola geom agnetycznego ulegało w przeszłości zmianom, rekonstrukcja momentu dipolowego wymaga również znajomości kierunku pola magnetycznego w danym miejscu. Dodatkowe utrudnienie stanowi pole niedipolowe o dryfujących biegunach, znacznie modyfikujące lokalne natężenie pola (np. Creer, 1988). Eliminacja efektu dryfu biegunów dipola wymaga bądź rekonstrukcji lokalnego kierunku pola, bądź uśredniania danych paleomagnetycznych z wielu rejonów Ziemi. Eliminacja wpływu składowej niedipolowej jest natomiast możliwa po uśrednieniu wielu danych w dłuższych (kilkusetletnich) przedziałach czasu. Rekonstrukcja kierunku pola jest możliwa w lawach wulkanicznych, jednak wylewy lawy zdarzają się sporadycznie i dla próbek tego typu eliminacja efektów medipolowych wydaje się mało skuteczna.
Najbardziej wiarygodną rekonstrucję momentu magnetycznego Ziemi za ostatnie około 10 tysięcy lat przedstawili McElhinny i Senanayake (1982), którzy dokonali kompilacji i uśrednienia bardzo wielu danych archeomagnetycznych. Odpowiednie artefakty archeologiczne sprzed ponad 10 tysięcy lat są jednak rzadkością i największe znaczenie dla paleomagnetycznych badań tego okresu mają osady jeziorne i oceaniczne. Mechanizmy kształtujące zależność namagnesowania tworzącego się osadu od zewnętrznego pola magnetycznego są złożone i trudne do kontrolowania (Tauxe, 1993), co nie pozwala na bezpośrednie odtworzenie bezwzględnych wartości natężenia pola. Wiadomo, że do rekonstrukcji zmian natężenia pola z pewnością nie nadają się profile, wzdłuż których koncentracja minerałów ferromagnetycznych silnie się zmienia lub parametry magnetyczne wykazują korelację ze zrekonstruowanym natężeniem pola. Tak więc liczba opracowań osadów, w których zrekonstruowano zmiany momentu dipolowego Ziemi za ostatnie kilkadziesiąt tysięcy lat, jest niewielka. Większość opracowań (Constable, Tauxe, 1987; Tauxe, Valet, 1989; Trie et al., 1992; Meynadier et al., 1992) zgodnie wskazuje, że w późnym vistulianie pole magnetyczne Ziemi było słabsze niż obecnie, a w okresie 15-10 tys. lat BP moment dipolowy stopniowo wzrastał (rys. 40o). Godne podkreślenia jest również, że niemal wszystkie dane mieszczą się w zakresie niepewności określonym przez Trica et al. (1992).
141
Age [kyr BP]
Age [kyr BP]
Rys. 40. a: Zestawienie rekonstrukcji momentu magnetycznego Ziemi w ostatnich 15 tysiącach lat. Źródła danych są następujące: • = artefakty archeologiczne (McElhinny, Senanayake, 1982); A = lawy wulkaniczne (dane skompilowane przez Trica et al., 1992); ♦ = osady Morza Śródziemnego (Tric et al., 1992); □ = osady z Pacyfiku (rdzeń ERDC 102Bx, 4°S, 161°E, Constable, Tauxe, 1987); 0 = osady z Atlantyku (rdzeń INMD 48Bx, 30°N, 43°W, Tauxe, Valet, 1989). Linią kropkową zaznaczono przedział niepewności rekonstrukcji Trica et al., (1992). b\ Względne zmiany szybkości produkcji radiowęgla w ostatnich 15 tysiącach lat spowodowane zmianami momentu dipolowego pola geomagnetycznego. Do obliczeń modelowych koncentracji radiowęgla użyto przebiegu qlq0 zaznaczonego grubą linią
Fig. 40. a: Results o f reconstructions o f geomagnetic dipole moment for the last 15,000 years.
Sources o f data: • = archeological items (McElhinny, Senanayake, 1982); A = volcanic lava flows (compiled by Tric et al., 1992); ♦ = Mediterranean Sea sediments (Tric et al., 1992); □
= Pacific sediments (core ERDC 102Bx, 4°S, 161°E, Constable, Tauxe, 1987), 0 = Atlantic sediments (core INMD 48Bx, 30°N, 43°W, Tauxe, Valet, 1989). The uncertainty o f Trie's (1992) reconstruction is shown by dotted line, b Relative changes o f ' 4 C production rate in the last 15,000 years, due to the changes o f geomagnetic field. The heavy line denotes the production rate used in model calculations
142
6.1.2. Z m iany atm osferycznej koncentracji radiowęgla w ostatnich 15 tysiącach lat spo
w odow ane w ahaniam i pola geomagnetycznego
Zmiany pola magnetycznego Ziemi uważane są za istotną przyczynę długookresowych wahań koncentracji radiowęgla już od początku lat siedemdziesiątych (Bucha, 1970).
Zastosowanie modeli globalnego obiegu węgla i danych archeomagnetycznych pozwoliło pokazać, że zmiany koncentracji ' 4 C w atmosferze w ciągu ostatnich 10 tysięcy lat dają się zadowalająco wyjaśnić zmianami pola geomagnetycznego (Siegenthaler, Beer, 1988; Beer et a l., 1988b; Stuiver e ta l., 1991; Stuiver, Braziunas, 1993b).
W niniejszej pracy obliczenia zmian koncentracji radiowęgla przeprowadzono dla ostatnich 15 tysięcy lat Stosowane były modele BD i PANDORA (rozdz. 5). Wszystkie parametry modeli były stałe z wyjątkiem szybkości produkcji radiowęgla, którą określono na podstawie danych paleomagnetycznych Trica et al. (1992) oraz McElhinny'ego i Senanayake (1982) przy zastosowaniu zależności podanych przez Lala (1988); (rozdz. 1.3, rys. 3).
Rysunek 40/) przedstawia względne zmiany szybkości produkcji (0 / 0 o ), które użyto jako dane wejściowe do obliczeń (qlqo= 0 l0 o ). Przyjęto, że standardowa szybkość produkcji qQ odpow iada współczesnemu momentowi dipolowemu Ziemi (tj 8 1 0 --Am-).
Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 41 Wartości a ' 4C obliczone przy użyciu obu modeli różnią się od siebie bardzo nieznacznie (<6%o; rys. 41 b). Dla obu modeli wyniki obliczeń zależą od przyjętych warunków początkowych oraz standardowej szybkości produkcji radiowęgla. W modelach standardowych koncentracja ' 4C w atmosferze odpowiada standardowi współczesnej biosfery (rozdz. 5.3.4), a stosunki koncentracji pomiędzy rezerwuarami odpowiadają stacjonarnemu stanowi cyrkulacji. Dla chwili początkowej T o =15,000BP zadawano określoną wartość atmosferycznej koncentracji radiowęgla ( A '4C0) i proporcjonalnie do niej określano początkowe koncentracje ' 4C w pozostałych rezerwuarach.
W większości przeprowadzonych eksperymentów przyjmowano początkową wartość A 14Co=220%0.
Fig. 41. Comparison o f observed and calculated variations o f atmospheric A '4C in the last 15,000 years. The only variable parameter was the production rate o f ' 4 C, depending on geom agnetic dipole moment. The observed record o f A^4C (Fig. 35, Chapter 4) was smoothed by cubic spline, a: Results o f calculations with the Box-Diffusion (BD) model, for different values o f standard production rate q0 . b : Comparison o f results obtained with the BD and PANDORA models, c: Results o f calculations for two values o f initial ' 4C concentration:--- A 14Co=220% o;concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---A^4Co=240%o; ... - the flux o f carbon out o f the cycle 0 eXf invovlved. d. Comparison o f results with the CO2 concentration assumed constant and with taking the CO 2 variations into account. Attention: the plots b-d have been shifted along the vertical axis
Rys. 41. Porównanie rzeczywistego przebiegu atmosferycznej A '4C w ostatnich 15 tysiącach lat z wynikami obliczeń modelowych. W obliczeniach zakładano zmienność szybkości produkcji ' 4C w funkcji momentu pola geomagnetycznego. Rzeczywisty przebieg a ' 4C (rys.
35, rozdz. 4) został wygładzony funkcją sklejaną, a. Wyniki obliczeń modelem BD dla różnych wartości standardowej szybkości produkcji qa . b: Porównanie wyników obliczeń modelami BD i PANDORA, c: Wyniki obliczeń dla dwóch wartości początkowej koncentracji *4C ---A*4 C0=220%o;--- A '4Co=240%<>;... wyniki obliczeń przy uwzględnieniu strumienia węgla ®cxt na zewnątrz obiegu, d: Porównanie wyników obliczeń przy założeniu stałej koncentracji i z uwzględnieniem zmian koncentracji CO2 w powietrzu. Uwaga: dla lepszej czytelności wykresy b -d są przesunięte względem skali pionowej
142
6.1.2. Z m iany atm osferycznej koncentracji radiowęgla w ostatnich 15 tysiącach lat spo
w odow ane w ah an iam i pola geom agnetycznego
Zmiany pola magnetycznego Ziemi uważane są za istotną przyczynę długookresowych wahań koncentracji radiowęgla już od początku lat siedemdziesiątych (Bucha, 1970).
Zastosowanie modeli globalnego obiegu węgla i danych archeomagnetycznych pozwoliło pokazać, że zmiany koncentracji 14C w atmosferze w ciągu ostatnich 10 tysięcy lat dają się zadowalająco wyjaśnić zmianami pola geomagnetycznego (Siegenthaler, Beer, 1988; Beer et al., 1988b; Stuiver et al., 1991; Stuiver, Braziunas, 1993b).
W niniejszej pracy obliczenia zmian koncentracji radiowęgla przeprowadzono dla ostatnich 15 tysięcy lat. Stosowane były modele BD i PANDORA (rozdz. 5). Wszystkie parametry modeli były stałe z wyjątkiem szybkości produkcji radiowęgla, którą określono na podstawie danych paleomagnetycznych Trica et al. (1992) oraz McElhinny'ego i Senanayake (1982) przy zastosowaniu zależności podanych przez Lala (1988); (rozdz. 1.3, rys. 3).
Rysunek 406 przedstawia względne zmiany szybkości produkcji (0 /Q o), które użyto jako dane wejściowe do obliczeń (qlqo = 0 l0 o)- Przyjęto, że standardowa szybkość produkcji qQ odpowiada współczesnemu momentowi dipolowemu Ziemi (tj. 8 1 0 --Am-).
Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 41. Wartości A '4C obliczone przy użyciu obu modeli różnią się od siebie bardzo nieznacznie (<6%o; rys. 41 b). Dla obu modeli wyniki obliczeń zależą od przyjętych warunków początkowych oraz standardowej szybkości produkcji radiowęgla. W modelach standardowych koncentracja ' 4C w atmosferze odpowiada standardowi współczesnej biosfery (rozdz. 5.3.4), a stosunki koncentracji pomiędzy rezerwuarami odpowiadają stacjonarnemu stanowi cyrkulacji. Dla chwili początkowej T o=15,000BP zadawano określoną wartość atmosferycznej koncentracji radiowęgla ( A '4C0 ) i proporcjonalnie do niej określano początkowe koncentracje w pozostałych rezerwuarach.
W większości przeprowadzonych eksperymentów przyjmowano początkową wartość A 14Co=220%o.
Fig. 41. Comparison o f observed and calculated variations o f atmospheric A '4C in the last 15,000 years. The only variable parameter was the production rate o f ' 4C, depending on geom agnetic dipole moment. The observed record o f a ' 4C (Fig. 35, Chapter 4) was smoothed by cubic spline, a. Results o f calculations with the Box-Diffusion (BD) model, for different values o f standard production rate qQ. b: Comparison o f results obtained with the BD and PANDORA models, c: Results o f calculations for two values o f initial ' 4C concentration:--- A '4C0 =220% o;concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:---concentration:--- A '4Co=240%<>; the flux o f carbon out o f the cycle ®L,X/
invovlved. d. Comparison o f results with the CO2 concentration assumed constant and with taking the CO 2 variations into account. Attention: the plots b-d have been shifted along the vertical axis
143
A ge [k y r BP]
Rys. 41 Porównanie rzeczywistego przebiegu atmosferycznej A ^ C w ostatnich 15 tysiącach lat z wynikami obliczeń modelowych. W obliczeniach zakładano zmienność szybkości produkcji ' 4C w funkcji momentu pola geomagnetycznego. Rzeczywisty przebieg A^4C (rys.
35, rozdz. 4) został wygładzony funkcją sklejaną, a: Wyniki obliczeń modelem BD dla różnych wartości standardowej szybkości produkcji q0 . b. Porównanie wyników obliczeń modelami BD i PANDORA, c: Wyniki obliczeń dla dwóch wartości początkowej koncentracji ^4 C : ---A '4 Co=220%0; ---A*4 C0=240%o; - wyniki obliczeń przy uwzględnieniu strumienia węgla 0 exl na zewnątrz obiegu, d. Porównanie wyników obliczeń przy założeniu stałej koncentracji i z uwzględnieniem zmian koncentracji CO2 w powietrzu. Uwaga: dla lepszej czytelności wykresy b-d są przesunięte względem skali pionowej
144
W modelach standardowych szybkość produkcji
(qos)
jest tak dobrana, aby utrzymywać stałą, standardową koncentrację radiowęgla w atmosferze. Jednak, z przyczyn wskazanych rozdziale 5.3.4, faktyczna standardowa szybkość produkcji nie musi odpowiadać standardowej koncentracji *4 C. Rysunek 41a porównuje wyniki obliczeń modelowych z rzeczywistym przebiegiem atmosferycznej A ^ C Przyjęcieq0=q0s
daje w wyniku poprawną współczesną wartość a ' 4C, jednak w ciągu niemal całego holocenu (między 11 a 1 kyr BP) obliczone koncentracje są zdecydowanie wyższe od obserwowanych. Przyjęcie, że<7o =0.96 qos, daje poprawne wartości 14C między 11.5 a 3 kyr BP, ale w ciągu ostatnich 3 tysięcy lat obliczona koncentracja ' 4C j est zdecydowanie niższa od obserwowanej. Najlepszą zgodność obliczeń z wynikami obserwacji w całym okresie 15 tysięcy lat otrzymuje się przy założeniu, że standardowa szybkość produkcji stanowiła 98% szybkości qo s. Trzeba podkreślić, że wynik ten należy interpretować z dużą ostrożnością, gdyż dokładność danych paleomagnetycznych (zwłaszcza sprzed 10 kyr BP) nie jest duża, a udział wszelkich innych czynników wpływających na koncentrację nie został w obliczeniach uwzględniony.
Koncentracje ' 4 C obliczone przy założeniu A ^ C o=220%o są w późnym vistulianie systematycznie niższe od rzeczywistych. Lepszą zgodność obliczeń z obserwacjami w późnym vistulianie daje przyjęcie większej początkowej koncentracji radiowęgla, jednak w takim przypadku otrzymuje się zawyżone wartości A ^ C w pierwszej połowie holocenu (rys. 41c).
Pozorne "niedopasowanie" wysokiej późnovistuliańskiej i niskiej holoceńskiej koncentracji radiowęgla w atmosferze daje się w dużej części wyjaśnić zmianami koncentracji CCb w atmosferze (rozdz. 6.3.1).
W edług dyskusji z rozdziału 5.3.4 modele cyrkulacji winny uwzględniać ucieczkę i dostawę nieaktywnego węgla w ilości sięgającej prawdopodobnie 1.7Gt rocznie. Eksperymenty wykonane zmodyfikowanym modelem BD (opis w rozdz. 5.3.4) wskazują (rys. 41c), że przyjęcie stałego niezerowego strumienia wejściowego i wyściowego węgla oraz odpowiednio zwiększonej szybkości produkcji qQ najbardziej zmienia wyniki obliczeń w okresach, kiedy szybkość produkcji znacznie się różniła od standardowej (między 15-12, 10- 8 .5, 7.5-5 oraz 3.5-K).5 kyr BP).
Przedstawione wyniki pokazują, że długookresowe zmiany koncentracji radiowęgla w atmosferze można prawie w całości wyjaśnić zmiennością momentu dipolowego ziemskiego pola magnetycznego. Związek między zmianami pola magnetycznego a koncentracją badali Bard et al., (1990b) i Mazaud et al., (1991, 1992), którzy brali pod uwagę niepewność danych paleomagnetycznych. Autorzy ci pokazali, że krzywa rzeczywistych zmian A '4 C w całości mieści się w zakresie ograniczonym przez krzywe obliczone dla maksymalnych i minimalnych możliwych wartości momentu magnetycznego i wywnioskowali, że wszelkie zmiany A l4 C w atmosferze można wyjaśnić wahaniami pola magnetycznego Ziemi. Jednak wskutek buforowego oddziaływania oceanu zależność między koncentracją a szybkością produkcji radiowęgla nie jest liniowa i szybkie zmiany koncentracji A ' 4C wymagają
nieproporcjonalnie dużych wahań szybkości produkcji (np. Siegenthaler et al., 1980). Celem sprawdzenia tezy Mazauda et al. (1992) przeprowadzono eksperyment ze zmodyfikowanym modelem BD, który umożliwiał obliczenie szybkości produkcji ' 4C przy znanym przebiegu koncentracji radiowęgla w atmosferze. W ujęciu matematycznym oznaczało to zamianę stronami pochodnej d(RaNa )/dt i szybkości produkcji q w równaniu BD-7 (dodatek 2). Jako danych wejściowych używano przebiegu A '4C, wygładzonego jak na rysunku 41. Obliczenia wskazują, że wymagane wahania szybkości produkcji wykraczają poza zakres dopuszczalny niepewnością danych paleomagnetycznych (rys. 42). Najsilniejsze wahania szybkości produkcji wymagane byłyby na początku i końcu chłodnego okresu młodszego dryasu. Ponieważ faktyczne maksimum i minimum A ^ C na początku i końcu młodszego dryasu są prawdopodobnie wyższe niż w wygładzonym przebiegu A ^ C (rys. 35), można się spodziewać, że wymagane anomalie szybkości produkcji na granicach młodszego dryasu są jeszcze większe niż pokazano na rysunku 42.
Age [kyr BP]
Rys. 42. Hipotetyczne zmiany szybkości produkcji radiowęgla w przypadku, gdyby były one wyłączną przyczyną zmian atmosferycznej koncentracji ' 4C obserwowanych w ostatnich 15 tysiącach lat Dla porównania przedstawiono wahania szybkości produkcji określone na podstawie rekonstrukcji zmian momentu dipolowego ziemskiego pola magnetycznego (rys.
40/;)
Fig 42. Hypothetical variations o f ' 4 C production rate, if they were the only factor producing the changes o f atmospheric ' 4 C concentrations observed during the last 15,000 years. The variations o f production rate based on reconstructions o f geoagnetic field (Fig. 40/?) have been shown for comparison
146
M ożna argumentować, że wahania momentu dipolowego Ziemi mogły wykraczać poza zakres określony przez Trica et al. (1992). Niezależne rekonstrukcje paleomagnetyczne (rysunek 40a) wskazują jednak, że zakres niepewności momentu magnetycznego jest znacznie mniejszy niż podali Tric et al. (1992). Można argumentować, że rekonstrukcje nie wykazują szybkich zmian pola magnetycznego wskutek wymieszania górnej warstwy osadów przez organizmy żywe (tzw. bioturbacji). Jednak poziom, na którym utrwala się namagnesowanie osadów, leży nieco poniżej strefy bioturbacji (Tauxe, 1993). Tauxe (1993) stwierdza nawet, że
"... bioturbacje powodują polepszenie przydatności osadów do rekonstrukcji zmian natężenia pola magnetycznego w przeszłości". Tak więc szybkie wahania atmosferycznej koncentracji radiowęgla na granicach młodszego dryasu i w holocenie są spowodowane innymi przyczynami niż zmiany pola magnetycznego Ziemi.
6.2. W pływ zm iennej aktywności Słońca na krótkookresowe zmiany