Δευτέρα 31 Οκτωβρίου 2022

Μοντελοποίηση γεγονότων κοσμικής ακτινοβολίας στο αρχείο ραδιοανθρακικών δακτυλίων δέντρων


 

Qingyuan Zhang
, 
Utkarsh Sharma
,
Jordan A. Dennis
,
Andrea Scifo
,
Είδη Margot
,
Ουλφ Μπούντγκεν
,
Mathew J. Owens
,
Michael W. Dee
και
Benjamin JS Pope

Δημοσιεύθηκε: 26 Οκτωβρίου 2022https://doi.org/10.1098/rspa.2022.0497

Οι ετήσιες επιλυόμενες μετρήσεις της περιεκτικότητας σε ραδιενεργό άνθρακα σε δακτυλίους δέντρων έχουν αποκαλύψει σπάνιες απότομες αυξήσεις στην παραγωγή άνθρακα-14. 
Αυτά τα «γεγονότα Miyake» πιθανότατα παράγονται από σπάνιες αυξήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας από τον Ήλιο ή άλλες ενεργειακές αστροφυσικές πηγές. 

Ο ραδιενεργός άνθρακας που παράγεται όχι μόνο κυκλοφορεί μέσω της ατμόσφαιρας και των ωκεανών της Γης, αλλά επίσης απορροφάται από τη βιόσφαιρα και κλειδώνεται στους ετήσιους δακτυλίους ανάπτυξης των δέντρων. 

Επομένως, για να ερμηνευθούν οι μετρήσεις ραδιοάνθρακα υψηλής ανάλυσης δένδρων δακτυλίων, απαιτείται η μοντελοποίηση ολόκληρου του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα. 

Εδώ, παρουσιάζουμε "κτύπος ωρολογιού( https://github.com/SharmaLlama/ticktack/ ), το πρώτο πακέτο Python ανοιχτού κώδικα που συνδέει μοντέλα κουτιών του κύκλου άνθρακα με σύγχρονα Μπεϋζιανά εργαλεία συμπερασμάτων. 
Το χρησιμοποιούμε για να αναλύσουμε όλα τα δημόσια ετήσια
 14ντο δεδομένα δέντρου και συμπεραίνουν μεταγενέστερες παραμέτρους και για τα έξι γνωστά συμβάντα Miyake. 

Δεν δείχνουν μια συνεπή σχέση με τον ηλιακό κύκλο και πολλά εμφανίζουν εκτεταμένες διάρκειες που προκαλούν είτε αστροφυσικά είτε γεωφυσικά μοντέλα.


1. Εισαγωγή

Η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα χρησιμοποιείται για τον ακριβή προσδιορισμό της ηλικίας των δειγμάτων βιολογικού υλικού και αποτελεί θεμελιώδες εργαλείο της σύγχρονης αρχαιολογίας [ 1 , 2 ]. Τα θερμικά νετρόνια που παράγονται από τις κοσμικές ακτίνες αλληλεπιδρούν με
 14Νάτομα στην ανώτερη ατμόσφαιρα για την παραγωγή ραδιενεργών 14ντο, ή ραδιοάνθρακας, ο οποίος φιλτράρει σε όλο τον κύκλο του άνθρακα μέσω της ατμόσφαιρας, της βιόσφαιρας και του θαλάσσιου περιβάλλοντος. 

Οι Libby et al. [ 3 ] έδειξε ότι η αναλογία των

14ντοσε σταθερή αφθονία ισοτόπων άνθρακα είναι περίπου σταθερή στην ατμόσφαιρα με την πάροδο του χρόνου: ενώ οι ζωντανοί οργανισμοί ανανεώνονται συνεχώς 14ντοαπό την ατμόσφαιρα, σε νεκρή οργανική ύλη, αυτός ο ραδιοάνθρακας διασπάται με ημιζωή 5700 ετών, και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρολόι για την ημερομηνία αρχαιολογικών και παλαιοντολογικών δειγμάτων.

Αναλυτικά, αυτή η εικόνα περιπλέκεται από τις διακυμάνσεις του ρυθμού παραγωγής ραδιοάνθρακα. Η πιο σχετική πηγή παραλλαγής στο πλαίσιο αυτής της εργασίας είναι από τον κύκλο δραστηριότητας του Ήλιου. 

Σε χαμηλά σημεία της ηλιακής δραστηριότητας, η μειωμένη μαγνητική θωράκιση σημαίνει ότι η ροή των κοσμικών ακτίνων στη Γη αυξάνεται [ 4 ]. αλλά επίσης, κρούσεις πριν από τις εκτοξεύσεις μάζας του ηλιακού στέμματος μπορούν να επιταχύνουν ενεργητικά σωματίδια που παράγουν ραδιενεργό άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης. 

Ως αποτέλεσμα, οι μετρήσεις ραδιοανθράκων δεν είναι μόνο σημαντικά εργαλεία για την αρχαιολογία, αλλά και για ιστορικές μελέτες του διαστημικού καιρού, της ηλιακής και γεωμαγνητικής δραστηριότητας και της δυναμικής του κλίματος της Γης [ 5 ].

Για πολλά είδη, οι δακτύλιοι δέντρων μπορούν να χρονολογηθούν με το ακριβές έτος σχηματισμού τους, την επιστήμη της δενδροχρονολογίας. 

Ο ραδιενεργός άνθρακας σε δακτυλίους δέντρων, κατάλληλα ρυθμισμένος για ραδιενεργή αποσύνθεση, προσφέρει επομένως μια λεπτομερή καταγραφή των συγκεντρώσεων ραδιοανθράκων με την πάροδο του χρόνου. 

Η ύπαρξη διακύμανσης από το ένα έτος στο άλλο φάνηκε για πρώτη φορά από τον de Vries [ 6 ]. 

Χρησιμοποιώντας μετρήσεις στο πεύκο της Βόρειας Αμερικής, ο Suess [ 7 ] αποκάλυψε την κλίμακα των διακυμάνσεων του ραδιενεργού άνθρακα σε χρονικές κλίμακες χιλιετίας, καταδεικνύοντας την ανάγκη για μια «καμπύλη βαθμονόμησης» για την αρχαιολογική χρονολόγηση. Τέτοιες καμπύλες έχουν αποκτήσει αυξανόμενη πολυπλοκότητα με την πάροδο του χρόνου και την τελευταία δεκαετία έχουν επιτύχει υψηλή ακρίβεια και ετήσια ανάλυση, για παράδειγμα IntCal13 [ 8 ] και IntCal20[ 9–11].

Αυτές οι πρόσφατα λεπτομερείς καμπύλες αποκάλυψαν τη μακροχρόνια υποψία αστροφυσικής επίδρασης του κύκλου ηλιακής δραστηριότητας στη ρύθμιση της παραγωγής ραδιοάνθρακα σε μεμονωμένους ηλιακούς κύκλους [ 12 ]. 

Έδωσαν επίσης μια έκπληξη: Miyake et al. [ 13 ] ανακάλυψε στους δακτυλίους κέδρων της Ιαπωνίας ένα ξαφνικό άλμα ενός έτους στη συγκέντρωση ραδιενεργού άνθρακα γύρω στο 774 Κ.Χ. Ακολούθησε σύντομα η ανακάλυψη μιας άλλης ακίδας σε δακτυλίους δέντρων από το 993 π.Χ. [ 14 ] , και περαιτέρω τέτοιες αιχμές έχουν βρεθεί το 660 π.Χ. 16], για συνολικά έξι καλά μελετημένες και αποδεκτές αιχμές ραδιοάνθρακα. Αυτά είναι συχνά γνωστά ως «γεγονότα Miyake», από τον πρώτο τους ανακάλυψε. Άλλες αιχμές έχουν διεκδικηθεί από ορισμένα δείγματα δακτυλίων δέντρων, αλλά δεν αναπαράγονται παγκοσμίως : μία στο 800 π.Χ. Αρκετά μικρά γεγονότα προτείνονται επίσης το 1052 CE, και το 1261, 1268 και 1279 CE από τους Brehm et al. [ 21 ] και Miyahara et al. [ 22 ].

Η λεπτομερής μελέτη αυτών των γεγονότων είναι σημαντική για τον προσδιορισμό της προέλευσής τους. Καλύτερα δεδομένα είναι διαθέσιμα για τα δύο γεγονότα στην Κοινή Εποχή, δείχνοντας ότι τα γεγονότα του 774 και του 993 CE έχουν παγκόσμια συνοχή, συμπεριλαμβανομένων πολλών δέντρων τόσο στο βόρειο όσο και στο νότιο ημισφαίριο [ 23 ]. 
Εν τω μεταξύ, παρόλο που τα άλλα γεγονότα δείχνουν απότομες μονοετείς ανόδους, το γεγονός του 660 π.Χ. έχει μια παρατεταμένη άνοδο για μερικά χρόνια, η οποία θα μπορούσε να οφείλεται σε παρατεταμένη παραγωγή ή σε μια διαδοχή γεγονότων [ 24 ]. 
Για σύγκριση, μια δεκαετής άνοδος το 5480 π.Χ., λιγότερο από έναν αιώνα πριν από την άνοδο ενός έτους το 5410 π.Χ., αποδίδεται από στοιχεία πολυραδιονουκλεϊδίων σε ένα ασυνήθιστο μεγάλο ηλιακό ελάχιστο πολύ μεγάλου βάθους και μικρής διάρκειας [ 25 , 26 ]. Καμία άλλη απότομη άνοδος
Δ14ντοπου έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής έχουν δείξει στοιχεία υποδομής εγκαίρως.

Τα γεγονότα του Miyake προσφέρουν στους αρχαιολόγους ένα απότομο σήμα ραδιοάνθρακα, συγχρονισμένο σε όλη τη Γη, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη ημερομηνιών ενός έτους για δακτυλίους δέντρων σε δείγματα που διαφορετικά δεν μπορεί να φτάσει η δενδροχρονολογία [ 27 ]. 

Για παράδειγμα, η ιστορικά σημαντική έκρηξη του ηφαιστείου Changbaishan μπορεί να χρονολογηθεί στο 946 CE [ 28 , 29 ]. 

Χρονολογώντας την τοποθεσία των Ουιγούρων του Por-Bajin στη Ρωσία ακριβώς το 777 Κ.Χ., μπορεί να αναγνωριστεί ως μοναστήρι που χτίστηκε κάτω από τη βραχύβια μεταστροφή του Ουιγούρου Χαγανάτου στον Μανιχαϊσμό [ 30 ]. 

Αυτά τα δεδομένα ήταν τα πιο επαναστατικά για την αρχαιολογία της Εποχής των Βίκινγκς. 

Οι ημερομηνίες εκδήλωσης 774 CE βρίσκουν στο Ribe της Δανίας και αγκυρώνουν την ερμηνεία των εμπορικών τους δικτύων [ 31], ενώ το γεγονός του 993 CE χρονολογεί με ασφάλεια τον οικισμό L'Anse aux Meadows στο 1021 CE—την πρώτη απόδειξη ευρωπαϊκής εγκατάστασης στην Αμερική [ 32 ].

Η απότομη άνοδος της ακτινοβολίας, με ταυτόχρονη παγκόσμια έναρξη, δείχνει ότι τα γεγονότα του Miyake είναι αστροφυσικής προέλευσης, για τα οποία έχουν προσφερθεί ποικίλες εξηγήσεις (αναθεωρήθηκαν διεξοδικά στο [ 33 ]).
 Τα πεθαμένα αστέρια και τα απομεινάρια τους είναι γνωστό ότι παράγουν εξαιρετικά έντονες εκρήξεις ακτινοβολίας και αποτελούν εκ πρώτης όψεως λογικές αστροφυσικές πηγές. 
Για παράδειγμα, μια απότομη έκρηξη ακτινοβολίας θα μπορούσε να έχει εκδοθεί από μια γαλαξιακή έκρηξη ακτίνων γάμμα [ 34 , 35 ] ή από κοντινό σουπερνόβα, αν και μέχρι στιγμής λείπουν αστρονομικά στοιχεία για αυτά. Dee et al. [ 36 ] απέτυχαν να βρουν στοιχεία αύξησης ραδιοάνθρακα που σχετίζεται με οποιαδήποτε από τις γνωστές ιστορικές σουπερνόβα, ενώ οι Terrasi et al.[ 37 ] βρείτε ένα 2
σαύξηση του ραδιοάνθρακα το 1055 μ.Χ. μετά το σουπερνόβα του Καβουριού.

 Μια εναλλακτική πρόταση εξετάζει μια έκρηξη μαγνητάριου από ένα κοντινό μαγνητισμένο αστέρι νετρονίων [ 38 ], το οποίο είναι ενεργειακά εύλογο — αλλά κανένα επαρκώς κοντινό ή ενεργό αστέρι νετρονίων δεν είναι ακόμη γνωστό από τις συμβατικές αστρονομικές παρατηρήσεις. Pavlov et al. [ 39 ] και Pavlov et al. [ 40 ] έχουν προτείνει παρατεταμένα γεγονότα όπως το 660 π.Χ. και το 5480 π.Χ. είναι το αποτέλεσμα ενισχυμένης ροής κοσμικών ακτίνων στη Γαλαξία για αρκετά χρόνια μετά τη συμπίεση της ηλιόσφαιρας από πυκνά νέφη στο διαστρικό μέσο. Πιο κοντά στο σπίτι, οι Liu et al. [ 41 ] προτείνουν το

 14ντοθα μπορούσε να εναποτεθεί στην ατμόσφαιρα απευθείας από έναν διερχόμενο κομήτη. αυτή η ερμηνεία απορρίπτεται από τους Usoskin & Kovaltsov [ 42 ], οι οποίοι υποστηρίζουν ότι ένας τέτοιος κομήτης θα έπρεπε να είχε μέγεθος (⪆100 χλμ) που θα είχε καταστρέψει τη Γη.

Η ευρεία συναίνεση της βιβλιογραφίας είναι ότι αυτά τα γεγονότα έχουν ηλιακή προέλευση, ξεκινώντας από τους Melott & Thomas [ 43 ]. Usoskin et αϊ. [ 44 ]. Για παράδειγμα, τα γεγονότα θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν μια ηλιακή μαγνητική κατάρρευση, ένα πολύ σύντομο μεγάλο ηλιακό ελάχιστο, με τη μειωμένη ηλιοσφαιρική θωράκιση να εκθέτει τη Γη σε μια αύξηση των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων [ 45 ]. Εναλλακτικά, και πιο δημοφιλή στη βιβλιογραφία, τα γεγονότα Miyake θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν την ακραία ουρά μιας κατανομής ηλιακών εκλάμψεων συνεχούς με εκείνες που παρατηρούνται αστροφυσικά στον σύγχρονο Ήλιο και σε άλλα αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο. Είμαστε τυχεροί που
 14ντοδεν είναι το μόνο κοσμογονικό ισότοπο που μπορεί να ανιχνεύσει αυτά τα γεγονότα: βλέπουμε στοιχεία των γεγονότων του 774 Κ.Χ. και του 993 Κ.Χ. σε χρονοσειρές 10Είναικαι 36Clαπό πυρήνες πάγου [ 46 , 47 ], και επειδή η παραγωγή αυτών των ισοτόπων εξαρτάται από την ενέργεια των σωματιδίων εισόδου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συμπεράνουμε ένα φάσμα ενέργειας σωματιδίων παρόμοιο με τα ηλιακά ενεργειακά πρωτόνια [ 48 ]. Παράγουν μόνο τα πιο ενεργητικά σωματίδια 10Είναι, αλλά 36Clαναμένεται να παραχθεί σε συγκριτικά χαμηλές ενέργειες και επομένως μπορεί να ρίξει φως και σε άλλα γεγονότα [ 49 ]. Οι ακραίες ηλιακές εκλάμψεις ή εκπομπές είναι εύλογες αστροφυσικά: με βάση τα ευρήματα του διαστημικού τηλεσκοπίου Kepler [ 50 ], τα αστέρια νάνοι G (όπως ο Ήλιος) πιστεύεται ότι παράγουν υπερεκλάμψεις κάθε μερικές εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες χρόνια [ 51 ], ακόμη και παλιά και αργά περιστρεφόμενα αστέρια [ 52 , 53 ].

Ωστόσο, ακόμη και υπό το φως των αβεβαιοτήτων στη ροή σωματιδίων από την υπάρχουσα βιβλιογραφία, ένα γεγονός όπως το γεγονός του 774 CE θα έπρεπε να είναι περισσότερο από μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερο ακόμη και από το συμβάν Carrington, την πιο σημαντική στεφανιαία εκτόξευση μάζας και τη συνοδευτική γεωμαγνητική καταιγίδα που παρατηρήθηκε ποτέ στην οργανική εποχή της επιστήμης [ 54 ]. Εξετάζοντας πιθανές γωνίες ακτινοβολίας και αβεβαιότητες σε μοντέλα του κύκλου άνθρακα, οι Neuhäuser & Hambaryan [ 55 ] υποστηρίζουν ότι το γεγονός του 774 CE μπορεί να είναι απίστευτα τεράστιο για να είναι μια ενιαία ηλιακή υπερέκρηξη. Το γεγονός ηλιακού πρωτονίου του 1956 παρήγαγε ένα εκτιμώμενο
3.04×106 άτομα/εκ−2του 14ντο[ 56 ]; Ανάλογα με τις υποθέσεις σχετικά με την κλάση έκλαμψης και τη φασματική του σκληρότητα, το συμβάν του 774 CE θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε μια έκλαμψη ακτίνων Χ τόσο φωτεινή όσο X1800, σχεδόν δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από οποιαδήποτε προηγουμένως παρατηρηθεί [ 57 ].

Εν τω μεταξύ, τα αρχεία νιτρικών ιόντων στον πυρήνα του πάγου στο 774 CE και το 993 CE δεν δείχνουν κανέναν υπαινιγμό σήματος από ακραία ηλιακή δραστηριότητα [ 58 , 59 ]. Τουλάχιστον μερικές υπερεκλάμψεις που παρατηρήθηκαν από άλλα αστέρια είναι γνωστό ότι προέρχονται από άλυτους δυαδικούς συντρόφους M νάνους [ 60 ], οι οποίοι είναι πολύ πιο δραστήριοι από τους νάνους G όπως ο Ήλιος και, επειδή εμείς οι ίδιοι δεν έχουμε τέτοιο σύντροφο, δεν μπορούσα να εξηγήσω ο ραδιοάνθρακας εκρήγνυται. Οι ακραίες γεωμαγνητικές καταιγίδες εμφανίζονται κατά προτίμηση γύρω από τα μέγιστα του ηλιακού κύκλου [ 61 ]. Ενώ τα ιστορικά δεδομένα για τα ηλιακά ενεργειακά σωματίδια είναι πολύ πιο περιορισμένα, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι ακολουθούν ένα παρόμοιο πρότυπο [ 62], καθώς και τα δύο προκύπτουν από ενεργητικές εκτινάξεις μάζας στεφανιαίων. Επομένως, εάν τα γεγονότα του Miyake συμβαίνουν κατά προτίμηση στα ηλιακά μέγιστα, αυτό θα υποστήριζε μια ηλιακή προέλευση. Τα ίδια τα δεδομένα ραδιοάνθρακα περιέχουν τον 11χρονο ηλιακό κύκλο και έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για να προσδιοριστεί η φάση του τη στιγμή ενός γεγονότος Miyake [ 15 , 21 , 63-65 ] . Σε αυτή την εργασία, θα επιχειρήσουμε ένα παρόμοιο συμπέρασμα.

Δυστυχώς, υπάρχουν αρκετά περιορισμένα στοιχεία σε γραπτές ιστορικές μαρτυρίες για ασυνήθιστα αστρονομικά φαινόμενα που συμπίπτουν με τις αιχμές του ραδιοάνθρακα (για μια περιεκτική περιγραφή, βλέπε [ 66 ]). Το Αγγλοσαξονικό Χρονικό αναφέρει έναν «κόκκινο σταυρό, μετά τη δύση του ηλίου» το 774 Κ.Χ. [ 67 ]. εάν πρόκειται για σέλας, αυτό είναι σύμφωνο με μια τεράστια ηλιακή έκλαμψη, αλλά έχει υποστηριχθεί ότι ο «σταυρός» είναι απλώς ένα σεληνιακό οπτικό φωτοστέφανο (Neuhäuser & Neuhäuser [ 68 ], μια ερμηνεία που απορρίφθηκε από τους Hayakawa et al. [ 69 ]). ). Ένα σέλας αναφέρεται επίσης το 775 Κ.Χ. από το κινεζικό χρονικό Jiutangshu [ 70]. Εξακολουθεί να ισχύει ότι άλλες ιστορικές καταγραφές δεν έχουν αποδειχθεί οριστικά ότι αναφέρονται σε σέλας κατά το έτος γύρω από αυτό το γεγονός.

Η κατανόηση της μακροπρόθεσμης συμπεριφοράς της ηλιακής δραστηριότητας έχει τρέχον ενδιαφέρον στην αστροφυσική. Ένα μεγάλο ελάχιστο σε αστρική δραστηριότητα έχει παρατηρηθεί μόνο σε ένα αστέρι εκτός από τον Ήλιο [ 71 , 72 ], και το δυναμό του ίδιου του Ήλιου μπορεί να είναι ασυνήθιστο. Τα αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο γεννιούνται ταχέως περιστρεφόμενα και πολύ μαγνητικά ενεργά, και οι μαγνητισμένοι άνεμοι τους επιβραδύνουν την περιστροφή τους καθώς γερνούν – έτσι ώστε η ηλικία των αστεριών που μοιάζουν με τον ήλιο να μπορεί να συναχθεί από κατάλληλα βαθμονομημένες σχέσεις «γυροχρονολογίας» [ 73 ]. Ωστόσο, καμία μεμονωμένη γυροχρονολογική σχέση δεν ταιριάζει στις περιόδους περιστροφής μεγάλων δειγμάτων άστρων που προσδιορίστηκαν με τον Kepler [ 74]. Η αναδυόμενη συναίνεση είναι ότι η εξασθενημένη μαγνητική πέδηση σε παλαιότερα αστέρια προκαλεί τη μείωση της δραστηριότητας χωρίς ανάλογη μείωση των περιόδων περιστροφής [ 75-77 ] , και αυτό μπορεί να προκληθεί από μια μετάβαση που συμβαίνει στους αριθμούς Rossby της τάξης της ενότητας μεταξύ ενός γρήγορου και ενός αργού τύπου του αστρικού μαγνητικού δυναμό [ 78 , 79 ]. Είναι αξιοσημείωτο ότι όχι μόνο ο Ήλιος είναι λιγότερο ενεργός από τα περισσότερα αστέρια που μοιάζουν με ηλιακά [ 80 ], αλλά συμβαίνει και ο δικός μας Ήλιος να είναι περίπου στην ηλικία και τον αριθμό Rossby της προτεινόμενης μετάβασης—έτσι που μπορεί να είναι άτυπος για τα αστέρια πεδίου γενικά, και οι μακροπρόθεσμες χρονοσειρές της δραστηριότητάς του έχουν ευρεία συνάφεια στην αστροφυσική.

Εάν συνέβαινε ένα γεγονός Miyake σήμερα, η ξαφνική και δραματική αύξηση της κοσμικής ακτινοβολίας θα μπορούσε να είναι καταστροφική για τη βιόσφαιρα και την τεχνολογική κοινωνία. Επομένως, είναι ανησυχητικό το γεγονός ότι έχουμε ελάχιστη κατανόηση για το πώς να προβλέψουμε την εμφάνισή τους ή τις επιπτώσεις τους. Ένα συμβάν ηλιακού πρωτονίου τάξεων μεγέθους πιο ισχυρό από οποιοδήποτε άλλο παρατηρήθηκε προηγουμένως θα μπορούσε να προκαλέσει μια «διαδικτυακή αποκάλυψη» παρατεταμένων διακοπών, καταστρέφοντας υποθαλάσσια καλώδια και δορυφόρους [ 81 ]. Οι άμεσες επιπτώσεις των ενεργειακών σωματιδίων θα μπορούσαν ακόμη και να βλάψουν την υγεία των επιβατών σε αεροσκάφη μεγάλου υψόμετρου [ 82-84 ] . Είναι επίσης πιθανό ότι το γεγονός του 774 CE θα είχε προκαλέσει περίπου
8.5%μείωση της παγκόσμιας κάλυψης του όζοντος, με σημαντική αλλά όχι καταστροφική επίδραση στις καιρικές συνθήκες [ 59 ]. Η προέλευση και η φυσική αυτών των αιχμών ραδιοάνθρακα είναι επομένως σημαντικές όχι μόνο για τους αστρονόμους και τους αρχαιολόγους, αλλά για τον σχεδιασμό και τον μετριασμό του κινδύνου στη γενική κοινωνία.

(α) Μοντέλα κύκλου άνθρακα

Ένας πολύ σύντομος παλμός ακτινοβολίας που χτυπά την ατμόσφαιρα οδηγεί σε απότομη άνοδο (περ.
1 έτος) σε μετρημένοΔ14ντοκαι αργή αποσύνθεση (περίπου μια δεκαετία) καθώς ο νέος ραδιοάνθρακας φιλτράρεται μέσω του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα, βρίσκοντας το δρόμο του στη βιόσφαιρα, τους ωκεανούς και τα ιζήματα. Επομένως, για να ερμηνεύσουμε αστροφυσικά τις χρονοσειρές ραδιοανθράκων, είναι απαραίτητο να μοντελοποιήσουμε αυτόν τον κύκλο άνθρακα. Ο πιο δημοφιλής τρόπος για να γίνει αυτό είναι η χρήση ενός μοντέλου Carbon Box (CBM; [ 85 – 89 ]), στο οποίο ο παγκόσμιος προϋπολογισμός άνθρακα κατανέμεται μεταξύ διακριτών δεξαμενών (π.χ. ατμόσφαιρα, ωκεανοί και ζώντες οργανισμοί, ή υποδιαιρέσεις τους). Είναι επίσης σύνηθες να συμπεριλαμβάνονται τα αποτελέσματα της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας ή της γεωχημείας σε άλλους τομείς της γεωεπιστήμης και της πλανητικής επιστήμης (π.χ. [ 90 , 91]), αλλά στα χρονοδιαγράμματα και τις ευαισθησίες που σχετίζονται με τα γεγονότα του Miyake, αυτές οι δεξαμενές θεωρείται ότι συνδέονται μεταξύ τους γραμμικά. Αυτό οδηγεί σε ένα σύστημα συνηθισμένων διαφορικών εξισώσεων πρώτης τάξης (ODEs): μια διαδικασία διάχυσης, με έναν ανομοιογενή όρο οδήγησης για την ατμοσφαιρική παραγωγή.

Ενώ τα CBM είναι απαραίτητα για τη συσχέτιση χρονοσειρών δέντρων με τους ρυθμούς παραγωγής, κανένα από αυτά τα μοντέλα που εφαρμόζονται στα συμβάντα Miyake στη βιβλιογραφία δεν είναι διαθέσιμο ανοιχτού κώδικα. Κατά συνέπεια, διαφορετικές αναλύσεις περιέχουν συστηματικά αποτελέσματα που εξαρτώνται από το μοντέλο που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν ή να βαθμονομηθούν.

Σε αυτό το άρθρο, εισάγουμε ένα γρήγορο πλαίσιο Python για μοντέλα κουτιών άνθρακα, το ticktack ( https://sharmallama.github.io/ticktack ). 1 Το πλαίσιο έχει σχεδιαστεί για να είναι ευέλικτο, επιτρέποντας τον προσδιορισμό και την τροποποίηση αυθαίρετων μοντέλων κουτιών. Αυτό υλοποιείται στη βιβλιοθήκη Google J ax υψηλής απόδοσης [ 92 ], η οποία υποστηρίζει τη μεταγλώττιση έγκαιρα, την αυτόματη διαφοροποίηση και την ανάπτυξη κώδικα σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU). Αυτός ο κώδικας διασυνδέεται με τα δημοφιλή πακέτα συμπερασμάτων Bayesemcee[ 93 ] και J ax NS [ 94 ]. Το χρησιμοποιούμε για την αναπαραγωγή πολλών πρόσφατων CBM που εφαρμόστηκαν σε χρονοσειρές ραδιοανθράκων: το μοντέλο 4 κουτιών των Miyake et al. [ 25 ], το μοντέλο 11 κουτιών των Güttler et al. [ 95 ] και τα μοντέλα 22 κουτιών των Büntgen et al. [ 23 ] και Brehm et al. [ 21 ].

Τα εφαρμόζουμε σε όλα τα δημοσιευμένα ετήσια δεδομένα δακτυλίου δέντρων και για τα έξι γνωστά συμβάντα Miyake και συμπεραίνουμε μεταγενέστερες κατανομές πιθανοτήτων για παραμετρικά και μη παραμετρικά μοντέλα του ρυθμού παραγωγής ραδιοάνθρακα με την πάροδο του χρόνου, συμπεριλαμβανομένου του χρόνου και της διάρκειας, του πλάτους και της σχέσης με το ηλιακός κύκλος. Αυτά τα οπίσθια καθορίζουν μια σχέση με τον ηλιακό κύκλο το 993 CE, το 774 CE και το 5410 BCE, αν και όχι για άλλα γεγονότα, και ένα εύρος συνολικής παραγωγής ραδιοάνθρακα που αποδίδει σε έναν μόνο παλμό το ισοδύναμο 1-4 ετών μέσης παραγωγής.

2. Μέθοδοι: το πλαίσιο μοντέλου καρμπόν κουτιού ticktack

Τα μοντέλα κουτιών άνθρακα χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιβλιογραφία από την αρχαιολογία έως τη γεωφυσική. Καλύπτουν διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας, από απλές επεξεργασίες ραδιενεργού άνθρακα σε σχέση με τον άνθρακα-12, έως πλήρη μοντέλα παγκόσμιας γεωχημείας από την αρχή της Γης (π.χ. [ 90 ]).

Στα χρονοδιαγράμματα που σχετίζονται με τις μονοετή αιχμές ακτινοβολίας, αρκεί να ληφθεί υπόψη μόνο η δυναμική του ραδιοάνθρακα σε ένα σταθερό υπόβαθρο ροών άνθρακα ισορροπίας. Οι συνολικές ιδιότητες αυτών των μοντέλων καθορίζονται από τις δεξαμενές στις οποίες κατανέμεται ο άνθρακας. τη σταθερή περιεκτικότητα σε άνθρακα κάθε δεξαμενής
ΝΕγώ12και τις σταθερές ροές άνθρακα που καθορίζονται σε Gt/έτος ή σε χρόνους παραμονής (έτος),φάΕγώι12; τις δεξαμενές στις οποίες παράγεται ραδιοάνθρακας από τις κοσμικές ακτίνες και σε ποιες αναλογίες,ΣΕΕγώ; και ο μακροπρόθεσμος μέσος ρυθμός παραγωγής ραδιοάνθρακαq0.

Στη συνέχεια, η ροή ραδιοάνθρακα μεταξύ των δεξαμενών υπολογίζεται ως

φάΕγώ14ι=(Μ14Μ12ΝΕγώ12 φάΕγώι12−λ)⏟≡ΜΕγώι⋅ΝΕγώ14,
2.1
όπου
λείναι η σταθερά ραδιενεργού διάσπασης για 14ντοκαιΜΕγώιείναι ένας στατικός πίνακας μεταφοράς. Αυτό μας επιτρέπει να απλοποιήσουμε το μοντέλο CBM για ένα διάνυσμα κατάστασης ραδιοάνθρακαΥ≡[ΝΕγώ14]και διάνυσμα συντελεστών παραγωγήςΣΕ≡[ΣΕΕγώ]ως γραμμική, πρώτης τάξης ΟΔΕ
ρεΥρεt=ΜΥ+Q(t)ΣΕ,
2.2
όπου ο ανομοιογενής όρος
Q(t)είναι ο ρυθμός παραγωγής ραδιοάνθρακα. Για σταθερήQ(t)=q0αυτό έχει μια λύση σταθερής κατάστασηςΥ0=Μ−1q0. Για υπολογιστικούς λόγους, επαναπαραμετροποιούμε το ODE στη φόρμα
ρε(Υ−Υ0)ρεt=(Q(t)−q0)ΣΕ,
2.3
που μπορεί να επιλυθεί αποτελεσματικά με μια σειρά προσαρμοστικών αλγορίθμων μεγέθους βημάτων. Τα αποτελέσματα εξαρτώνται επίσης σε κάποιο βαθμό από τις υποθέσεις που γίνονται για την αντιστοίχιση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των εποχών ανάπτυξης των δέντρων και τυχόν βραχυπρόθεσμης ατμοσφαιρικής δυναμικής. και για την προσαρμογή αυτών των μοντέλων σε δεδομένα, τους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται για βελτιστοποίηση και εξαγωγή συμπερασμάτων.

Έχουμε αναπτύξει ένα πακέτο Python ανοιχτού κώδικα, αντικειμενοστρεφές,κτύπος ωρολογιού, για τον καθορισμό και την εκτέλεση αυθαίρετων CBM. Ένας χρήστης μπορεί να εισάγει μια σειρά απόΚουτίκαιΡοήαντικείμενα με αριθμητική τιμή για τη δεξαμενή ή τη ροή, τις μονάδες και τα μεταδεδομένα (π.χ. βόρειο ή νότιο ημισφαίριο ή το κλάσμα της παραγωγής ραδιοάνθρακα σε αυτό το πλαίσιο) και στη συνέχεια το συντάσσει σεCarbonBoxModelαντικείμενο; ή μπορούν να φορτώσουν ένα προαποθηκευμένο αντικείμενο. Ο χρήστης μπορεί στη συνέχεια να καθορίσει μια συνθήκη παραγωγής ισορροπίας—είτε απευθείας έναν ρυθμό παραγωγής ραδιοάνθρακα, είτε μπορεί να βρει το ρυθμό παραγωγής με βαθμιδωτή κάθοδο για να φτάσει έναν στόχο
 14ντοποσότητα σε μια συγκεκριμένη δεξαμενή.

ΑυτόCarbonBoxModelτότε έχει μια μέθοδοτρέξιμοπου χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο J ax Dormand-Prince (DP5; [ 96 ]), όπως υλοποιείται στη βιβλιοθήκη διαφορικών εξισώσεων Diffrax [ 97 ] για να λύσει το CBM ODE για μια καθορισμένη αρχική συνθήκη, ρυθμό παραγωγής και χρονικά βήματα. Επειδή αυτό υλοποιείται στο Google J ax [ 92 ], μπορεί να μεταγλωττιστεί, να εκτελεστεί σε GPU και να διαφοροποιείται αυτόματα, επιτρέποντας τη χρήση στη βελτιστοποίηση gradient descent και στο Hamiltonian Monte Carlo [ 98 ].

Ακολουθήσαμε τις περιγραφές τεσσάρων μοντέλων που χρησιμοποιούνται στη βιβλιογραφία, τα οποία είναι επαρκώς καλά περιγραφόμενα όσον αφορά τις δεξαμενές άνθρακα και τις ροές που μπορούν να μιμηθούνκτύπος ωρολογιού, και τα οποία έχουν εφαρμοστεί στην ανάλυση συμβάντων Miyake: το 11-box Güttler et al. [ 95 ] και 4-box Miyake et al. [ 25 ] και 22-box Büntgen et al. [ 23 ] και Brehm et al. [ 21 ]. Τα μοντέλα 22 κουτιών αντιπροσωπεύουν παρόμοια, αλλά ελαφρώς διαφορετικά, χωρίσματα σε δύο ημισφαίρια του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα που περιγράφεται στο μοντέλο των 11 κουτιών. Και τα τέσσερα μοντέλα είναι διαθέσιμα ως προεπιλεγμένα προαποθηκευμένα μοντέλακτύπος ωρολογιού.

κτύπος ωρολογιούδεν αντικαθιστά λεπτομερή μοντέλα του κύκλου του κλίματος, αλλά μάλλον για γρήγορη ανασυγκρότηση της παραγωγής από δεδομένα δακτυλίου δέντρων. Εναλλακτικές λύσεις ανοιχτού κώδικα όπωςpyhector[ 99 ], Pymagicc [ 100 ] ή το Simple Carbon Project (SCP-M; [ 91 ]) είναι προσανατολισμένα προς την κλιματική μοντελοποίηση, για την οποία το μοντέλο μας δεν είναι αρκετά ακριβές, αλλά δεν είναι αρκετά γρήγορα για να συνδέσουν το συμπέρασμα Μπεϋζιανής παραγωγής ραδιοάνθρακα . Το SCP-M συνδέει τη δυναμική των ωκεανών με ένα μοντέλο κύκλου άνθρακα, με περίπου
30 μικρόχρόνος εκτέλεσης για 10 ky? πρέπει να πετύχουμε≪1 μικρόχρόνος εκτέλεσης για το Markov Chain Monte Carlo (MCMC; [ 101 ]). Επίσης, δεν στοχεύουμε να πραγματοποιήσουμε βαθμονόμηση ημερομηνίας ραδιοάνθρακα, για την οποία υπάρχουν ήδη διαθέσιμες αρκετές βιβλιοθήκες ανοιχτού κώδικα, όπως οι OxCal [ 102 , 103 ], BCal [ 104 ], MatCal [ 105 ] ή ChronoModel [ 106 ].

(α) Παραμετρικό συμπέρασμα

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το μοντέλο σε λειτουργία προώθησης για να προσομοιώσουμε χρονοσειρές
 14ντοήΔ14ντο; και επομένως επίσης να λύσει το αντίστροφο πρόβλημα της ανακατασκευής των ρυθμών παραγωγής ραδιοάνθρακα από δεδομένα. Μπορούμε να φορτώσουμε ένα δαχτυλίδι δέντρουΔ14ντοχρονοσειρές μαζί με ένα CBM ως αSingleFitterαντικείμενο κλάσης μέσακτύπος ωρολογιού, το οποίο έχει μεθόδους για παραμετρική και μη παραμετρική Bayesian συμπέρασμα του ρυθμού παραγωγής ή με άμεση αντιστροφή του ODE. Σε αυτή την εργασία, υιοθετούμε ένα παραμετρικό μοντέλο για το ρυθμό παραγωγήςQ(t), δεδομένης σταθερής κατάστασηςq0, συμπεριλαμβανομένων τριών συστατικών

Q(t)=q0+ΕΝΑ⊙ q0αμαρτία⁡(2πt11 ο+ϕ)+μικρό(t,t0,Δt)+Μ⋅t,
2.4
όπου ο ηλιακός κύκλος έχει πλάτος
ΕΝΑ⊙και φάσηϕ; υπάρχει μια μακροπρόθεσμη τάση με κλίσηΜ. Το προφίλ κορυφαίας εκδήλωσης Miyakeμικρό(t)αντιπροσωπεύεται ως κανονικοποιημένο υπερ-Γκαουσιανό με ημερομηνία έναρξηςt0, διάρκειαΔt, και πλάτοςμικρό0:
μικρό(t,t0,Δt)≡μικρό0Δtexp⁡(−t−(t0+Δt/2)1/1.93516 Δt16).
2.5
Η υπερ-Γκαουσιανή μορφή επιλέγεται για να προσεγγίσει μια συνάρτηση κορυφαίου καπέλου, αλλά με διαφοροποιήσιμες πλευρές πιο επιδεκτικές σε βελτιστοποιητές και λύσεις ODE. Ο αριθμητικός παράγοντας του 1,93516 είναι το ολοκλήρωμα της μονάδας υπερ-Γκαουσιανού
exp⁡(−t16), και χρησιμοποιείται για κανονικοποίηση. Τα πλάτη οποιουδήποτε από αυτούς τους συντελεστές μπορούν προαιρετικά να καθοριστούν στο μηδέν για να απενεργοποιηθεί κάθε στοιχείο του μοντέλου παραγωγής.

Αυτό το προς τα εμπρός μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με εργαλεία Bayesian για να συμπεράνει τις μεταγενέστερες κατανομές πιθανοτήτων στις τιμές οποιασδήποτε από αυτές τις παραμέτρους. Υποθέτουμε μια κατανομή Gauss για το καθένα
Δ14ντοδείγμα με μέσο όρορεΕγώκαι αβεβαιότητασΕγώ, έτσι ώστε η πιθανότητα καταγραφής ενός διανύσματος παραμέτρουθείναι

κούτσουρο⁡μεγάλο(θ)=∑Εγώ ρεΕγώ−Q(θ)ΕγώσΕγώ,
2.6
και υιοθετήστε ομοιόμορφες προτεραιότητες κατά τη φάση και την ημερομηνία έναρξης με λογικά όρια, και ομοιόμορφες προτεραιότητες λογαριασμών Jeffreys έναντι όλων των άλλων παραμέτρων.

οSingleFitterη κλάση έχει μεθόδους για δειγματοληψία από αυτό το οπίσθιο χρησιμοποιώντας MCMC όπως υλοποιείται στο δειγματολήπτη συναφών αναλλοίωτων συνόλουemcee[ 93 , 107 ] και ένθετη δειγματοληψία όπως υλοποιήθηκε στο J ax NS [ 94 , 108 ].

(β) Μη παραμετρική συναγωγή

Είναι επίσης δυνατό να συναχθούν τα ποσοστά παραγωγής ραδιοανθράκων ανά έτος απευθείας από α
Δ14ντοχρονοσειρές, χρησιμοποιώντας είτε απευθείας αντίστροφη προς την ODE, είτε από μοντέλο προώθησης με ευέλικτη παραμετροποίηση υψηλών διαστάσεων.

Το ODE μπορεί να λυθεί ακριβώς για ένα κουτί
Εγώμε μη μηδενική παραγωγή και μετρημένα δεδομένα, όπως από μια χρονοσειρά δακτυλίων δέντρων στην τροπόσφαιρα, με αναδιάταξη της εξίσωσης ( 2.2 ) στη μορφή

Q=ΥΕγώ˙−(ΜΥ)ΕγώΣΕΕγώ,
2.7
εκτός από το ότι ο όρος ροής
ΜΥεξαρτάται από την κατάσταση του ραδιοάνθρακα σε όλα τα κουτιά ταυτόχρονα, έτσι ώστε να είναι επίσης απαραίτητο να συναχθούν τα στοιχεία που λείπουν από το διάνυσμα κατάστασης.

Για την υλοποίηση αυτού του αντίστροφου επιλύτη, οι Brehm et al. [ 21 ] πάρτε δεδομένα ετήσιου ρυθμού, παρεμβάλετε αυτά σε ένα συνεχές λεπτό πλέγμα (για παράδειγμα σε δειγματοληψία 12 μηνών) και σε μια μορφή πεπερασμένων διαφορών του CBM ODE για να βρείτε επαναληπτικά τον ρυθμό παραγωγής σε κάθε χρονικό βήμα για να φτάσετε στο απαιτούμενο τροποσφαιρικό
Δ14ντομέτρηση στο επόμενο χρονικό βήμα.

Σεκτύπος ωρολογιού, εφαρμόζουμε μια εναλλακτική μη επαναληπτική προσέγγιση, με παρεμβολή
ΥΕγώ(t)γραμμικά, και χρησιμοποιώντας J ax για να το διαφοροποιήσουμε για να το αποκτήσουμεΥ˙Εγώ(t). Στη συνέχεια, μπορούμε να λάβουμε το πλήρες ιστορικό της κατάστασηςΥ(t)λύνοντας την ΟΔΕ με τον όρο παραγωγής από την εξίσωση ( 2.7 ) και μια αρχική σταθερή κατάστασηΥ0και, στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε αυτό το ολοκληρωμένο ιστορικό κατάστασης για να αποκτήσετεQ(t). Αυτό είναι ακριβές για ένα ολοκληρωμένο μοντέλο με λεπτή δειγματοληψία και στην πράξη είναι μια καλή προσέγγιση για δεδομένα που είναι δεσμευμένα κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ανάπτυξης, εάν οι χρονικές σημάνσεις ληφθούν ως το μέσο κάθε περιόδου ανάπτυξης.

Επειδή αυτή η μέθοδος αντίστροφης επίλυσης βασίζεται στη διαφοροποίηση, όταν η αναλογία σήματος προς θόρυβο είναι χαμηλή, έχει την τάση να ενισχύει το θόρυβο σε σύντομες χρονικές κλίμακες. Για να βρούμε μια ανακατασκευή που να είναι πιο ανεκτική στο θόρυβο, θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε μια μέθοδο Bayes, όπως περιγράφεται παραπάνω στο §a, αλλά να επιλέξουμε μια πολύ ευέλικτη παραμετροποίηση υψηλών διαστάσεων για
Q(t). Εδώ, θα χρησιμοποιήσουμε ένα σύνολο σημείων ελέγχου—ένα μεγάλο αλλά πεπερασμένο πλέγμα σημείωνq≡[q(tΕγώ)]—ως παράμετροι και χρησιμοποιήστε ένα Matérn—3/2Η διεργασία Gauss (GP; [ 109 ]) τόσο για την παρεμβολή αυτών σε μια ομαλή συνάρτηση του χρόνου, όσο και για τη χρήση της πιθανότητας GP για τιμωρία ψευδών παραλλαγών μικρής χρονικής κλίμακας. Υλοποιούμε αυτόν τον υπολογισμό GP χρησιμοποιώντας τοtinygpβιβλιοθήκη [ 110 ], η οποία είναι γραμμένη σε J ax και επομένως μπορεί να συνταχθεί και να διαφοροποιηθεί μαζί με τα υπόλοιπακτύπος ωρολογιού .

Αν και δεν επιχειρούμε να το κάνουμε εδώ, είναι επίσης δυνατό να λύσουμε αυτό το πρόβλημα στον τομέα Fourier. Η συνάρτηση παλμικής απόκρισης του κύκλου άνθρακα σε έναν παλμό ακτινοβολίας μπορεί να προσδιοριστεί αναλυτικά ως η εκθετική μήτρα

σολ(t)=ΣΕexp⁡(−Μ t),
2.8
και μια αυθαίρετη χρονοσειρά στο κουτί
Εγώπου δημιουργείται από τη συνέλιξησολΕγώ(t)⋆Q(t). Ο μετασχηματισμός Fourier τουσολΕγώ(t)είναι μια συνάρτηση απόκρισης συχνότητας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γραμμικό φίλτρο στον τομέα Fourier, την οποία χρησιμοποιούν οι Usoskin & Kromer [ 111 ] ως εναλλακτική λύση στην επαναληπτική λύση, αλλά δεν εφαρμόζεται σεκτύπος ωρολογιούσε αυτη τη ΜΕΛΕΤΗ.

(γ) Δεδομένα δέντρων

Εφαρμόζουμε αυτόν τον κώδικα σε μια ανάλυση όλων των διαθέσιμων στο κοινό
Δ14ντοδεδομένα για τα έξι συμβάντα που εντοπίστηκαν προηγουμένως στη βιβλιογραφία, συλλέγοντας δεδομένα του δικτύου COSMIC από πολλές τοποθεσίες και στα δύο ημισφαίρια για το 774 CE και το 993 CE από τους Büntgen et al. [ 23 ]; πρόσθετα δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των πρώιμων και όψιμων δεδομένων ξύλου, για το 774 CE από τους Uusitalo et al. [ 112 ], και Δανέζικη βελανιδιά πάνω από το 993 CE από τους Fogtmann-Schulz et al. [ 64 ]; Αγγλική βελανιδιά πάνω από το 993 CE από τους Rakowski et al. [ 113 ]; τα δεδομένα ανακάλυψης για το 7176 π.Χ. και το 5259 π.Χ. από τους Brehm et al. [ 16 ]; δακτύλιοι δέντρων κόμης πάνω από το 660 π.Χ. από τους Park et al. [ 15], και πρώιμο και όψιμο ξύλο πάνω από το 660 π.Χ. από τους Sakurai et al. [ 24 ]; και δεδομένα από τις δεκαετίες που οδήγησαν στο 5410 π.Χ. από τον Miyake et al. [ 25 ]. Εξαιρούμε τον ιαπωνικό κέδρο από τους Miyake et al. [ 114 ], καθώς δείχνει μια καθυστερημένη άνοδο σε σύγκριση με τα άλλα σύνολα δεδομένων του 993 CE, και για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας, αναμένουμε μια συναίνεση σχετικά με τον τρόπο ερμηνείας αυτού.

Πριν εξετάσουμε λεπτομερώς τα μοντελοποιημένα αποτελέσματα, θα πρέπει να γίνουν ορισμένες γενικές παρατηρήσεις σχετικά με την αξιοπιστία και την ευαισθησία των υποκείμενων δεδομένων. Η φαινομενική συνάφεια των συνόλων των
Δ14ντοΤα αποτελέσματα, τόσο σε χρόνο όσο και σε πλάτος, είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτα δεδομένου ότι τα δεδομένα προέρχονται από δέντρα διαφόρων γενών και ειδών που αναπτύχθηκαν σε ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών οικοτόπων. Στην πραγματικότητα, κάθε μεμονωμένο δέντρο υπόκειται στο δικό του συγκεκριμένο περιβάλλον και στις βιοτικές και αβιοτικές διαταραχές που προκαλεί, όπως εξάρσεις εντόμων, μυκητιακές ασθένειες και κλιματικές ανωμαλίες [ 23 ]. Εκτός από αυτό, η φυσιολογία κάθε είδους καθορίζει τον τρόπο που χρησιμοποιεί ή/και επαναχρησιμοποιεί τους υδατάνθρακες για την κατασκευή δακτυλίου ανάπτυξης. Αυτή η τελευταία σκέψη βρίσκεται στον πυρήνα μιας συνεχιζόμενης συζήτησης σχετικά με το εάν πρέπει να αναλυθούν ολόκληροι δακτύλιοι ή μόνο όψιμα κλάσματα ξύλου για την επίτευξη των δεδομένων υψηλότερης ποιότητας [ 64 , 115 , 116]. Επιπλέον, με ακρίβεια ανά χιλιοστό, οι ενδοετήσιες διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις ραδιοανθράκων της ατμόσφαιρας γίνονται επίσης σημαντικές, και ειδικότερα η σύμπτωση των ετήσιων μέγιστων και ελάχιστων με τις περιόδους ανάπτυξης διαφορετικών ειδών σε διαφορετικές τοποθεσίες [ 117 ]. Τέλος, κάθε εργαστήριο χρησιμοποιεί τη δική του τεχνική εξαγωγής κυτταρίνης, μερικές φορές προσαρμόζοντάς την στα επιμέρους είδη. Τέτοιες μεθοδολογικές διαφορές έχει αποδειχθεί ότι προκαλούν διακυμάνσεις στην ποιότητα των δεδομένων, ακόμη και σε δείγματα των ίδιων δακτυλίων δέντρων [ 118 ].

Δεδομένων όλων αυτών των επιπλοκών, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι διαφορές μπορούν να φανούν σε ολόκληρη τη σειρά προφίλ ραδιοανθράκων. Ωστόσο, υπάρχει ένα συγκεκριμένο μοτίβο που αψηφά την απλή εξήγηση και μπορεί να έχει κάποια ακόμη άγνωστη φυσική προέλευση. Μερικά σύνολα δεδομένων 774 CE παρουσιάζουν μια στιγμιαία ανύψωση μεταξύ 774 και 775 CE, ενώ άλλα δείχνουν μια πιο σταδιακή άνοδο σε αρκετά χρόνια. Ο διαχωρισμός μεταξύ τόσο απότομων και παρατεταμένων ανεβαίνει
Δ14ντουπάρχει μεταξύ διαφορετικών δέντρων από παρόμοια περιβάλλοντα, ακόμη και μεταξύ δέντρων του ίδιου είδους από παρόμοια περιβάλλοντα, όπως συζητείται στην §4α. Δεν είναι σαφές εάν αυτή η επίδραση είναι αστροφυσική, περιβαλλοντική, έχει σχέση με άγνωστη δυναμική ανάπτυξης δέντρων ή συστηματική στις μετρήσεις.

3. Αποτελέσματα

(α) Παραμετρικές προσαρμογές

Χρησιμοποιήσαμε το πακέτο προγραμματισμού ροής εργασιών Snakemake [ 119 ] για να εκτελέσουμε αυτόματα και να καταγράψουμε με δυνατότητα αναπαραγωγής παραμετρικές προσαρμογές όπως περιγράφεται στην §2α και στα έξι συμβάντα, με το συμβάν 774 CE να χωρίζεται σε υποσύνολα απότομης και παρατεταμένης ανόδου. Ενώ είχαμε την επιλογή να εφαρμόσουμε ένθετη δειγματοληψία, χρησιμοποιήσαμε το συγγενικό αμετάβλητο σύνολο δειγματολήπτη MCMCemceeαποκλειστικά σε αυτή την ενότητα.

Συμπεραίνουμε τα δεδομένα έναρξης, τη διάρκεια, το πλάτος της ακίδας, τη φάση και το πλάτος του ηλιακού κύκλου και μια μακροπρόθεσμη γραμμική τάση, με το μοντέλο να αρχικοποιείται σε σταθερή κατάσταση με τον ηλιακό κύκλο.

Τα οπίσθια σύνολα μοντέλων που επικαλύπτονται σε δεδομένα, μαζί με τα αντίστοιχα ιστορικά παραγωγής ραδιοάνθρακα, εμφανίζονται στο σχήμα 1 και δείχνουν συνολική εξαιρετική συμφωνία με τα δεδομένα. Γωνιακά διαγράμματα των οπίσθιων παραμέτρων είναι διαθέσιμα σε ηλεκτρονικό συμπληρωματικό υλικό.

Φιγούρα 1.
Σχήμα 1.

(β) Μη παραμετρική ανάκτηση ρυθμών παραγωγής

Εκτός από τις παραμετρικές προσαρμογές που εμφανίζονται παραπάνω, εφαρμόσαμε μη παραμετρικές ανακτήσεις τόσο του GP όσο και του αντιστρόφου επιλύτη στα ίδια σύνολα δεδομένων και απεικονίσαμε την έξοδο παρόμοια στο σχήμα 2 . Αποκτούμε και πάλι καλή προσαρμογή στα δεδομένα, με τα γεγονότα να συμβαίνουν στα αναμενόμενα χρόνια, αν και τώρα χωρίς τη δυνατότητα αποσύνδεσης της δομής σε πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Ο GP και ο αντίστροφος επιλύτης παράγουν αποτελέσματα που είναι συνεπή μεταξύ τους.

Σχήμα 2.
Σχήμα 2.

Ως επέκταση για μελλοντικές εργασίες, είναι εφικτό να εφαρμοστεί ο αντίστροφος επιλύτης σε ολόκληρο το ιστορικό IntCal20 και να χρησιμοποιηθεί ως σημείο αρχικοποίησης για τις δεξαμενές και το ιστορικό παραγωγής των παραμετρικών προσαρμογών σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Αυτή είναι μια εύλογη στρατηγική για την πραγματοποίηση σύγκρισης παρόμοιων με την απόλυτη παραγωγή ραδιοάνθρακα μεταξύ γεγονότων που συμβαίνουν σε περιόδους με διαφορετικούς ρυθμούς παραγωγής βασικής γραμμής. Επιλέξαμε να μην το κάνουμε εδώ, για να αποφύγουμε την εισαγωγή ψευδών μεταβατικών παραγόντων στο ημιτονοειδές μοντέλο παραγωγής μας και χωρίς να γνωρίζουμε έναν απλό τρόπο επίλυσης αυτής της έντασης.

4. Συζήτηση

Βρίσκουμε εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των τριών μοντέλων κουτιών άνθρακα που μιμούνται τους Güttler et al. [ 95 ], Brehm et al. [ 21 ], Büntgen et al. [ 23 ], με μια στενότερη συμφωνία μεταξύ των δύο τελευταίων μοντέλων που χωρίζονται σε βόρειο και νότιο ημισφαίριο. Αντίθετα, όπως σημειώνεται από τους Usoskin et al. [ 44 ], Miyake et al. [ 25 ] έχει διαφορετική κανονικοποίηση 2 και αποκλείει την ουσιαστική δεξαμενή άνθρακα του βαθέως ωκεανού, και το έχουμε αποκλείσει από τα οικόπεδα.

(α) Χρονοδιάγραμμα εκδήλωσης του 774 CE

Το συμβάν του 774 CE συμβαίνει σχεδόν ταυτόχρονα σε όλο το φάσμα των ειδών και των τοποθεσιών που εμπλέκονται. Ωστόσο, υπάρχει κάποια διακύμανση στον ρυθμό με τον οποίο εκφράζεται η αύξηση. Γενικά, υπάρχουν δύο τύποι αυξήσεων. Περίπου τα μισά από τα σύνολα δεδομένων υποστηρίζουν μια απότομη άνοδο - ένα ανώμαλο άλμα στα δεδομένα μέσα σε 1 έτος - και το άλλο μισό μια πιο παρατεταμένη αύξηση σε διάστημα 2-3 ετών. Επιπλέον, η τελευταία ομάδα περιλαμβάνει δέντρα του ίδιου είδους, σε παρόμοιες τοποθεσίες, μετρημένα στα ίδια εργαστήρια.

Μια παρόμοια όψιμη άνοδος βρίσκεται στον Ιαπωνικό κέδρο για το γεγονός του 993 CE από τους Miyake et al. [ 114 ], οι οποίοι το ερμηνεύουν ως επηρεασμένο από τα παγκόσμια ατμοσφαιρικά μοτίβα κυκλοφορίας σε διαφορετικές γεωγραφικές ζώνες ραδιοάνθρακα, και μια διάκριση μεταξύ ωκεανών και ηπειρωτικών. Αντίθετα, στο σύνολο των δακτυλίων δέντρων πάνω από το 774 CE, παρατηρούνται παρατεταμένες και απότομες ανόδους σε αυτές τις κατηγορίες: υπάρχουν δέντρα που εμφανίζουν και τις δύο φαινομενολογίες από τις Ζώνες 0-2, ηπειρωτικές ή ωκεάνιες περιοχές, διαφορετικές ταχύτητες ανάπτυξης και υψόμετρα. Επομένως, δεν είναι απολύτως σαφές ποια είναι η αιτία αυτής της διάσπασης στις φαινομενολογίες του 774 Κ.Χ. Σε μελλοντικές εργασίες, ενδέχεται να υπάρξουν πληροφορίες από μοντέλα παγκόσμιας κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας, μαζί με βελτιωμένη ακρίβεια και μέγεθος δείγματος για δεδομένα δακτυλίου δέντρων για αυτά τα συμβάντα.

(β) Πλάτος και διάρκεια συμβάντος Miyake

Προκειμένου να διερευνηθεί η αστροφυσική προέλευση των γεγονότων του Miyake, είναι πρωταρχικής σημασίας να προσδιοριστούν οι θεμελιώδεις παράμετροί τους - ιδιαίτερα το μέγεθος και η διάρκειά τους. Οι μεταγενέστερες κατανομές της παραγωγής ακίδας σε σχέση με τη σταθερή κατάσταση εμφανίζονται στο σχήμα 3 .

Εικόνα 3.
Σχήμα 3.

Επειδή συνεργαζόμαστε με
Δ14ντοπαρά απόλυτο 14ντο, αναφέρουμε την ολοκληρωμένη παραγωγή ραδιοάνθρακα ακίδας σε μονάδες ισοδύναμων ετών παραγωγής σταθερής κατάστασης: δηλαδή ένα πλάτος αιχμής 1 σε αυτές τις μονάδες υποδηλώνει συνολική παραγωγή1 q0 ο. Σε αυτές τις μονάδες, το μικρότερο γεγονός είναι το 5410 π.Χ., με συνολική παραγωγή λίγο 1q0 ο, ακολουθούμενο από το 993 Κ.Χ. περίπου στις 2q0 οκαι 663 π.Χ. περίπου στο 2,5q0 ο. Τα γεγονότα του 775 και του 7176 π.Χ. υπερβαίνουν τα 3q0 οκαι το μεγαλύτερο από όλα είναι το 5259 π.Χ. περίπου4 q0 ο.

Είμαστε σκόπιμα επιφυλακτικοί σχετικά με την προσπάθεια μετατροπής αυτού σε απόλυτο κιλά
 14ντο, που θα έφερνε τα πιο αβέβαιαq0τη στιγμή κάθε συμβάντος ή διόρθωσης αυτού για το γεωμαγνητικό πεδίο, καθώς αυτό απαιτεί υποθέσεις σχετικά με την προέλευση και το φάσμα των σωματιδίων. Ωστόσο, είναι ενδιαφέρον ότι σε αυτές τις μονάδες τα πλάτη της ακίδας είναι όλα της τάξης της ενότητας - όπως θα μπορούσε να αναμένεται από μια αλλαγή της ενότητας τάξης σε ηλιοσφαιρική θωράκιση των Γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων, για διάρκεια τάξης 1 έτους.

Οι οριακές μεταγενέστερες κατανομές για τη διάρκεια εμφανίζονται στο σχήμα 4 , δείχνοντας ότι ενώ το 7176 π.Χ., το 5259 π.Χ. και ένα υποσύνολο δεδομένων του 775 π.Χ.
<1 ο, η διάρκεια του 5410 π.Χ. είναι πολύ περιορισμένη, ένα υποσύνολο δεδομένων του 775 π.Χ. υποδηλώνει διάρκεια περίπου 2 ετών (για αυτά τα δέντρα,100%των οπίσθιων δειγμάτων έχουν διάρκειες>1 ο, και περίπου.15%>2 ο), και το 663 π.Χ. έχει διάρκεια 2–3 ετών. Υπάρχει μια κάπως εκτεταμένη ουρά στο πίσω μέρος για το 993 CE, με το 20% των δειγμάτων να δείχνει διάρκεια>6 μήνες, αν και μόνο περίπου.4%>1 ο. Όλα αυτά συνδυάζονται με την ημερομηνία έναρξης, όπως φαίνεται στα γωνιακά διαγράμματα στο ηλεκτρονικό συμπληρωματικό υλικό: μια πρώιμη έναρξη και μια μεγάλη διάρκεια, ή μια καθυστερημένη έναρξη και μια σύντομη διάρκεια, είναι και τα δύο συμβατά με τα δεδομένα λόγω της δειγματοληψίας 1 έτους περιορισμός. Αυτό είναι οριακή απόδειξη ενάντια σε ένα μοντέλο των γεγονότων Miyake που προκύπτουν από μια μόνο σύντομη παρόρμηση. Αυτό μπορεί να επιβεβαιωθεί μόνο με πολυϊσοτοπικά δεδομένα, όπως από πυρήνες πάγου όπου είναι εφικτή η δειγματοληψία λεπτότερου χρόνου, και από την καλύτερη κατανόηση της συστηματικής που προκαλείται από τις εποχές ανάπτυξης και τη γεωγραφία στις χρονοσειρές των δέντρων.

Εικόνα 4.

Σχήμα 4. Οριακές οπίσθιες κατανομές πιθανοτήτων για τη διάρκεια και των έξι γνωστών γεγονότων Miyake. Διαφορετικά συμβάντα υποδηλώνονται με χρώμα και διαφορετικά CBM με συμπαγείς [ 95 ], διακεκομμένες [ 23 ] και διακεκομμένες [ 21 ] γραμμές. Τα σύνολα δεδομένων που δείχνουν μια σύντομη ή παρατεταμένη άνοδο για το 774 CE εμφανίζονται χωριστά. (Διαδικτυακή έκδοση έγχρωμη.)

(γ) Σχέση με τον ηλιακό κύκλο

Η υψηλή ισχύς του ηλιακού μαγνητικού πεδίου οδηγεί σε χαμηλή
 14ντοπαραγωγής, επειδή το ηλιακό μαγνητικό πεδίο θωρακίζει τη Γη από τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες. Επομένως, μπορούμε να ορίσουμε τα ηλιακά μέγιστα ως τα ελάχιστα της 11ετούς ημιτονοειδούς συνιστώσας του 14ντοπαραγωγή. Τα οπίσθια Bayesian για τη φάση του ηλιακού κύκλουϕδεν παρουσιάζουν συνεπές μοτίβο. Επιπλέον, τα ιστογράμματα του χρονισμού του γεγονότος, σε σχέση με τον ηλιακό κύκλο στο σχήμα 5 , δεν δείχνουν επίσης εμφανή σύνδεση. Διαπιστώνουμε ότι το 5410 Π.Χ. συμβαίνει στο ή λίγο πριν από το ηλιακό ελάχιστο, το 5259 Μ.Χ. μερικά χρόνια μετά, ενώ το 774 Κ.Χ. συμβαίνει 2 χρόνια πριν από το μέγιστο. Το συμβάν του 993 CE είναι πιο δύσκολο να επιλυθεί. Η αύξηση φαίνεται να εμφανίζεται στο ηλιακό ελάχιστο σε ορισμένες δοκιμές, αλλά η ανάλυση επί του παρόντος δεν διαθέτει επαρκή δεδομένα για οποιαδήποτε ασφαλή συμπεράσματα. Ως αποτέλεσμα, αυτό το συμβάν εξαιρείται από το σχήμα 5 , αλλά περαιτέρω δεδομένα θα βελτιωθούν αναμφίβολα σε αυτά τα αποτελέσματα. Όσον αφορά το γεγονός του 7176 π.Χ., οι Paleari et al. [ 121 ] πιστέψτε το 10Είναιστοιχεία υποστηρίζουν την εμφάνισή του στο ηλιακό ελάχιστο. Σε αντίθεση με εκείνη τη μελέτη καθώς και οι Scifo et al. [ 65 ] και Miyake et al. [ 17 ], τα ευρήματά μας δεν δείχνουν σαφή σχέση μεταξύ της εμφάνισης ενός από αυτά τα γεγονότα και της φάσης του ηλιακού κύκλου, αν και με τρία μόνο παραδείγματα μέχρι στιγμής δεν μπορούμε να απορρίψουμε στατιστικά οποιαδήποτε εξάρτηση.

Εικόνα 5.

Εικόνα 5. Οριακές οπίσθιες κατανομές πιθανοτήτων για το χρονοδιάγραμμα σε σχέση με τον Ηλιακό Κύκλο τριών γεγονότων Miyake για τα οποία ανιχνεύονται σημαντικοί ηλιακοί κύκλοι: 774 CE, 5259 BCE και 5410 BCE . Υποθέτοντας ότι η ελάχιστη ηλιακή δραστηριότητα αντιστοιχεί σε μέγιστο ρυθμό παραγωγής ραδιοάνθρακα, βρίσκουμε ότι το 5259 π.Χ. και το 5410 π.Χ. συμβαίνουν στο ή λίγο πριν από τα ηλιακά ελάχιστα, ενώ το 774 Κ.Χ. συμβαίνει 2 χρόνια πριν από το μέγιστο. Διαφορετικά συμβάντα υποδηλώνονται με χρώμα και διαφορετικά CBM με συμπαγείς [ 95 ], διακεκομμένες [ 23 ] και διακεκομμένες [ 21 ] γραμμές. (Διαδικτυακή έκδοση έγχρωμη.)

(δ) Εξάρτηση από το γεωγραφικό πλάτος

Στην περίπτωση ενός ακραίου ηλιακού γεγονότος, αναμένεται μεγαλύτερη ροή σωματιδίων και επομένως παραγωγή ραδιοανθράκων κοντά στους πόλους από τον ισημερινό. Τόσο οι Büntgen et al. [ 23 ] και Uusitalo et al. [ 112 ] ισχυρίζονται ότι το πλάτος των γεγονότων όπως καταγράφονται από τους δακτυλίους δέντρων του βόρειου ημισφαιρίου αυξάνεται πιο κοντά στον Βόρειο Πόλο. Προκειμένου να εξετάσουμε αυτή την πιθανή τάση, προσαρμόζουμε κάθε δέντρο ξεχωριστά για το πλάτος, το χρόνο και τη διάρκεια της ακίδας, διατηρώντας παράλληλα τις παραμέτρους του ηλιακού κύκλου σταθερές στη μέση τιμή του συνόλου. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμεemceeγια να προσαρμόσετε μια γραμμή και να συναγάγετε αβεβαιότητες παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένου ενός επιπλέον όρου για υποεκτιμημένες γραμμές σφάλματος. Τα αποτελέσματα μας δεν παρέχουν πειστικά στοιχεία για αυτό το αποτέλεσμα. Με το μεγαλύτερο δείγμα δέντρων μας, βρίσκουμε την κλίση να είναι
(9.8±8.8)×10−3έτη σταθερής κατάστασης ανά μοίρα βόρεια, με πιθανότητα 13% η κλίση να είναι μικρότερη από το μηδέν. Κυρίως, αυτή η πιθανή γεωγραφική τάση εξαφανίζεται σε μεγάλο βαθμό λόγω της διασποράς που παρατηρείται στη σειρά δεδομένων που είναι διαθέσιμα από τα μεσαία γεωγραφικά πλάτη, βλέπε σχήμα 6 .

Εικόνα 6.

Εικόνα 6. Διάγραμμα διασποράς με 1 
σγραμμές σφαλμάτων πλάτους ακίδας 774 CE που καταγράφονται σε μεμονωμένα δέντρα ως συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους, επικαλύπτονται με τη βέλτιστη προσαρμογή γραμμή και σκιάζονται μεταξύ {16,84} εκατοστημορίων οπίσθιων σχεδίων. Ενώ μια τάση με γεωγραφικό πλάτος έχει χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει μια ηλιακή προέλευση [ 112 ], με το μεγαλύτερο δείγμα δέντρων μας βρίσκουμε ότι η κλίση είναι(9.8±8.8)×10−3έτη σταθερής κατάστασης ανά βαθμό βόρεια. (Διαδικτυακή έκδοση έγχρωμη.)

5. Συμπέρασμα

Σε αυτήν την εργασία, συνδυάσαμε γρήγορα μοντέλα CBM με σύγχρονα Μπεϋζιανά εργαλεία εξαγωγής συμπερασμάτων και τα εφαρμόσαμε στο σύνολο των υπαρχόντων δεδομένων για συμβάντα Miyake. Από τις μεταγενέστερες κατανομές παραμέτρων που συμπεραίνουμε, δεν βρίσκουμε σαφή σχέση στο χρονοδιάγραμμα με τον ηλιακό κύκλο ή ως προς το πλάτος με το γεωγραφικό πλάτος όπως έχει προηγουμένως υποστηριχθεί. και βρίσκουμε κάποια στοιχεία παρατεταμένης διάρκειας όχι μόνο το 663 π.Χ., αλλά και το 775 και σε κάποιο βαθμό το 993 Κ.Χ. Αυτό μπορεί να ερμηνευθεί είτε ως πραγματική αστροφυσική μη μηδενική διάρκεια, είτε ως επίπεδο θορύβου σε χρονική ανάλυση λόγω των συνθηκών ανάπτυξης και της βιολογίας των δέντρων, των αβεβαιοτήτων του μοντέλου στον προβιομηχανικό κύκλο άνθρακα ή/και της ατμοσφαιρικής δυναμικής που δεν καταγράφεται από το μοντέλο του carbon box. Για να επιλύσουμε αυτό το ερώτημα, σε μελλοντική εργασία, θα θελήσουμε να λάβουμε μεγαλύτερα δείγματα υψηλής ακρίβειας, Δακτύλιοι δέντρων ετήσιου ρυθμού πάνω από αυτά τα καλά μελετημένα γεγονότα. χρονοσειρές πολυραδιονουκλεϊδίων, συμπεριλαμβανομένων των υποετησίων επιλύσεων
 36Clκαι 10Είναιαπό πυρήνες πάγου? και να συγκρίνουν συστηματικά τις εφαρμογές CBM με μοντέλα παγκόσμιας κυκλοφορίας που αποτυπώνουν με ακρίβεια την ανταλλαγή γεωγραφικού πλάτους και στρατόσφαιρας-τροπόσφαιρας του ραδιοάνθρακα.

Εάν οι μετρηθείσες εκτεταμένες διάρκειες αναπαραχθούν και οφείλονται σε βιολογικές ή ατμοσφαιρικές διεργασίες, αυτές θα επιβάλουν ένα όροφο ακριβείας κατά προσέγγιση
1 έτοςσχετικά με τη χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα με αυτά τα γεγονότα του Miyake (όπως έγινε για το L'Anse aux Meadows από τον [ 32 ]). Από την άλλη πλευρά, εάν η παρατεταμένη παραγωγή ραδιονουκλιδίων έχει αστροφυσική προέλευση, αυτό θα είναι δύσκολο να συμβιβαστεί με ένα παρορμητικό μοντέλο παραγωγής μιας μεγάλης έκρηξης ενεργειακών σωματιδίων, είτε από ηλιακά ενεργειακά σωματίδια είτε από ένα αστρικό υπόλειμμα. Υπό το πρίσμα αυτού, συνιστούμε ότι είναι σημαντικό να ληφθούν βελτιωμένα δεδομένα πολυραδιονουκλεϊδίων κατά τη διάρκεια της δεκαετούς αύξησης των ραδιοανθράκων το 5480 π.Χ. και το συμβάν 3 ετών του 663 π.Χ., καθώς μπορεί να σχηματίσουν μια συνέχεια σε διάρκεια με τις άλλες μικρότερες εκρήξεις ακτινοβολίας.

Υπάρχουν πολύ σημαντικά περιθώρια βελτίωσης λογισμικού ανοιχτού κώδικα για ανάλυση ισοτόπων άνθρακα.κτύπος ωρολογιούμπορεί να μιμηθεί τις παραμέτρους μιας σειράς υπαρχόντων CBM: μελλοντική εργασία θα συγκρίνει επίσης συστηματικά τις διαφορετικές παραμέτρους CBM μεταξύ τους και με δεδομένα σε μια σειρά από περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένης της μεταβολής των συντελεστών παραγωγής στρατόσφαιρας σε τροπόσφαιρα.κτύπος ωρολογιούείναι επίσης επεκτάσιμο για σύνδεση με άλλα εργαλεία εξαγωγής συμπερασμάτων: επειδή ο λύτης υλοποιείται σε J ax , θα ήταν εύκολο να εφαρμοστεί ένας δειγματολήπτης Hamiltonian Monte Carlo για πολύ μεγάλα ή πολύπλοκα μοντέλα χρησιμοποιώντας την πιθανολογική γλώσσα προγραμματισμούnumpyro[ 122 ], συμπεριλαμβανομένης μιας πιο εξελιγμένης αντιμετώπισης των προτεραιοτήτων. Ένα έργο πέρακτύπος ωρολογιούθα λύσει για πολλαπλά ισότοπα και θα περιλάμβανε επιδράσεις της ατμοσφαιρικής δυναμικής και της γεωχημείας. Μακροπρόθεσμα, θα άξιζε να εφαρμοστεί το MCMC σε πιο πολύπλοκα μοντέλα για μια ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της εξαγωγής των παραμέτρων του προβιομηχανικού κύκλου άνθρακα απευθείας από δεδομένα ραδιοάνθρακα ή του συμπερασμού των εποχών ανάπτυξης και του χρονισμού διαφορετικών δέντρων. Αναμένουμε ότι θα υπάρχουν πολλές εφαρμογές για γρήγορα, διαφοροποιήσιμα μοντέλα κύκλου άνθρακα συνδεδεμένα με σύγχρονα πλαίσια Μπεϋζιανής γεωγραφικής και αστροφυσικής.

Προσβασιμότητα δεδομένων

Για το συμφέρον της ανοιχτής επιστήμης, δημιουργήσαμε τοκτύπος ωρολογιούκώδικας διαθέσιμος με άδεια ανοιχτού κώδικα του MIT στη διεύθυνση github.com/sharmallama/ticktack , με τεκμηρίωση που παρέχεται στη διεύθυνση sharmallama.github.io/ticktack . Η ροή εργασίας Snakemake που χρησιμοποιείται για την ανάλυση των δεδομένων είναι διαθέσιμη στη διεύθυνση github.com/qingyuanzhang3/radiocarbon_workflow . Ενθαρρύνουμε και καλωσορίζουμε άλλους επιστήμονες να επαναλάβουν, να εφαρμόσουν και να επεκτείνουν την εργασία μας. Τα δεδομένα παρέχονται σε ηλεκτρονικό συμπληρωματικό υλικό [ 123 ].

Συνεισφορές συγγραφέων

QZ: επιμέλεια δεδομένων, επίσημη ανάλυση, διερεύνηση, μεθοδολογία, λογισμικό, οπτικοποίηση, γραφή—ανασκόπηση και επεξεργασία. ΗΠΑ: επιμέλεια δεδομένων, έρευνα, μεθοδολογία, λογισμικό, οπτικοποίηση. JAD: μεθοδολογία, λογισμικό, γραφή—ανασκόπηση και επεξεργασία. AS: μεθοδολογία, πόροι, γραφή—ανασκόπηση και επιμέλεια. MK: έρευνα, πόροι, γραφή—ανασκόπηση και επεξεργασία. UB: έρευνα, μεθοδολογία, πόροι, γραφή-ανασκόπηση και επεξεργασία. MJO: εννοιολόγηση, διερεύνηση, μεθοδολογία, γραφή-ανασκόπηση και επιμέλεια. MWD: εννοιολόγηση, απόκτηση χρηματοδότησης, διερεύνηση, μεθοδολογία, διαχείριση έργου, πόροι, επίβλεψη, συγγραφή-ανασκόπηση και επιμέλεια. BJSP: εννοιολόγηση, διερεύνηση, μεθοδολογία, διαχείριση έργου, πόροι, λογισμικό, επίβλεψη, συγγραφή-πρωτότυπο προσχέδιο, συγγραφή-αναθεώρηση και επεξεργασία.

Όλοι οι συγγραφείς έδωσαν την τελική έγκριση για δημοσίευση και συμφώνησαν να λογοδοτήσουν για το έργο που επιτελέστηκε σε αυτό.

Δήλωση σύγκρουσης συμφερόντων

Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά συμφέροντα.

Χρηματοδότηση

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από τις υποτροφίες UQ Winter and Summer Research Scholarships και την εναρκτήρια υποτροφία UQ του Ινστιτούτου Big Questions.

Ευχαριστίες

Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους Andrew Smith, David Fink, Quan Hua και τους ανώνυμους διαιτητές για τα χρήσιμα σχόλιά τους σχετικά με αυτό το χειρόγραφο. Θα θέλαμε να αναγνωρίσουμε τους παραδοσιακούς ιδιοκτήτες της γης στην οποία βρίσκεται το Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ, τους ανθρώπους Turrbal και Jagera. Αποδίδουμε σεβασμό στους Προγόνους και τους απογόνους τους, οι οποίοι συνεχίζουν τις πολιτιστικές και πνευματικές συνδέσεις με τη Χώρα. Αυτή η έρευνα χρησιμοποίησε το πακέτο IP ython [ 124 ]. Snamake [ 119 ]; N um P y [ 125 ]; matplotlib [ 126 ]; S ci P y [ 127 ]; Google J ax [ 92]; Αλυσίδα Καταναλωτή [128]; emcee[ 93 ]; J ax NS [ 94 ]; και μιμούμαστε τα μοντέλα των Güttler et al. [ 95 ], Miyake et al. [ 25 ], Büntgen et al. [ 23 ] και Brehm et al. [ 21 ].

Υποσημειώσεις

1Ονομάστηκε για το τραγούδι της Malvina Reynolds, Little Boxes (1962), στο οποίο τα μικρά κουτιά είναι όλα φτιαγμένα από κολλητά/Και όλα φαίνονται ίδια .

2Στο Miyake [ 120 ], εξηγείται ότι ένας ρυθμός παραγωγής ισορροπίας θεωρείται πάνω από
πR⊕2Εμβαδόν διατομής γης, σε αντίθεση με α4πR⊕2ισοτροπική περιοχή, και αυτό οδηγεί σε μια διαφορετική υπόθεση σχετικά με τους ρυθμούς παραγωγής ισορροπίας.

© 2022 Οι Συγγραφείς

Εκδόθηκε από τη Βασιλική Εταιρεία. Ολα τα δικαιώματα διατηρούνται.

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2022.0497

Αναρτήθηκε από στις
Ετικέτες

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Εγγραφή σε: Σχόλια ανάρτησης (Atom)