Fig.1. Schema delle relazioni tra raggi cosmici, 10Be e 14C. Da Steinhilber et al., 2012, fig.1.

I raggi cosmici che raggiungono la Terra interagiscono con gli atomi dell'atmosfera (ad esempio con l'14N per produrre il 14C; dall'azoto più un neutrone deriva il carbonio più un protone) dando origine a diversi radionuclidi dai quali, reciprocamente, si può dedurre l'intensità dei raggi cosmici originali e quindi, complessivamente, l'attività solare. In particolare il 10Be, dopo essere stato prodotto, rimane in atmosfera circa un anno (o pochi anni) prima di depositarsi, ad esempio sui ghiacci artici e antartici, ed essere misurabile nelle carote di ghiaccio. Il 14C entra nel ciclo del carbonio (si ossida a CO2) e la sua densità può essere misurata in molti proxy, come gli anelli degli alberi, e associata a una data. Le serie temporali di questi isotopi sono quindi in grado di fornire variazioni storiche del flusso dei raggi cosmici e quindi dell'attività solare; non solo dell'attività diretta (emissione di raggi cosmici dal Sole) ma anche indiretta, come l'intensità del campo magnetico solare in grado di modulare la quantità di raggi cosmici esterni, come i raggi cosmici galattici, che raggiungono l'atmosfera. Utilizzando modelli di produzione di raggi cosmici è possibile distinguere le diverse energie dei raggi e quindi la loro possibile origine. Nella fig.1 a fianco un disegno schematico mostra la sequenza: interazione raggi cosmici-atmosfera; persistenza in atmosfera dei radionuclidi; deposito degli stessi. Un lavoro di Miyake et al., 2015 su Geophysical Research Letters, è stato l'ultimo di una serie, da parte di vari autori, in cui si mette in evidenza la presenza di un massimo del 10Be in epoca alto-medievale (carolingia), attorno al 775 d.C. e si discute della sua energia calcolata (e del modello usato per il calcolo). Sembra che l'assoluta eccezionalità e potenza dell'evento, definita in Miyake et al., 2012 sia stata ridimensionata da Usoskin et al, 2013 che però lo considera ancora il più forte degli ultimi 1000 anni almeno. Per Miyake et al, 2012 il picco era la firma di un evento unico, non solare. Usoskin et al., 2013 rivede il modello usato in precedenza per calcolare l'energia emessa e lo ascrive alla classe degli eventi solari, anche se di energia del tutto eccezionale. In alcuni degli articoli citati si fa riferimento anche ad un altro evento, del 993-994 d.C., di cui però non ho trovato dati dettagliati. Accennerò a questo evento nella parte finale del post.

Miyake et al, 2015 pubblicano i valori del ¹⁰Be con passo temporale circa 1 anno (10 volte più degli ultimi dati disponibili per la carota di Fuji Dome, la stazione antartica giapponese, dai quali l'evento del 775 d.C. era stato scoperto). Li ho riprodotti nella fig.2 (pdf)
Fig.2. Grafico della concentrazione di ¹⁰Be in funzione dell'anno. Notare come l'evento, definito 775 d.C., abbia luogo nel 780. Il grafico in basso è lo spettro Lomb sui dati non detrended. Lo spettro dei dati detrended e lo spettro di Fourier degli autori è visibile nel sito di supporto.

Nel grafico in alto della fig.2 si nota subito che il massimo definito 775 d.C. si trova in realtà nel 780. Nell'articolo si dice: :"An apparent peak of the ¹⁰Be concentration is observed, near the A.D. 774/775 event (at A.D. 780 of the ¹⁰Be-¹⁴C age)", in un altro punto la causa dell'apparente spostamento di 5 anni è attribuita all'incertezza del modello di età, di circa 12 anni. Gli autori, dallo spettro di Fourier dei dati interpolati (non sono a passo costante), ricavano periodicità comprese tra 2.8 e 7.8 anni (qui lo spettro degli autori) e le attribuiscono a "variabilità climatica multiannuale attorno all'Antartide". Lo spettro Lomb di fig.2 mostra essenzialmente la stesso intervallo di periodi ma contiene un picco a 3.6 anni non trovato dagli autori; credo però che si possa concordare con gli autori sulla mancanza di "firma solare" nello spettro anche se gli stessi, nel paragrafo finale dell'articolo, ritengono probabile la sua appartenenza alla classe degli SPE (Solar Particle Events).
Come si può immaginare, la presenza dell'evento 775 d.C. è stata verificata dall'analisi dei radioisotopi negli anelli di accrescimento degli alberi di numerosi siti.

Mi sono chiesto se la presenza di questa "anomalia" nell'emissione di raggi cosmici potesse essere presente anche nei proxy meno adatti ad evidenziarla, ad esempio nell'accrescimento degli anelli, nel δ¹⁸O (proxy della temperatura) o nei dati di temperatura di Pages2k (anch'essi derivati dal δ¹⁸O). Per verificarlo ho utilizzato quattro dendrocronologie (vedere qui su CM) e due temperature, tutte relative al periodo 750-790 d.C. e le ho confrontate con i dati di Miyake et al, 2015 spostati indietro di 5 anni, nella fig.3 (pdf).
Fig.3. Confronto tra i proxy e i valori (indicati come fuji-5yrs) a passo quasi annuale ottenuti dagli autori. La riga verticale verde indica l'anno 775.

Questa figura è stata ottenuta scalando tutti i dati (v. qui per i dettagli) all'intervallo arbitrario 0-1000, indipendentemente dall'unità di misura.
Si nota una buona corrispondenza tra il massimo del Berillio e un massimo corrispondente nelle serie proxy. In qualche modo i proxy "sentono" i raggi cosmici anche se non sono gli strumenti più adatti. Non mi sentirei di dire il contrario: un picco, anche debole, sui proxy non può essere attribuito a eventi di raggi cosmici.

Parte storica
Un evento così importante, verificatosi in epoca storica, potrebbe essere stato registrato nelle cronache alto-medievali. Usoskin et al., 2013 citano due libri, uno dei quali abbastanza noto nel mondo anglosassone: Scholz, B. W., Rogers, B. 1970, Carolingian chronicles: Royal Frankish Annals and Nithard's Histories; e gli Annali dell'Ulster fino al 1131 d.C. Io non ho potuto consultare il primo, ma, ritornando a una "vita precedente" in cui per alcuni anni ho studiato la storia alto-medievale e della quale conservo la documentazione a portata di mano, posso dire che la "Historiarum Libri Quattuor" di Nitardo (figlio di Berta, una delle figlie di Carlo Magno) tratta periodi posteriori al 775: il 2.o paragrafo del I libro inizia a parlare di Ludovico il Pio, figlio e successore di Carlo. Nitardo documenta, fino alla sua morte avvenuta nell'844, il disfacimento dell'impero carolingio. Quindi le sue storie sono precedenti al 994, anno in cui sarebbe avvenuto l'altro evento di raggi cosmici, e non ci interessano. I "Royal Frankish Annals" sono gli "Annales Regni Francorum" e li riporto in originale, solo per l'anno 776 dato che sono coperti da copyright o da abbonamento, nel sito di supporto.
Nel riquadro successivo riprendo alcune frasi da cronache e annali, insieme ad una traduzione parziale, non avendo più il coraggio di avventurarmi in traduzioni complete. Da notare che la Cronaca Erphordensis è, appunto, una cronaca e non riporta gli eventi associati agli anni, come fanno gli annali.

<<< 153 >>> Annales Regni Francorum SS rer. Germ. 6, a. 776, p. 44    Sed Dei virtus, sicut iustum est, superavit illorum virtutem, et quadam die, cum bellum praeparassent adversus christianos, qui in ipso castro residebant, apparuit manifeste gloria Dei supra domum ecclesiae, quae est infra castrum, videntibus multis tam aforis quam etiam et deintus, ex quibus multi manent usque adhuc; et dicunt vidisse instar duorum scutorum colore rubeo flammantes et agitantes supra ipsam ecclesiam. ... e dicono si vedesse la forma di due scudi di colore rosso, fiammeggianti e in movimento sopra la stessa chiesa. Chronica minor Minoritae Erphordensis SS rer. Ger. 42 Chronica minor Minoritae Erphordensis SS rer. Germ. 42, Monumenta Erphesfurtensia, pag. 612, lin. 31 Multa quoque prodigia visa sunt: Signum enim crucis in vestimentis hominum apparuit, et sanguis e celo terraque profluxit. Si sono visti anche molti prodigi: il segno della croce apparve sui vestiti degli uomini, e il sangue sgorgò dal cielo e dalla terra. Dagli Annali dell'Ulster (fino al 1131) U777.3 A hosting of the Laigin by Donnchad against Brega. U777.4 The whole winter in summer, i.e. heavy rain and windstorm. U777.5 Death of Flaithrui son of Domnall, king of Connacht. U992.3 An expedition was made by Mael Sechnaill in Connacht, and he brought away great spoils. U992.4 A remarkable manifestation on St. Stephen's night, the sky appearing blood-red. U993.0 Kalends of January first feria, fourth of the moon. AD 992 alias 993.

Gli annali dell'Ulster riportano, al 992, notte di Santo Stefano, un evento in cielo, stranamente simile alla descrizione che gli Annales Regni Francorum fanno dell'evento del 776 e questo fa pensare ad eventi simili (aurore boreali?). L'incertezza del modello di età è tale che differenze di un anno o di qualche anno non sono significative in questo contesto.

L'evento del 994
Le informazioni di cui dispongo sono un grafico della tesi di dottorato di Miyake (2013) che riproduco sotto, nella fig.4,

Fig.4. Fig.8-2 della tesi di Miyake (2013) in cui si evidenziano i due eventi (775 e 993-994 d.C.) dal flusso del ¹⁰Be.

e i dati della variazione del ¹⁴C per i due eventi, estratti manualmente dalla figura 8-1 della tesi. L'evento del 994 è riportato nella fig.5 (pdf).

Fig.5. Confronto tra i proxy e l'evento del 994 d.C. nell'intervallo temporale 950-1050. La riga verde segna l'anno 994.

Dal confronto appare che alcuni proxy, ad esempio yamal e ak096, hanno registrato anche questo evento mentre per altri la situazione è più incerta. D'altra parte, come si vede nelle figure 4 e 6, l'evento più recente è meno potente di quello del 775 d.C.
Non potendo in questo caso disporre dei dati derivati dal ¹⁰Be, riporto nella fig.6 (pdf) la struttura e lo spettro Lomb dei due eventi, derivati dal Δ¹⁴C. Gli spettri sono poco indicativi perché calcolati su dati "non detrended", dato che non c'è sufficiente intervallo temporale per ricavare la funzione sottostante; possono essere usati per evidenziare differenze e somiglianze, come il picco a circa 9 anni, debole per il 775 d.C. e forte nel 994 e la struttura a circa 15 anni simile nei due casi. Nello spettro del 994 non c'è traccia del debolissimo picco, a circa 21 anni, di 775, che potrebbe essere una "firma solare" scritta con inchiostro quasi invisibile.

Fig.6. I due eventi "visti" dal ¹⁴C. A destra gli spettri Lomb, poco indicativi perchè non si è potuto fare il detrending dei dati.

In conclusione, eventi del passato che hanno interferito con l'atmosfera terrestre e forse con il clima, come riportato dagli Annali dell'Ulster al 777.4, hanno lasciato il loro segno anche su registrazioni non particolarmente adatte a questo scopo.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui

Bibliografia

1. Miyake F., Nagaya K., Masuda K., Nakamura T.: A signature of cosmic-ray increase in AD 774-775 from tree rings in Japan , Nature, 486, 240-242, 2012, doi:10.1038/nature11123
2. Fusa Miyake: Reconstruction of cosmic-ray intensity in the past from measurements of radiocarbon in tree rings, Doctoral Thesis , Nagoya University, 2013. Disponibile qui
3. Miyake F., Suzuki A., Masuda K,, Horiuchi K., Motoyama H., Matsuzaki H., Motizuki Y., Takahashi K. and Nakai Y.: Cosmic ray event of A.D. 774-775 shown in quasi-annual ¹⁰ Be data from the Antarctic Dome Fuji ice core , Geophys. Res. Lett., 42,1, 84-89, 2015. doi:10.1002/2014GL062218
4. Scholz, B. W., Rogers, B. 1970, Carolingian chronicles: Royal Frankish Annals and Nithard's Histories (Ann Arbor: University of Michigan Press)
5. Steinhilber F., Abreu J.A., Beer J., Brunner I., Christl M., Fischer H., Heikkilä U., Kubik P.W., Mann M., McCracken K.G., Miller H., Miyahara M., Oerter H., and Wilhelms F.: 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings, PNAS, 109, no.16, 5967-5971, 2012.doi:10.1073/pnas.1118965109
6. Usoskin I.G., Kromer B., Ludlow F., Beer J., Friedrich M., Kovaltsov G.A., Solanki S.K. and Wacker L.: The AD775 cosmic event revisited: the Sun is to blame, Astron. Astrophys.,552, L3, 2013 doi:10.1051/0004-6361/201321080, 2013
7. Usoskin,I.G., Kovaltsov G.A.: The carbon-14 spike in the 8th century was not caused by a cometary impact on Earth, Icarus, 2014. doi:10.1016/j.icarus.2014.06.009