Известно, что поток космических лучей непостоянен, а следовательно, и скорость образования радиоуглерода меняется во времени. Хорошо установлен эффект влияния солнечной модуляции на поток галактических космических лучей, а также ее воздействие на образование 14С. Этот поток, достигающий поверхности Земли, “обратно коррелирует” с 11-летним циклом солнечной активности. Между результатами измерений концентрации 14С и числами солнечных пятен удалось установить следующее соотношение: когда солнечная активность высока, Земля сильнее экранирована от галактических космических лучей и образование 14С уменьшается; когда же солнечная активность низка, в окрестности Земли растет поток космических лучей и, соответственно, сильнее генерируется 14С. Важно также учитывать и другие эффекты. Наиболее очевидный - это изменяющаяся во времени напряженность магнитного момента Земли.

На коротких временных шкалах тонкая структура в годичных уровнях 14С может быть связана с 11 - или 22 -летней солнечной циклической модуляцией потока космических лучей. Заметим, что высокоточные погодичные измерения атмосферного уровня активности 14С, полученные по кольцам деревьев, выполнены различными лабораториями только на некоторых ограниченных временных интервалах, простирающихся всего на несколько лет или несколько десятков лет. Ограничение это вызвано узостью отдельных колец деревьев и сравнительно большим количеством древесины, необходимой для радиометрического измерения одного образца (составляющего от 50 до 200 г в зависимости от типа древесины и способа химической обработки).

Интересными оказались исследования содержания 14С в земной атмосфере для временного интервала, начинающегося с 1700 г. (имеются надежные данные по числам солнечных пятен) и простирающегося до конца настоящего столетия (период времени с конца XIX в. подвержен действию антропогенных факторов, влияющих на уровень естественной активности радиоактивного углерода). Они продемонстрировали, что существуют циклические вариации содержания 14С, хотя некоторые экспериментальные результаты все еще остаются противоречивыми. Как указано выше, эффекты 11-летнего “радиоуглеродного” цикла незначительно превышают неопределенность измерений. Кроме того, неопределенности присущи и солнечной модуляции потока космических лучей, и параметрам обменной системы радиоуглерода. Анализ погодичных данных содержания 14С в кольцах деревьев [7], в винах [8], а также ряда чисел солнечных пятен, проведенный с помощью автокорреляционной функции, и спектр радиоуглеродных данных показывают наличие 11-летней цикличности на 95 %-ном доверительном интервале и ее корреляцию с числами солнечных пятен в течение четырех солнечных циклов (с 15-го по 19-й) со средней амплитудой 0,43±11 % в винах и примерно вдвое меньшей - в кольцах деревьев.

Рис.3.

Результаты измерения содержания радиоуглерода от года к году: (~38° с. ш„ ~45 в. д.); б и в - в кольцах деревьев, произраставших на разных высотах и широтах (б - 32°26' с. ш., 110 47' з. д., высота 2740 м над ур. м.; в - 47 46 с. ш„ 124°09 з. д., на уровне моря. Штриховой линией представлена солнечная активность с учетом запаздывания концентрации 14С относительно солнечного цикла.

Четко выделяется тонкая структура в погодичных измерениях концентрации 14С. Несмотря на то, что образцы относятся к разным высотам и широтам и к районам, в которых влияние промышленного эффекта от сжигания ископаемого топлива на уровень содержания 14С разное, кривые хорошо воспроизводятся, и каждая из них показывает все общие наиболее значимые особенности.

Установленное соотношение между числами солнечных пятен и образованием 14С в течение 11-летних солнечных циклов для современного периода наблюдений за Солнцем можно использовать, чтобы смоделировать поведение содержания 14С для более ранних промежутков времени. Простая модель солнечной модуляции, основанная на таком соотношении, была использована для сопоставления экспериментальных и расчетных значений содержания 14С за последнее тысячелетие. Было показано, что эта простая модель, расширенная на недалекое прошлое, может воспроизводить по амплитуде и положению наблюдаемые увеличения космогенного 14С. Таким образом, благодаря знанию поведения космогенного изотопа и его скорости образования, можно как восстановить, так и предсказать его концентрацию на различных временных шкалах.

Результаты измерений содержания 14С в образцах, охватывающих последнее тысячелетие, показывают значительные его осцилляции, длительностью в несколько десятков лет. Такие длительные повышения концентрации 14С можно соотнести с экстремально низкой солнечной активностью. Тем более, и в поведении Солнца в XVII - XVIII вв. (приходящихся как раз на наиболее примечательное повышение уровня 14С) надежно установлено резкое ослабление солнечных пятен - маундеровский минимум. В работе В. А. Дергачева и В. С. Векслера показано, что маундеровский минимум солнечной активности дает нам ключ к интерпретации солнечных эффектов в истории 14С и уверенность в описании других подобных отклонений содержания 14С за счет влияния Солнца. Обстоятельство это и было использовано как мера обнаруженных повышений в уровне радиоуглерода соответствующими минимумами солнечной активности: минимумом Шперера (XV - XVI вв.) и минимумом Вольфа (XIII - XIV вв.) и более ранними.

Каждый из этих минимумов отстоит друг от друга в среднем на 200 - 210 лет. Что касается минимумов содержания 14С, то они могут быть связаны с высокой солнечной активностью. Например, минимум концентрации 14С, приходящийся на XII - XIII вв. (на период так называемой “средневековой эпохи потепления”), по летописям, свидетельствует о высокой активности Солнца в ту эпоху. Таким образом, видно, что отклик атмосферной концентрации 14С на экстремальное поведение солнечной активности, по крайней мере для последнего тысячелетия, вряд ли случайно. Иначе говоря, эти данные свидетельствуют в пользу гелиомодуляции потока космических лучей.

Рис.4. Сопоставление измеренных значений концентрации 14С в земной атмосфере для последнего тысячелетия (точки) с рассчитанными по модели (сплошная линия).

Заметны выразительные пики концентрации 14С, приходящиеся на периоды исторически зафиксированной уменьшенной солнечной активности — минимумы: Маундера (1645—1715 гг.), Шперера (1420—1530 гг.) и Вольфа (1280—1340 гг.). Значительное понижение уровня 14С в течение XII—XIII вв. связано, по-видимому, с влиянием высокой солнечной активности.

Рис.5. Спектральная плотность мощности (p концентрации 14С (согласно данным, приведенным на рис. 1) после удаления долговременного тренда, полученная: а — с помощью дискретного Фурье-преобразования; б — методом максимальной энтропии. Цифрами выделены наиболее характерные общие периоды, полученные различными методами.

Встает вопрос: регулярны или случайны такие проявления солнечной активности в более удаленном прошлом. Ответ можно получить из длинных рядов наблюдений природных событий, используя разнообразные методы статистического анализа временных рядов.