利 用 技 術
屋久杉の年輪から分かる
宇宙放射線量の変化

増田 公明
Masuda Kimiaki（名古屋大学太陽地球環境研究所）

1

はじめにて紹介する。

我々の住む地球上は様々な放射線で満ちており，人類はこの環境の中で進化してきた。地球

2銀河宇宙線と太陽活動上の自然放射線の起源は 2 つあり，地球誕生以銀河宇宙線は，我々の太陽系を含む銀河系に来残存する長寿命の放射性同位体によるもの

おける超新星爆発などの高エネルギー天体現象と，地球外から飛来する宇宙線（又は宇宙放射によって発生・加速された粒子とそれに起因す線）によるものである。残存する放射性同位体

る電磁波と考えられている。そのエネルギースは，地球が誕生してから 46 億年の間にまだ崩ペクトルは，1020 eV にまで延びていることが壊しきれない長寿命の原子核である。代表的な観測から分かっているが，その起源や性質はいものはウランやトリウムなどを筆頭とする崩壊まだ論争中である。一方，太陽表面からは常に40系列に含まれるものや， K などである。宇宙

陽子や電子などのプラズマ粒子（太陽風）が放線は，地球外から地球へ進入する高エネルギー出されている。プラズマ粒子は太陽の磁力線を粒子（電磁波を含む）であり，3 つの種類に分引き出しながら惑星間空間へ拡がり，太陽系内けられる。太陽系の外から来る銀河宇宙線，太に惑星間空間磁場を形成する。このように太陽陽活動が活発なときに太陽から直接飛来する太風が磁場を作る範囲を太陽圏と呼ぶ。太陽はそ陽高エネルギー粒子（又は太陽宇宙線），そしの自転と表面近くの対流層におけるプラズマ粒て地球近傍の磁気圏に捕捉されている放射線帯子の運動によるダイナモ機構によって磁場を作粒子である。地球大気を突き抜けて地上まで到り，太陽活動は平均 11 年の周期変化をしてい達するのは，主に銀河宇宙線の影響によるものる。太陽風も同様に 11 年周期で変化をするのである。太陽高エネルギー粒子もそのエネルギで，太陽圏全体が変動する。銀河宇宙線のほとーやフラックスが大きいと地上で観測されるこんどは電荷を持った粒子なので，太陽圏に進入とがある。ちなみに宇宙線の存在は 1912 年にして地球へ届くまでに太陽圏の磁場の影響を受オーストリアの V.F. ヘスによる気球実験によける。こうして地球へ到達する銀河宇宙線の強って発見され，今年はちょうど 100 年目であ度も太陽活動に同期して 11 年周期変動を示す。

る。本稿では宇宙線が大気中で作る 14C の測定

地球へ到達した宇宙線粒子（一次宇宙線）はから何が分かるかを述べ，最近屋久杉の年輪か大気原子核と反応して空気シャワーと呼ばれるら得られた奈良時代の宇宙線増加の事象につい現象を起こす。これは高エネルギーの入射宇宙

12

Isotope News2012 年 12 月号

No.704

線が，大気原子核との衝突で多くの粒子（二次二次宇宙線に含まれる中性子や陽子（核子）を宇宙線）を生成し，これらの粒子がまた大気原地上で測定することによって一次宇宙線強度を子核との反応や崩壊を繰り返すものである。そ知ることができる。このような測定器を中性子の結果，一次宇宙線の入射方向に多数の粒子をモニターといい，世界中に設置されている。図生成する。この時，原子核との反応で核破砕反1 にグリーンランドのトゥーレ（Thule）の中応が起こると，その原子核より軽い別の原子核性子モニターで測定された結果 1）を示す。横軸

107ができる。 Be や Be は代表的な核破砕反応生の時間（西暦年）に対して，縦軸の中性子強度成物である。一方，これらの反応では多数の中が約 11 年の周期で変動しているのが分かる。

性子が発生する。中性子が弾性散乱を繰り返し同じグラフに書かれている太陽黒点数の変化とてエネルギーを失う過程で，14N による中性子比べると，黒点数が多いとき（太陽活動が活発

141414

捕獲反応 N＋ n → p＋ C が起こり， C が生成なとき）に宇宙線強度が小さくなっている。こされる。このように宇宙線によって生成されるれは太陽活動と銀河宇宙線強度の逆相関を示し同位元素は宇宙線生成核種と呼ばれ，特に長寿ており，太陽活動による磁場によって宇宙線が命の放射性同位体は自然界にその痕跡を残す。

太陽圏に入れなくなっていることが分かる。太10陽磁場は一周期ごとにその極性を反転させてい14Be（半減期 150 万年）や C（半減期 5,730 年）
3626のほかに， Cl（半減期 30 万年）， Al（半減て，太陽活動の極大の時に変わる。宇宙線粒子

期 72 万年），3H（半減期 12.3 年）などがある。のほとんどはプラスの電荷を持った陽子や原子

二次宇宙線の高エネルギー成分は大気の層を核なので，太陽磁場の極性に対して異なった軌突き抜けて地上まで達することができる。この道をとる。その結果，宇宙線強度の変化の仕方

図1

グリーンランドのトゥーレにおける中性子モニターのデータ（下）と太陽黒点数（上）の変化 1）
中性子モニターのデータは地球へ到来する宇宙線量の変化を表し，太陽活動による宇宙線のモジュレーションを示している。1 周期ごとにシャープなピークと平らなピークを繰り返しており，これは太陽磁場の極性（＋−指示）の違いによるIsotope News2012 年 12 月号

No.70413

が一周期ごとに違うと考えられ，図 1 にその様代にかかわらず一定であるか，その変化が既知子が見られる。

である必要がある。つまり特定すべき年代における 14C 濃度の初期値が分かっていなければな

3

放射性炭素 14C

らない。当初は，14C 濃度は年代にかかわらず

C は，銀河宇宙線により地球の高層大気で一定であると考えられてきたが，測定精度の向作られる。その生成率は平均的な太陽活動期に上もあって，正確には一定でないことが明らか

142であり，成層圏になってきた。14C 濃度に影響する因子は多くと対流圏でおおむね半々である。大気中で炭素あり，それらを考慮する必要がある。特に影響はすぐに酸化して二酸化炭素となり，地球の炭の大きな因子は地磁気の変化と太陽活動の変動素循環に含まれる。大気中の炭素は地表付近でである。これらはどちらも地球に進入する宇宙生物圏及び海洋圏と相互作用し，そのため大気線強度に影響し，14C 濃度に変化を与える。そおいて，2 atoms／cm ／s 程度2）14圏の C は 10 年程度の時定数で変化する。何こで，主に年代測定の較正を目的として，過去

14らかの原因で大気中の C 量が変化するとその12,000〜50,000 年 に わ た る 10〜100 年 ご と の影響が数十年続くことになる。14C は宇宙線に14よって生成されるとともに，最終的には 5,730年の半減期で放射性崩壊しており，地球規模で3,000 年分の IntCal データを図 2 に示す。縦軸の D14C は，現代の 14C 濃度基準値からの偏差は長い年月の間にほぼ平衡状態となっている。

を千分率（‰）で表した量である。1,000 年オ

1412C 濃 度 が 測 定 さ れ て き た（IntCal 3））。過去

そ の 結 果， 地 球 大 気 中 の C の 割 合 は C：ーダーの変化は地磁気によるもの，100 年オー

13ダーの変化は太陽活動によるものと考えられてC：14C＝0.99：0.01：1.2×10−12 程度である。
14C は，炭素が生きている生物に取り込まれいる。1645〜1715 年は太陽黒点がほとんど消る物質であることと放射性崩壊の半減期が適当失し太陽活動が特に弱かった時期でマウンダーな長さであることから，考古学，地球科学など極小期と呼ばれているが，このときに地球に到で年代測定の手段として用いられている。その達する宇宙線強度が大きくなり，14C 濃度も増原理的根拠として，地球大気中の 14C 濃度が年えているのが分かる。このように 14C 濃度が

図2

過去 3,000 年の 14C 濃度変動（IntCal データ 3））1414

C 濃度のピークに対応する太陽活動極小期の名前を付してあるIsotope News2012 年 12 月号

No.704

図3

紀元前 4 世紀の太陽活動極小期におけるシュワーベサイクル 6）
14

C 濃度の時間変化データに 8〜18 年のフィルターをかけてある。

サイクル 5〜7 において周期長が伸びている。太陽活動の高い方が上を向くように，縦軸の D14C のスケールが逆向きであることに注意

100 年程度の幅のピークを示す時期は太陽活動期は数十年続く変化であるが，14C のデータにの極小期と考えられており，その名称が図 2 にはもっと早い変化をしている年代がある。これ示されている。このような太陽活動極小期にはは通常の 11 年太陽活動より早い，急激な変化地球の気候が寒冷化すると言われており，過去による可能性がある。そこで我々は，7 世紀極14の太陽活動を調べるためにも C 濃度測定は重小期の直後の，やや不規則な変化をしている年要である。

代を選んで，1〜2 年の間隔で測定を試みた。

太陽活動の 11 年周期活動を調べるために，用いた試料は樹齢 1,900 年の屋久杉の年輪で我々は更に 1〜2 年ごとの 14C 濃度を測定して（図 4），我々の研究室の廊下に置いてある。年いる。時間スケールが短くなると，炭素循環に輪年代法により年輪幅のパターンから決定されよる相対的な時間のずれが大きくなり，変動のた年代を用いて対象となる年輪を切り出し，1振幅が小さくなるため，信号強度が測定精度と年ごとの試料に切り分けた後，試料ごとに洗同程度になってしまう。したがって，このよう浄，セルロース抽出，酸化して二酸化炭素に変な測定は細心の注意を払って誤差を小さく押さ換，精製の後，水素還元によってグラファイトえる必要がある。14C 濃度の測定は加速器質量に変換した。このグラファイトをターゲットとを用いて行った。 C 濃度の時系列デして名古屋大学の加速器質量分析計 4）で 14C 濃ータの周波数分析により雑音成分を遮断し，太度を測定した。測定結果を図 5（Tree-A）に示

陽活動に起因する成分を取り出すことに成功しす。図から分かるように，774〜775 年にかけた。その結果，太陽活動極小期では通常 11 年て 12‰の 14C 濃度の増加が見られる。この増加の周期が，13〜16 年と長くなっていることを量は測定誤差の 8 倍の変化であり，前述の太陽分析計4）見いだした

145，6）。図 3 に紀元前 4 世紀極小期の11 年周期変動の 20 倍の年変化である。別の屋

シュワーベサイクルを示す。サイクル No. 5〜7

久杉個体（Tree-B）の年輪を測定してもこの増において周期長が長くなっているのが分かる。

加 が 確 認 さ れ た。 こ の 1 年 の 急 激 な 増 加 後，このように過去の 14C 濃度を調べることによっ

14て，宇宙線強度の変動を介して，太陽をはじめこれは地球上の炭素循環によるもので，成層とする宇宙の様子を知ることができる。

圏，対流圏，生物圏，海洋圏の 4 つの領域を考C 濃度は数年かかってゆっくり減少している。

慮した 4-box 炭素循環モデルによってよく再現

4775 年の宇宙線増加7）できる。過去に起こった急激な 14C の増加は

図 2 は過去の 14C 濃度，すなわち宇宙線強度

1960 年代の大気圏内核爆発実験の際に見られ変化を 10 年値で示している。太陽活動の極小るが，775 年の 14C の変化は核実験の時の変化

Isotope News2012 年 12 月号

No.70415図4測定に用いた屋久杉の円板
直径 1.9 m，樹齢約 1,900 年。1956 年に伐採され，1995 年に入手した。残存年輪の年代は 100〜1600年である

図5750〜820 年における屋久杉年輪中の 1 年又は2 年ごとの 14C 濃度変化 7）とよく一致している。すなわち，775 年の事象

すると総エネルギーが 2×1053 エルグ（1 エルは，1 年以内の極めて短期間に 14C が増加し，グは 10−7 ジュール）となり，通常考えられる炭素循環により徐々に大気中の 14C 濃度が減少

超新星爆発の規模を大きく超えてしまう。距離したと言える。このような増加は 14C の 10 年が 200 パーセクならば総エネルギーは 2×1051値である IntCal データにも見られ，我々の 10エルグとなり通常の超新星爆発と考えて矛盾が年平均値は欧米の試料を用いた IntCal データとない。しかしこれだけ近距離で超新星爆発が起一致し，また南極大陸のドームふじ氷床中のこれば，かなり明るく天空に光り輝き，歴史記

10Be の 10 年値データとも一致する。すなわち，録に「客星」として記録される可能性が大きい

この現象は地球上の様々な場所で観測されていが，今のところそのような記録は発見されていることから，この事象が全地球的な現象であない。一方，原因として太陽フレアを想定する

り，その原因は地球外の宇宙で起こった高エネと，フレアで作られた陽子が等方的に放出されルギー現象と考えられる。

た場合，その総エネルギーは 1035 エルグとな

今のところ，考えられる原因は，太陽近傍でり，通常の太陽フレアのエネルギーの 1,000 倍起こった超新星爆発か，太陽表面で起こった特以上の大きさとなる。太陽フレアの場合，陽子大のフレア（スーパーフレア）である。生成さはある程度限られた角度範囲に出てくるが，そ14れた C の量から逆算することによって，これれを考慮してもまだかなり大きいフレアであるらの事象の総エネルギーを推定することができ必要がある。このような大きなフレアが起これる。超新星爆発を想定した場合，荷電粒子は星ば，低緯度オーロラが見えたり，紫外線による間磁場により直接地球には到達しない。爆発総エネルギーの 1％が g 線として等方的に放出さ強力な影響が生じる可能性が高いが，そのようれたと仮定し，地球からの距離がこれまで発見知見が必要である。

な記録はほとんどない。原因の解明には更なるされた中で最も地球に近い超新星 SN1006 と同
じ 2 キロパーセク（1 パーセクは 3.26 光年）と16

Isotope News2012 年 12 月号

No.704

5

まとめな突発現象を発見する手掛かりともなる。地球屋久杉のような長寿の樹木年輪を 1 年分ずつ削り出し，その中の 14C 濃度を測定することに外の高エネルギー現象の特定につながることが望まれる。

よって過去の宇宙線強度を詳細に調べることが参考文献できる。その時系列データの周期解析から，地球へ到達する宇宙線を制御している太陽活動の長期・短期の変遷が分かる。11 年周期のシュワーベサイクルが過去にどうなっていたかを知ることもでき，実際にマウンダー極小期などの長く太陽活動が低下した時期に周期が長くなっていたことが明らかになった。このことは，最近の太陽活動の周期が長くなり黒点数が減ってきている原因を調べ，今後の地球気候への影響を予測する手掛かりとなる。年輪 1 年ごとの14

C 濃度の測定は，775 年に見いだされたよう

Isotope News

1）URL : http://neutronm.bartol.udel.edu/modplot.html
2）Masarik, J. and Beer, J., J. Geophys. Res., 114,D11103（2009）3）Reimer, P.J., et al., Radiocarbon, 51, 1111─1150（2009）4）Nakamura, T., et al., Nucl. Instrum. Meth., B172,52（2000）
5）Masuda, K., et al., J. Phys. Soc. Jpn Suppl. A, 78, 1─
6（2009）6）Nagaya, K., et al., Sol. Phys., 280, 223─236（2012）7）Miyake, F., Nagaya, K., Masuda, K. and Nakamura,T., Nature, 428, 240─242（2012）2012 年 12 月号

No.70417