Menschen werden oft von der Pracht des Polarlichts angezogen, wenn sie in den Nachthimmel blicken, doch außerhalb des schützenden Schirms des Erdmagnetfelds kann die Sonnenaktivität äußerst tödlich sein. Starke Fackeln und Ausbrüche hochenergetischer geladener Teilchen reichen aus, um eine tödliche Bedrohung für Astronauten und Raumschiffe darzustellen. Kürzlich gelang es einem Forschungsteam des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan, ein Sonnenprotonenereignis zwischen 1200 und 1201 n. Chr. zu identifizieren, indem es präzise Messungen von Kohlenstoffisotopen in Baumringen mit mittelalterlichen Dokumentenaufzeichnungen kombinierte und wichtige Hinweise für die Rekonstruktion vergangener Sonnenaktivitäten und die Verbesserung zukünftiger Weltraumwettervorhersagen lieferte.

Bei den sogenannten Solar Proton Events (SPE) schleudert die Sonne während einer heftigen Explosion hochenergetische Protonen und andere Teilchen in Richtung Erde. Diese Teilchen können mit Geschwindigkeiten von bis zu fast 90 % der Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zufliegen. Im Jahr 1972 erlebte die Sonne zwischen den Missionen Apollo 16 und Apollo 17 mehrere solcher Ereignisse. Wenn Astronauten zu dieser Zeit Missionen im Weltraum durchgeführt hätten, wären sie ohne wirksame Abschirmung wahrscheinlich tödlichen Strahlungsdosen ausgesetzt gewesen. Da bemannte Mondlandungen und weitreichendere bemannte Raumfahrtprogramme wieder auf die Tagesordnung kommen, wird es immer wichtiger, die Risiken solcher „plötzlichen Sonnenstürme“ zu erkennen und einzuschätzen.

Das OIST-Forschungsteam wendete dieses Mal eine neue Methode der „interdisziplinären Beweiserhebung“ an: Einerseits wählten sie vergrabene Holzproben der Hinoki-Zypresse (Asunaro) aus, die auf der Shimokita-Halbinsel in der Präfektur Aomori im Norden von Honshu, Japan, ausgegraben wurden, und führten Jahr für Jahr hochpräzise Messungen des Kohlenstoff-14-Gehalts in ihnen durch; Andererseits stützten sie sich auf das Tagebuch „Meigetsuki“ des mittelalterlichen japanischen Aristokraten Fujiwara Sadaie und die Polarlichtaufzeichnungen in chinesischen historischen Materialien aus derselben Zeit, um Perioden mit vermuteter starker Sonnenaktivität festzulegen, und dann „Matching Points“, um nach Anomalien in den Baumringdaten zu suchen.

Kohlenstoff-14 ist ein radioaktives Kohlenstoffisotop, das entsteht, wenn energiereiche Teilchen die Erdatmosphäre bombardieren. Es dringt über die atmosphärische Zirkulation in Pflanzen ein und wird in den Baumringen des jeweiligen Jahres fixiert, was gleichbedeutend damit ist, „ein Negativ“ für die kosmische Strahlung und die Sonnenaktivität dieses Jahres zu hinterlassen. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler diese Methode genutzt, um die Geschichte der Sonnenaktivität auf einer Zeitskala von etwa 10.000 Jahren zu rekonstruieren. Um jedoch „subextreme“ solare Protonenereignisse mit etwas geringerer Intensität und höherer Frequenz zu erfassen, sind sowohl eine extrem hohe Messgenauigkeit als auch ein möglichst enges Zeitsuchfenster erforderlich.

Hier kommen historische Dokumente ins Spiel. Fujiwara Sadake (1162–1241) notierte in seinem Tagebuch, dass er im Februar 1204 n. Chr. in Kyoto „ein rotes Licht am Nordhimmel erscheinen sah“. Obwohl solare Protonenereignisse selbst keine direkten Polarlichter erzeugen, gehen sie oft mit einer starken Sonnenaktivität einher, die Polarlichter stimulieren kann. Diese Aufzeichnung liefert wichtige Hinweise für das Forschungsteam. Auf dieser Grundlage wählten sie Baumringproben aus benachbarten Jahren für gezielte Tests aus und entdeckten schließlich einen signifikanten abnormalen Anstieg von Kohlenstoff-14 zwischen dem Winter 1200 und dem Frühjahr 1201, was darauf hindeutet, dass zu diesem Zeitpunkt ein solares Protonenereignis von „subextremer“ Intensität stattfand.

Um das Jahr genauer zu bestimmen und die Korrelation zu verifizieren, nutzte das Team auch dendrochronologische und dendroklimatologische Techniken, um die Zeitgrenzen des Ereignisses durch vergleichende Analyse der Baumringbreite und der Klimamuster zu verfeinern. Zusätzlich zu japanischen Dokumenten gibt es in chinesischen Geschichtsbüchern aus derselben Zeit auch seltene Aufzeichnungen über rote Polarlichter in niedrigen Breitengraden. Dies stimmt in hohem Maße mit dem Zeitraum überein, der durch die Kohlenstoff-14-Anomalien in den Baumringen angezeigt wird, was die Existenz dieses Sonnenereignisses weiter stützt.

Forschungsleiter Professor Yuko Miyahara von der Solar-Earth Environment and Climate Research Unit des OIST wies darauf hin, dass sich frühere Forschungen zu historischen Sonnenprotonenereignissen auf eine sehr kleine Anzahl von „Superereignissen“ konzentrierten und die Bedeutung dieser Arbeit darin besteht, eine methodische Grundlage für die Identifizierung häufigerer, aber immer noch offensichtlich schädlicher „subextremer“ Ereignisse bereitzustellen. Die Energie solcher Ereignisse beträgt etwa 10 bis 30 % der extremsten bekannten Ereignisse. Obwohl es keine globale Katastrophe auslösen wird, reicht es aus, um die Sicherheit umlaufender Satelliten, Weltraummissionen und künftiger Mondbasen ernsthaft zu gefährden.

Durch hochpräzise Kohlenstoff-14-Messungen konnte das Forschungsteam nicht nur ein bestimmtes Sonnenprotonenereignis bestimmen, sondern auch die Details des Sonnenaktivitätszyklus von etwa 1190 bis 1220 n. Chr. rekonstruieren. Die Analyse zeigt, dass der Sonnenzyklus damals im Gegensatz zum heutigen Sonnenaktivitätszyklus von etwa 11 Jahren nur etwa 7 bis 8 Jahre dauerte und sich in einem äußerst aktiven Stadium befand. Das identifizierte solare Protonenereignis ereignete sich dieses Mal auf dem Höhepunkt eines der Zyklen. Dieses Ergebnis liefert wichtige Beweise für das Verständnis der Aktivitätsmuster der Sonne in verschiedenen Zeiträumen.

Professor Miyahara betonte, dass Kohlenstoff-14-Daten allein nicht ausreichen, um das Verhalten der Sonne vollständig wiederherzustellen, und dass sie gegenseitig durch Sonnenflecken- und Polarlichtbeobachtungsaufzeichnungen in historischen Dokumenten bestätigt werden müssen. Sie wies darauf hin, dass Forscher durch einen umfassenden Vergleich von Jahrringdaten und Literaturaufzeichnungen den zeitlichen Ablauf der Sonnenaktivität genauer rekonstruieren und so die Bedingungen und Eigenschaften, die extreme Weltraumwetterereignisse hervorrufen, besser verstehen können. Die Rekonstruktionsergebnisse zeigen beispielsweise, dass, obwohl dieses Sonnenprotonenereignis auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität stattfand, einige in der Geschichte lange anhaltende Polarlichter in niedrigen Breitengraden offenbar in die Nähe des Tiefpunkts ihrer Rekonstruktionszyklen gefallen sind. Dieses „abnormale“ Phänomen impliziert, dass die Sonne während des Mindestzeitraums durch verschiedene Mechanismen auch besondere Weltraumwetterereignisse auslösen kann.