Mensen worden vaak aangetrokken door de pracht van het noorderlicht wanneer ze naar de nachtelijke hemel kijken, maar buiten de beschermende paraplu van het magnetische veld van de aarde kan zonneactiviteit uiterst dodelijk zijn. Sterke uitbarstingen en uitbarstingen van hoogenergetische deeltjes zijn voldoende om fatale bedreigingen te vormen voor astronauten en ruimtevaartuigen. Onlangs heeft een onderzoeksteam van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan met succes een zonneprotongebeurtenis geïdentificeerd die plaatsvond tussen 1200 en 1201 na Christus door nauwkeurige metingen van koolstofisotopen in boomringen te combineren met middeleeuwse documentrecords, wat belangrijke aanwijzingen opleverde voor het reconstrueren van vroegere zonneactiviteit en het verbeteren van toekomstige weersvoorspellingen in de ruimte.

De zogenaamde Solar Proton Events (SPE) verwijzen naar de zon die tijdens een gewelddadige explosie hoogenergetische protonen en andere deeltjes naar de aarde werpt. Deze deeltjes kunnen met snelheden tot bijna 90% van de lichtsnelheid naar de aarde vliegen. In 1972 maakte de zon meerdere van dergelijke gebeurtenissen mee tussen de Apollo 16- en Apollo 17-missies. Als astronauten in die tijd missies in de diepe ruimte zouden uitvoeren, zouden ze zonder effectieve afscherming waarschijnlijk met fatale doses straling te maken hebben gehad. Nu bemande maanlandingen en verder reikende bemande ruimtevluchtprogramma's weer op de agenda worden gezet, is het steeds belangrijker geworden hoe de risico's van dergelijke "plotselinge zonnestormen" kunnen worden geïdentificeerd en beoordeeld.

Het OIST-onderzoeksteam hanteerde deze keer een nieuwe methode voor het verzamelen van 'interdisciplinair bewijsmateriaal': aan de ene kant selecteerden ze begraven houtmonsters van Hinoki-cipres (asunaro) die waren opgegraven op het schiereiland Shimokita in de prefectuur Aomori, in het noorden van Honshu, Japan, en voerden jaar na jaar zeer nauwkeurige metingen uit van het koolstof-14-gehalte daarin; aan de andere kant vertrouwden ze op het dagboek "Meigetsuki" van de middeleeuwse Japanse aristocraat Fujiwara Sadaie en de aurora-records in Chinees historisch materiaal uit dezelfde periode om perioden van vermoedelijke sterke zonneactiviteit vast te leggen, en vervolgens op "matchpunten" om te zoeken naar afwijkingen in de boomringgegevens.

Koolstof-14 is een radioactieve koolstofisotoop die ontstaat wanneer hoogenergetische deeltjes de atmosfeer van de aarde bombarderen. Het komt planten binnen met atmosferische circulatie en wordt vastgelegd in de boomringen van dat jaar, wat gelijk staat aan het "negatief achterlaten" voor de kosmische straling en zonneactiviteit van dat jaar. In het verleden hebben wetenschappers deze methode gebruikt om de geschiedenis van de zonneactiviteit te reconstrueren op een tijdschaal van ongeveer 10.000 jaar. Om ‘sub-extreme’ zonneprotongebeurtenissen met een iets lagere intensiteit en hogere frequentie vast te leggen, zijn echter zowel een extreem hoge meetnauwkeurigheid als een zo smal mogelijk tijdzoekvenster vereist.

Dit is waar historische documenten een rol spelen. Fujiwara Sadake (1162–1241) schreef in zijn dagboek dat hij in februari 1204 na Christus in Kyoto "een rood licht aan de noordelijke hemel zag verschijnen". Hoewel zonneprotongebeurtenissen zelf niet direct aurora veroorzaken, gaan ze vaak gepaard met sterke zonneactiviteit die aurora’s kan stimuleren. Dit record biedt belangrijke aanwijzingen voor het onderzoeksteam. Op basis hiervan selecteerden ze boomringmonsters uit aangrenzende jaren voor gerichte tests, en ontdekten uiteindelijk een significante abnormale toename van koolstof-14 tussen de winter van 1200 en de lente van 1201, wat aangeeft dat er op dat moment een zonneprotonengebeurtenis met een 'sub-extreme' intensiteit plaatsvond.

Om het jaartal verder te bepalen en de correlatie te verifiëren, gebruikte het team ook dendrochronologie- en dendroclimatologietechnieken om de tijdsgrenzen van de gebeurtenis te verfijnen door middel van vergelijkende analyse van de breedte van de boomringen en klimaatpatronen. Naast Japanse documenten zijn er in Chinese geschiedenisboeken uit dezelfde periode ook zeldzame vermeldingen van rode aurora's op lage breedtegraden. Dit komt in hoge mate overeen met de tijdsperiode die wordt aangegeven door de koolstof-14-afwijkingen in de boomringen, wat het bestaan ​​van deze zonnegebeurtenis verder ondersteunt.

Onderzoeksleider professor Yuko Miyahara van de Solar-Earth Environment and Climate Research Unit van OIST wees erop dat eerder onderzoek naar historische zonneprotongebeurtenissen zich concentreerde op een zeer klein aantal ‘supergebeurtenissen’, en de betekenis van dit werk is om een ​​methodologische basis te bieden voor het identificeren van meer algemene maar nog steeds duidelijk schadelijke ‘sub-extreme’ gebeurtenissen. De energie van dergelijke gebeurtenissen bedraagt ​​ongeveer 10% tot 30% van de meest extreme gebeurtenissen die we kennen. Hoewel het geen mondiale ramp zal veroorzaken, is het wel voldoende om ernstige problemen te veroorzaken voor de veiligheid van satellieten in een baan om de aarde, ruimtemissies en toekomstige maanbases.

Door middel van uiterst nauwkeurige koolstof-14-metingen heeft het onderzoeksteam niet alleen een specifieke zonneprotongebeurtenis in kaart gebracht, maar ook de details van de zonneactiviteitscyclus van rond 1190 tot 1220 na Christus gereconstrueerd. Analyse toont aan dat, in tegenstelling tot de huidige zonneactiviteitscyclus van ongeveer 11 jaar, de zonnecyclus destijds slechts ongeveer 7 tot 8 jaar duurde en zich in een extreem actieve fase bevond. De zonneprotongebeurtenis die dit keer werd geïdentificeerd, vond plaats in de piekfase van een van de cycli. Dit resultaat levert belangrijk bewijs voor het begrijpen van de activiteitspatronen van de zon in verschillende perioden.

Professor Miyahara benadrukte dat koolstof-14-gegevens alleen niet voldoende zijn om het gedrag van de zon volledig te herstellen, en wederzijds moeten worden bevestigd met waarnemingen van zonnevlekken en poollicht in historische documenten. Ze wees erop dat onderzoekers door een uitgebreide vergelijking van boomringgegevens en literatuurgegevens de timing van zonneactiviteit nauwkeuriger kunnen reconstrueren en zo de omstandigheden en kenmerken die extreme ruimteweergebeurtenissen veroorzaken beter kunnen begrijpen. De reconstructieresultaten laten bijvoorbeeld zien dat, hoewel deze zonneprotonengebeurtenis plaatsvond op het hoogtepunt van de zonneactiviteit, sommige langdurige aurorae op lage breedtegraden in de geschiedenis bijna op het dieptepunt van hun reconstructiecycli lijken te zijn gevallen. Dit ‘abnormale’ fenomeen houdt in dat de zon tijdens de minimumperiode via verschillende mechanismen ook speciale ruimteweergebeurtenissen kan veroorzaken.