Радиоуглеродный анализ изменил наше представление о последних 50.000 лет. Профессор Уиллард Либби впервые продемонстрировал его в 1949 году, за что позже был удостоен Нобелевской премии.
Метод датировки
Суть радиоуглеродного анализа состоит в сравнении трех различных изотопов углерода. Изотопы конкретного элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Это означает, что при большой химической схожести они обладают разными массами.
Общая масса изотопа обозначается числовым индексом. В то время как более легкие изотопы 12С и 13С стабильны, самый тяжелый изотоп 14C (радиоуглерод) радиоактивен. Его ядро настолько велико, что оно является нестабильным.
С течением времени 14C – основа радиоуглеродного анализа – распадается на азот 14N. Большая часть углерода-14 создается в верхних слоях атмосферы, где нейтроны, которые образуются под действием космических лучей, вступают в реакцию с атомами 14N.
Затем он окисляется в 14СО2, проникает в атмосферу и смешивается с 12CO2 и 13CO2. Углекислый газ используется растениями в процессе фотосинтеза, а оттуда проходит через пищевую цепь. Поэтому всякое растение и животное в этой цепи (включая людей) будет иметь равное количество 14С по сравнению с 12С в атмосфере (отношение 14С:12С).
Ограничения метода
Когда живые существа умирают, ткань больше не заменяется, а радиоактивный распад 14C становится явным. Через 55 тысяч лет 14C распадается настолько, что его остатки уже невозможно измерить.
Что такое радиоуглеродный анализ? Радиоактивный распад может быть использован в качестве «часов», так как он не зависит от физических (например, температуры) и химических (например, содержания воды) условий. За 5730 лет распадается половина 14C, содержащаяся в образце.
Поэтому, если известно соотношение 14C:12C в момент смерти и сегодняшнее соотношение, то можно вычислить, сколько времени прошло. К сожалению, определить их не так просто.
Радиоуглеродный анализ: погрешность
Количество 14С в атмосфере, следовательно, в растениях и животных, не всегда было постоянным. Например, оно варьируется в зависимости от того, сколько космических лучей достигает Земли. Это зависит от солнечной активности и магнитного поля нашей планеты.
К счастью, можно измерить эти колебания в образцах, датированных другими методами. Можно подсчитать годичные кольца деревьев и изменение в них содержания радиоуглерода. Из этих данных можно построить «калибровочную кривую».
В настоящее время ведутся работы по ее расширению и совершенствованию. В 2008 году можно было откалибровать только радиоуглеродные даты до 26000 лет. Сегодня кривая расширена до 50000 лет.
Что можно измерить?
Не все материалы могут быть датированы этим методом. Большинство, если не все, органических соединений позволяют проводить радиоуглеродный анализ. Некоторые неорганические вещества, такие как арагонитовая составляющая раковин, также могут быть датированы, так как при образовании минерала использовался углерод-14.
Материалы, которые были датированы с момента создания метода, включают древесный уголь, дерево, ветки, семена, кости, раковины, кожу, торф, ил, почву, волосы, керамику, пыльцу, настенные рисунки, кораллы, остатки крови, ткани, бумагу, пергамент, смолы и воду.
Радиоуглеродный анализ металла невозможен, если в нем не содержится углерод-14. Исключение составляют изделия из железа, при изготовлении которых используется уголь.
Двойной счет
Из-за этого осложнения радиоуглеродные даты представлены двояко. Некалиброванные замеры подаются числом лет до 1950 года (BP). Калиброванные даты также представлены как до н. э., так и после, а также с помощью единицы calBP (калиброванная до настоящего времени, до 1950 года). Это «наилучшая оценка» фактического возраста образца, но необходимо иметь возможность вернуться к старым данным и откалибровать их, поскольку новые исследования постоянно обновляют калибровочную кривую.
Количество и качество
Вторая трудность состоит в крайне низкой распространенности 14С. Только 0,0000000001% углерода в современной атмосфере представляет собой 14C, что причиняет невероятные сложности для измерений и делает его чрезвычайно чувствительным к загрязнениям.
В первые годы радиоуглеродный анализ продуктов распада требовал огромных образцов (например, половины бедренной кости человека). Многие лаборатории теперь используют масс-спектрометр с ускорителем (AMS), который может обнаруживать и измерять присутствие различных изотопов, а также подсчитать количество отдельных атомов углерода-14.
Этот метод требует менее 1 г костной ткани, но лишь немногие страны могут позволить себе больше, чем один или два AMS, стоимость которых превышает 500 тыс. $. Например, Австралия имеет лишь 2 таких прибора, которые способны производить радиоуглеродный анализ, и они недостижимы для большей части развивающегося мира.
Чистота – залог точности
Кроме того, образцы должны быть тщательно очищены от загрязнений углерода из клея и почвы. Это особенно важно для очень старых материалов. Если 1 % элемента в пробе возрастом 50 тыс. лет будет происходить из современного загрязнителя, она будет датирована как сорокатысячелетняя.
По этой причине исследователи постоянно разрабатывают новые методы эффективной очистки материалов. Они могут оказать существенное влияние на результат, который дает радиоуглеродный анализ. Точность метода существенно возросла с развитием нового способа очистки активированным углем ABOx-SC. Это позволило, например, отдалить дату прибытия первых людей в Австралию более чем на 10 тыс. лет.
Радиоуглеродный анализ: критика
Метод, доказывающий, что с момента возникновения Земли прошло гораздо больше 10 тыс. лет, упомянутых в Библии, неоднократно подвергался критике креационистов. Например, они утверждают, что за 50 тыс. лет в образцах не должно остаться углерода-14, но в угле, нефти и природном газе, возраст которых, предположительно составляет миллионы лет, содержатся измеримые количества этого изотопа, что подтверждает радиоуглеродный анализ. Погрешность измерений при этом больше фоновой радиации, от которой невозможно избавиться в лаборатории. Т. е. образец, в котором не содержится ни одного атома радиоактивного углерода, покажет дату в 50 тыс. лет. Однако этот факт не ставит под сомнение датировку объектов и тем более не свидетельствует о том, что нефть, уголь и природный газ моложе этого возраста.
Также креационисты отмечают некоторые странности радиоуглеродного анализа. Например, датировка пресноводных моллюсков определила их возраст, как превышающий 2000 лет, что, по их мнению, дискредитирует данный метод. На самом деле установлено, что моллюски получают большую часть углерода из известняка и гумуса, содержание 14C в которых очень низкое, так как эти минералы очень старые и не имеют доступа к углероду воздуха. Радиоуглеродный анализ, точность которого в этом случае можно подвергнуть сомнению, в остальном соответствует действительности. Древесина, например, такой проблемы не имеет, т. к. растения получают углерод прямо из воздуха, который содержит полную дозу 14C.
Другим аргументом, направленным против метода, является тот факт, что деревья способны образовывать за один год более одного кольца. Это действительно так, но чаще случается так, что они вообще не формируют годичных колец. Остистая сосна, на основе которой проведено большинство измерений, имеет на 5 % колец меньше, чем ее фактический возраст.
Установление даты
Радиоуглеродный анализ – это не только метод, но и захватывающие открытия в нашем прошлом и настоящем. Метод позволил археологам расположить находки в хронологическом порядке без необходимости наличия письменных записей или монет.
В 19 и начале 20 века невероятно терпеливые и осторожные археологи связывали керамику и каменные орудия различных географических районов путем поиска сходства в форме и узорах. Затем, используя идею о том, что стили объектов эволюционировали и становились все более сложными с течением времени, они могли их разместить по порядку.
Таким образом, большие купольные гробницы (известный как толосы) в Греции считались предшественниками подобных структуры на шотландском острове Мейсхау. Это поддерживало идею о том, что классические цивилизации Греции и Рима были в центре всех инноваций.
Однако в результате проведения радиоуглеродных анализов выяснилось, что шотландские гробницы были на тысячи лет старше, чем греческие. Северные варвары были способны проектировать сложные структуры, аналогичные классическим.
Другими известными проектами было отнесение Туринской плащаницы к средневековому периоду, датировка свитков Мертвого моря временем Христа, и несколько спорная периодизация рисунков в пещере Шове возрастом 38 000 calBP (около 32 000 ВР), на тысячи лет раньше, чем ожидалось.
Радиоуглеродный анализ также применялся при определении времени вымирания мамонтов и внес свой вклад в споры по поводу того, встречались ли современные люди и неандертальцы или нет.
Изотоп 14С используется не только для определения возраста. Метод радиоуглеродного анализа позволяет исследовать циркуляцию океана и проследить движение лекарств по всему телу, но это тема другой статьи.
