Изменение атмосферной концентрации изотопа 14 C, вызванное ядерными испытаниями. Синяя линия обозначает естественную концентрацию
Радиоуглеродный метод абсолютной геохронологии применяется для датирования новейших отложений (до 60-80 тыс. лет) с высоким содержанием органического материала, биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения соотношения содержания в материале радиоактивного изотопа углерода 14 С. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году, получившим позднее за этот метод Нобелевскую премию по химии в 1960 году.
Радиоактивный 14 C испытывает бета-распад с периодом полураспада 5730±40 лет. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в образце, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.
Концентрация радиоуглерода (Δ 14 С - отклонение от уровня международного стандарта радиоуглерода) в образцах долгоживущих деревьев известного возраста, измеренная с высокой точностью в блоках древесины по 10-летиям за 4500 лет.
Изначально предполагалось, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. На самом деле, содержание изотопа 14 C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня солнечной радиации, и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными отходами и испытаниями ядерного оружия (например, в настоящее время в образование изотопа 14 C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях ядерного оружия в атмосфере в середине XX века). Соотношение 14 C/ 12 C зависит и от общей концентрации СO 2 в атмосфере, которая также не является постоянной. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. Таким образом, полученный в результате радиоуглеродный возраст до процедуры калибровки не является абсолютным. Детальными исследованиями получена калибровочная кривая , позволяющая переводить радиоуглеродные годы в абсолютные .
На сегодняшний день на историческом интервале (от десятков лет до 60-70 тысяч лет) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов органического происхождения. Единственной его проблемой является загрязнение образцов посторонним углеродом.
Технология датирования
Радиоуглеродным методом датируются почвы, торфы, угли, раковины моллюсков, кости и другие объекты органического происхождения.
Количество изотопа 14 C может быть получено непосредственно из образца при помощи масс-спектроскопии, выявляющий все атомы массой 14, при этом могут использоваться крайне малые навески (до 1 мг). Специальный фильтр позволяет отличить 14 C и 14 N. Этот метод также называется AMC-датировкой. Он требует сложных высокочувствительных приборов, которыми обладает мало лабораторий и институтов.
Традиционный радиоуглеродный метод требует длительной подготовки образцов. В первую очередь, образец должен быть очищен от более молодых (например, корни деревьев) или более древних (обломки карбонатных пород и др.) источников углерода. Также образец промывается кислотным или щелочным раствором для удаления посторонних источников углерода, попавших в образец. Из костей путем разложения в HCl выделяется коллагеновая фракция, датировка по которой считается наиболее точной, т.к. карбонаты кости могут замещаться на более молодые при захоронении.
Наиболее точными являются датировки метода жидкостной сцинтилляции измерения активности 14 С. Для этого метода из образца получают бензол (C 6 H 6). В бензол добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, – которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде 14 С. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде фотонов света. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, как посланный лишь одной трубкой. Для изоляции счетчиков от фонового излучения, их помещают в свинцовый кожух, толщиной несколько сантиметров.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
Радиоуглеродное датирование, часть 1
Радиоуглеродное датирование, часть 2
Радиоизотопное датирование: надежны ли основы методики?
Туринская плащаница - радиоуглеродный анализ
Антикитерский механизм правда и вымысел
Субтитры
В этом видео я хотел бы остановиться, во-первых, на том, как появляется углерод-14 и как он проникает во все живое. А затем, либо в этом, либо в следующих видео, мы поговорим о том, как его используют для датирования, то есть, как с его помощью можно обнаружить, что этой кости 12 000 лет, или что этот человек умер 18 000 лет назад - все, что угодно. Нарисуем Землю. Это поверхность Земли. Точнее, лишь малая ее часть. Потом идет атмосфера Земли. Я нарисую ее желтым. Вот здесь у нас атмосфера. Подпишем ее. И 78% - самый распространенный элемент в нашей атмосфере - азот. Здесь 78% азота. Я запишу: «азот». Его обозначение - это N. В нем 7 протонов и 7 нейтронов. Так что атомная масса равна примерно 14. А самый распространенный изотоп азота… Мы разбираем понятие изотопа в видео по химии. В изотопе протоны определяют, какой это элемент. Но вот этот номер может меняться в зависимости от имеющегося числа нейтронов. Отличающиеся таким образом варианты данного элемента называются изотопами. Я представляю себе это как версии одного элемента. В любом случае, у нас есть атмосфера, а также исходящее от нашего солнца так называемое космическое излучение, но, фактически, это не излучение. Это космические частицы. Можно рассматривать их как одиночные протоны, что то же самое, что и ядра водорода. Это также могут быть альфа-частицы, что то же самое, что и ядра гелия. Иногда бывают также электроны. Они прилетают, потом сталкиваются с составляющими нашей атмосферы и, по сути, формируют нейтроны. Итак, образуются нейтроны. Обозначим нейтрон малой буквой n, тогда 1 - его массовое число. Мы ничего не пишем, потому что здесь нет протонов. В отличие от азота, где было 7 протонов. Так что это, строго говоря, не элемент. А субатомная частица. Так вот, формируются нейтроны. И время от времени… Скажем прямо, это не похоже на типичную реакцию. Но время от времени один из этих нейтронов сталкивается определенным образом с атомом азота-14. Выбивает один из протонов азота и, по сути, сам встает на его место. Сейчас объясню. Он выбивает один из протонов. Теперь вместо семи протонов у нас получится 6. Но этот номер 14 не сменится на 13, потому что произошла замена. Так что здесь останется 14. Но теперь, так как здесь всего 6 протонов, это уже, по определению, не азот. Теперь это углерод. А тот протон, который был выбит, будет излучен. Я изображу это другим цветом. Здесь плюс. Протон, испущенный в пространство… Можно называть его водородом 1. Каким-то образом он может притянуть электрон. Если он не получит электрон, это просто будет ион водорода, положительный ион, в любом случае, или ядро водорода. Данный процесс - не типичное явление, но оно случается время от времени - именно так образуется углерод-14. Так что вот здесь углерод-14. По сути, вы можете рассматривать это как азот-14, где один из протонов заменен нейтроном. Интересно то, что он постоянно образуется в нашей атмосфере, не в огромных количествах, но в заметных. Запишу это. Постоянное формирование. Хорошо. Теперь… Я хочу, чтобы вам было понятно. Посмотрим на периодическую таблицу. По определению у углерода 6 протонов, но типичный, самый распространенный изотоп углерода - это углерод-12. Углерод-12 наиболее распространен. Большая часть углерода в нашем теле - это углерод-12. Но интересно то, что там образуется малая доля углерода-14, а затем этот углерод-14 может соединиться с кислородом и образовывать диоксид углерода. Затем диоксид углерода поглощается атмосферой и океаном. Его могут захватить растения. Когда говорят о связывании углерода, фактически, имеют в виду использование энергии солнечного света для захвата газообразного углерода и превращения его в органическую ткань. Так что углерод-14 образуется постоянно. Он проникает в океаны, он в воздухе. Смешивается со всей атмосферой. Запишем: океаны, воздух. А затем попадает в растения. Растения, фактически, состоят из этого связанного углерода, который был захвачен в газообразной форме и переведен, можно так сказать, в твердую форму, в живую ткань. Например, из этого состоит древесина. Углерод встраивается в растения, а потом оказывается в тех, кто ест растения. Это можем быть мы. Почему это интересно? Я уже объяснил механизм, даже если углерод-12 - самый распространённый изотоп, частично наше тело, за время жизни накапливает и углерод-14. Интересно то, что вы можете получать этот углерод-14 только пока живёте и пока поглощаете пищу. Потому что как только вы умираете и вас хоронят под землёй, углерод-14 больше никак не может становиться частью ваших тканей, потому что вы больше не едите ничего содержащего углерод-14. И как только вы умираете, вы больше не получаете пополнения углерода-14. И тот углерод-14, который у вас был в момент смерти, будет распадаться путём β-распада - мы это уже изучали - обратно в азот-14. То есть процесс идёт вспять. Итак, он распадётся до азота-14, и в β-распаде выделяется электрон и анти-нейтрино. Я сейчас не буду вдаваться в детали. По сути, вот, что здесь происходит. Один из нейтронов превращается в протон, и в процессе реакции испускает вот это. Почему это интересно? Как я сказал, пока вы живёте, происходит поступление углерода-14. Углерод-14 постоянно распадается. Но как только вас не станет и вы больше не будете потреблять растения, или дышать в атмосфере, если вы сами - растение, захватывать углерод из воздуха - что и касается растений… Когда растение умирает, оно больше не потребляет из атмосферы диоксид углерода и не встраивает его в ткани. Углерод-14 в этой ткани «замораживается». Затем происходит его распад с определённой скоростью. Потом ее можно использовать для определения того, как давно умерло существо. Скорость, с которой это происходит, скорость распада углерода-14 до исчезновения его половины или распада наполовину примерно 5 730 лет. Это называется периодом полураспада. Мы говорим об этом в других видео. Это называется периодом полураспада. Я хочу, чтобы вам это было понятно. Неизвестно, которая из половин исчезла. Это вероятностное понятие. Вы лишь можете предположить, что весь углерод-14 слева распадётся, а весь углерод-14 справа не распадётся в течение этих 5 730 лет. По сути, это значит, что любой из данных атомов углерода-14 имеет 50-процентный шанс распасться до азота-14 в течение 5 730 лет. То есть через 5 730 лет примерно половина из них распадётся. Почему это важно? Если вы знаете, что все живые существа имеют определённую долю углерода-14 в своих тканях как часть составляющих их веществ, и затем находите какую-либо кость… Допустим, вот вы нашли кость во время археологических раскопок. Вы скажете, что эта кость имеет половину углерода-14 по сравнению с живыми существами вокруг вас. Было бы совершенно разумно предположить, что этой кости должно быть 5 730 лет. Ещё лучше, если вы копнете ещё глубже и найдёте ещё одну кость. Может, на пару футов глубже. И обнаружите, что в ней содержится 1/4 углерода-14 от того, что можно было бы найти в живом существе. Тогда сколько ему лет? Если в ней всего 1/4 углерода-14, он прошёл через 2 полураспада. После одного полураспада у него осталось бы 1/2 углерода. Затем, после второго полураспада, половина от этого также превратится в азот-14. Так что здесь произошло 2 периода полураспада, что дает 2 раза по 5 730 лет. Каков будет вывод о возрасте предмета? Плюс-минус 11 460 лет. Subtitles by the Amara.org community
Физические основания
В 2015 году учёные из Имперского колледжа Лондона подсчитали, что дальнейшее использование углеводородов сведёт на нет радиоуглеродный метод.
May 12th, 2013
Все, что дошло до нас от язычества, окутано густым туманом; оно принадлежит к тому промежутку бремени, который мы не в силах измерить. Мы знаем, что оно древнее христианства, но на два года, на двести лет или на целое тысячелетие – здесь мы можем только гадать. Расмус Ниерап, 1806.
Многие из нас запуганы наукой. Радиоуглеродная датировка как один из результатов развития ядерной физики является примером такого феномена. Этот метод имеет важное значение для разных и независимых научных дисциплип, таких, как гидрология, геология, наука об атмосфере и археология. Однако мы оставляем понимание принципов радиоуглеродной датировки научным специалистам и слепо соглашаемся с их выводами из уважения к точности их оборудования и восхищения их интеллектом.
На самом деле принципы радиоуглеродной датировки поразительно просты и легкодоступны. Более того, представление о радиоуглеродной датировке как о «точной науке» является ошибочным, и, по правде говоря, лишь немногие ученые придерживаются такого мнения. Проблема в том, что представители многих дисциплин, пользующиеся радиоуглеродной датировкой в хронологических целях, не понимают ее природы и назначения. Давайте разберемся в этом.
Принципы радиоуглеродной датировки
Уильям Фрэнк Либби и члены его команды разработали принципы радиоуглеродной датировки в 1950-е годы. К 1960 году их работа была завершена, и в декабре этого года Либби был номинирован на Нобелевскую премию по химии. Один из ученых, участвовавших в его выдвижении, отметил:
«Редко случалось так, что одно открытие в области химии оказывало такое влияние на разные области человеческих знаний. Очень редко отдельное открытие привлекало столь широкий интерес».
Либби обнаружил, что нестабильный радиоактивный изотоп углерода (С 14) с предсказуемой скоростью распадается на стабильные изотопы углерода (С12 и С13). Все три изотопа встречаются в атмофере в естественном виде в следующих пропорциях; С12 – 98,89%, С13 – 1,11% и С14 – 0,00000000010%.
Стабильные изотопы углерода С12 и С13 образовались вместе со всеми остальными атомами, из которых состоит наша планета, то есть очень и очень давно. Изотоп С14 образуется в микроскопических количествах в результате еже- , дневной бобмардировки солнечной атмосферы космическими лучами. При соударении с определенными атомами космические лучи разрушают их, в результате чего нейтроны этих атомов переходят в свободное состояние в земной атмосфере.
Изотоп С14 образуется, когда один из таких свободных нейтронов сливается с ядром атома азота. Таким образом, радиоуглерод представляет собой «изотоп Франкенштейна», сплав разных химических элементов. Затем атомы С14, которые образуются с постоянной скоростью, подвергаются окислению и проникают в биосферу в процессе фотосинтеза и естественной цепочки питания.
В организмах всех живых существ отношение изотопов С12 и С14 равно атмосферному отношению этих изотопов в их географическом регионе и поддерживается скоростью их метаболизма. Однако после смерти организмы перестают накапливать углерод, и поведение изотопа С14 с этого момента становится интересным. Либби установил, что период полураспада С14 составляет 5568 лет; еще через 5568 лет распадается половина оставшихся атомов изотопа.
Таким образом, поскольку первоначальное отношение изотопов С12 и С14 является геологической постоянной, возраст образца можно определить, измерив количество остаточного изотопа С14. К примеру, если в образце присутствует некоторое первоначальное количество С14, значит, дата смерти организма определяется двумя периодами полураспада (5568 + 5568), что соответствует возрасту 10 146 лет.
В этом заключается основной принцип радиоуглеродной датировки как инструмента археологии. Радиоуглерод абсорбируется в биосфере; он прекращает накапливаться со смертью организма и распадается с определенной скоростью, которую можно измерить.
Иными словами, соотношение С 14 /С 12 постепенно падает. Таким образом мы получаем «часы», которые начинают идти с момента смерти живого существа. Очевидно, что эти часы действуют только для мертвых тел, которые когда-то были живыми существами. Например, их нельзя использовать для определения возраста вулканических пород.
Скорость распада С 14 такова, что половина этого вещества превращается обратно в N 14 в течение 5730±40 лет. Это и есть так называемый «период полураспада». За два периода полураспада, то есть за 11460 лет, останется только четверть изначального количества. Таким образом, если соотношение С 14 /С 12 в образце составляет четверть от соотношения в современных живых организмах, теоретически этот образец имеет возраст 11460 лет. Возраст же предметов старше 50 000 лет с помощью радиоуглеродного метода определить теоретически невозможно. Поэтому радиоуглеродное датирование не может показать возраст в миллионы лет. Если проба содержит С 14 , это уже свидетельствует о том, что ее возраст меньше миллионов лет.
Однако все не так просто. Во-первых, растения хуже усваивают углекислый газ, содержащий С 14 . Следовательно, они накапливают его меньше ожидаемого и поэтому при тестировании кажутся старше, чем есть на самом деле. Более того, различные растения по-разному усваивают С 14 , и на это тоже следует делать поправку. 2
Во-вторых, соотношение С 14 /С 12 в атмосфере не всегда было постоянным – например, оно снизилось с наступлением индустриальной эпохи, когда вследствие сжигания огромных количеств органического топлива высвободилась масса углекислого газа, обедненного С 14 . Соответственно, организмы, умершие в этот период, в рамках радиоуглеродного датирования кажутся старше. Затем произошло увеличение содержания С 14 О 2 , связанное с наземными ядерными испытаниями 1950-х годов, 3 вследствие чего организмы, умершие в этот период, стали казаться моложе, чем были на самом деле.
Измерения содержания С 14 в объектах, чей возраст точно установлен историками (например, зерно в гробницах с указанием даты захоронения) позволяют оценить уровень С 14 в атмосфере того времени и, таким образом, частично «подправить ход» радиоуглеродных «часов». Соответственно, радиоуглеродное датирование, проведенное с учетом исторических данных, может дать весьма плодотворные результаты. Однако даже с такой «исторической настройкой» археологи не считают даты, полученные радиоуглеродным методом, абсолютным – из-за частых аномалий. Они больше полагаются на методы датирования, связанные с историческими летописями.
За пределами исторических данных «настройка» «часов» С 14 не представляется возможной
В лаборатории
С учетом всех этих неопровержимых фактов крайне странно видеть в журнале «Радиоуглерод» (где публикуются результаты радиоуглеродных исследований по всему миру) следующее утверждение:
«Шесть уважаемых лабораторий выполнили 18 анализов возраста древесины из Шелфорда в графстве Чешир. Оценки варьируют от 26 200 до 60 000 лет (до настоящего времени), разброс составляет 34 600 лет».
Вот еще один факт: хотя теория радиоуглеродной датировки звучит убедительно, когда ее принципы применяются к лабораторным образцам, в игру вступает человеческий фактор. Это приводит к ошибкам, порой очень значительным. Кроме того, лабораторные образцы загрязняются фоновым излучением, изменяющим остаточный уровень С14, который подвергается измерению.
Как указал Ренфрю в 1973-м и Тейлор в 1986 году, метод радиоуглеродной датировки опирается на ряд необоснованных предположений, сделанных Либби во время разработки его теории. К примеру, в последние годы было много дискуссий о периоде полураспада С14, якобы составляющем 5568 лет. В наши дни большинство ученых сходится на том, что Либби ошибался и что период полураспада С14 на самом деле составляет примерно 5730 лет, Расхождение в 162 года приобретает большое значение при датировке образцов тысячелетней давности.
Но вместе с Нобелевской премией по химии к Либби пришла полная уверенность в его новой системе. Его радиоуглеродные датировки археологических образцов из Древнего Египта уже были датированы, поскольку древние египтяне тщательно следили за своей хронологией. К сожалению, радиоуглеродный анализ давал слишком заниженный возраст, в некоторых случаях на 800 лет меньше, чем по данным исторической летописи. Но Либби пришел к поразительному выводу:
«Распределение данных показывает, что древнеегипетские исторические датировки до начала второго тысячелетия до нашей эры слишком завышены и, возможно, превышают истинные на 500 лет в начале третьего тысячелетия до нашей эры».
Это классический случай научного самомнения и слепой, почти религиозной веры в превосходство научных методов над археологическими. Либби ошибался, радиоуглеродный метод подвел его. Теперь эта проблема решена, но самопровозглашенная репутация метода радиоуглеродной датировки по-прежнему превышает уровень его надежности.
Мои исследования показывают, что с радиоуглеродной датировкой связаны две серьезные проблемы, которые и в наши дни могут привести к большим недоразумениям. Это (1) загрязнение образцов и (2) изменение уровня С14 в атмосфере в течение геологических эпох.
Эталоны радиоуглеродного датирования. Значение эталона, принятого при расчёте радиоуглеродного возраста образца, прямо влияет на полученную величину. По результатам детального анализа опубликованной литературы установлено, что при радиоуглеродном датировании применялось несколько эталонов. Наиболее известные из них: эталон Андерсона (12,5 dpm/g), эталон Либби (15,3 dpm/g) и современный эталон (13,56 dpm/g).
Датирование ладьи фараона. Древесина ладьи фараона Sesostris III датировалась радиоуглеродным методом на основе трёх эталонов. При датировании древесины в 1949 году на основе эталона (12,5 dpm/g) получен радиоуглеродный возраст 3700 +/- 50 ВР лет. Позднее Либби датировал древесину на основе эталона (15,3 dpm/g) . Радиоуглеродный возраст не изменился. В 1955 году Либби повторно датировал древесину ладьи на основе эталона (15,3 dpm/g) и получил радиоуглеродный возраст 3621 +/-180 ВР лет. При датировании древесины ладьи в 1970 году применён эталон (13,56 dpm/g) . Радиоуглеродный возраст почти не изменился и составил 3640 ВР лет. Приведённые нами фактические данные по датированию ладьи фараона можно проверить по соответствующим ссылкам на научные публикации.
Цена вопроса. Получение практически одного и того же радиоуглеродного возраста древесины ладьи фараона: 3621-3700 ВР лет на основе применения трёх эталонов, значения которых отличаются существенно, физически невозможно. Применение эталона (15,3 dpm/g) автоматически даёт увеличение возраста датируемого образца на 998 лет, по сравнению с эталоном (13,56 dpm/g), и на 1668 лет, по сравнению с эталоном (12,5 dpm/g). Из этой ситуации имеется всего два выхода. Признание того, что:
При датировании древесины ладьи фараона Sesostris III были осуществлены манипуляции с эталонами (древесина вопреки декларациям, датировалась на основе одного и того же эталона);
Ладья фараона Sesostris III волшебная.
Заключение. Суть рассмотренных явлений, названных манипуляциями, выражается одним словом – фальсификация.
После смерти содержание C 12 остается постоянным, а содержание C 14 уменьшается
Загрязнение образцов
Мэри Левайн объясняет:
«Загрязнением называется наличие в образце органического материала чуждого происхождения, который не был сформирован вместе с материалом образца».
На многих фотографиях раннего периода радиоуглеродного анализа изображены научные специалисты, которые курят сигареты во время сбора или обработки образцов. Не слишком умно с их стороны! Как указывает Ренфрю, «уроните щепотку пепла на ваши образцы, подготовленные к анализу, и вы получите радиоуглеродный возраст табака, из которого была сделана ваша сигарета».
Хотя в наши дни такая методологическая некомпетентность считается недопустимой, археологические образцы все равно страдают от загрязнения. Известные виды загрязнений и способы борьбы с ними обсуждаются в статье Тейлора (1987). Он делит загрязнения на четыре главные категории: 1) физически устранимые, 2) растворимые в кислотах, 3) растворимые в щелочах, 4) растворимые в растворителях. Все эти загрязнения, если не устранить их, сильно влияют на лабораторное определение возраста образца.
X. Э. Гоув, один из изобретателей метода акселераторной масс-спектрометрии (AMS), сделал радиоуглеродную датировку Туринской плащаницы. Он пришел к выводу, что волокна ткани, использованные для изготовления плащаницы, датируются 1325 годом.
Хотя Гоув и его коллеги совершенно уверены в аутентичности своего определения, многие, по очевидным причинам, считают возраст Туринской плащаницы гораздо более почтенным. Гоув со своими единомышленниками дал достойный ответ всем критикам, и если бы мне пришлось делать выбор, то я бы рискнул сказать, что научная датировка Туринской плащаницы, скорее всего, является точной. Но в любом случае, ураган критики, обрушившийся на этот конкретный проект, показывает, как дорого может стоить ошибка при радиоуглеродной датировке и с каким подозрением некоторые ученые относятся к этому методу.
Утверждалось, что образцы могли подвергнуться загрязнению более молодым органическим углеродом; методы очистки могли пропустить следы современных загрязнений. Роберт Хеджес из Оксфордского университета отмечает, что
«нельзя совершенно исключить небольшую систематическую погрешность».
Интересно, назвал бы он расхождение датировок, полученных разными лабораториями по образцу древесины из Шелфорда, «небольшой систематической погрешностью»? Разве не похоже, что нас снова дурачат ученой риторикой и заставляют поверить в совершенство существующих методов?
Леонсио Гарза-Вальдес, безусловно, придерживается такого мнения по отношению к датировке Туринской плащаницы. Все древние ткани покрыты биопластической пленкой в результате жизнедеятельности бактерий, которая, по мнению Гарза-Вальдеса, сбивает с толку радиоуглеродный анализатор. Фактически возраст Туринской плащаницы вполне может составлять 2000 лет, так как ее радиоуглеродную датировку нельзя считать окончательной. Необходимы дальнейшие исследования. Интересно отметить, что Гоув (хотя он расходится во мнениях с Гарза-Вальдесом) согласен, что такая критика служит основанием для новых исследований.
Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли
Уровень С14 в земной атмосфере
Согласно «принципу одновременности» Либби, уровень С14 в любом конкретном географическом регионе является постоянным на всем протяжении геологической истории. Эта предпосылка была жизненно необходима для достоверности радиоуглеродного анализа на раннем этапе его развития. Действительно, для надежного измерения остаточного уровня С14 вам нужно знать, какое количество этого изотопа присутствовало в организме на момент его смерти. Но эта предпосылка, по мнению Ренфрю, является ошибочной:
«Однако теперь известно, что пропорциональное отношение радиоуглерода к обычному С12 не оставалось постоянным во времени и что до 1000 года до нашей эры отклонения так велики, что радиоуглеродные датировки могут заметно расходиться с действительностью».
Дендрологические исследования (изучение древесных колец) убедительно показывают, что уровень С14 в земной атмосфере за последние 8000 лет был подвержен значительным флуктуациям. Значит, Либби выбрал ложную константу и его исследования были основаны на ошибочных предположениях.
Возраст колорадской сосны, растущей в юго-западных регионах США, может достигать нескольких тысяч лет. Некоторые деревья, еще живые в наши дни, появились на свет 4000 лет назад. Кроме того, по бревнам, собранным в тех местах, где росли эти деревья, можно протянуть летопись древесных колец еще на 4000 лет в прошлое. Другими деревьями-долгожителями, полезными для дендрологических исследований, являются дуб и калифорнийская секвойя.
Как известно, ежегодно на срезе живого древесного ствола нарастает новое годичное кольцо. Подсчитав годичные кольца, можно узнать возраст дерева. Логично предположить, что уровень С14 в годичном кольце 6000-летнего возраста будет аналогичен уровню С14 в современной атмосфере. Но это не так.
К примеру, анализ годичных колец показал, что уровень С14 в земной атмосфере 6000 лет назад был существенно выше, чем сейчас. Соответственно, радиоуглеродные образцы, датируемые этим возрастом, оказались заметно моложе, чем на самом деле, на основании дендрологического анализа. Благодаря работе Ханса Суисса были составлены диаграммы коррекции уровня С14 для компенсации его флуктуации в атмосфере в разные периоды времени. Однако это значительно снизило достоверность радиоуглеродных датировок образцов, возраст которых превышает 8000 лет. У нас просто нет данных о содержании радиоуглерода в атмосфере до этой даты.
Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра
Про установки.
«Плохие» результаты?
Когда установленный «возраст» отличается от ожидаемого, исследователи поспешно находят повод объявить результат датирования недействительным. Широкая распространенность этого апостериорного доказательства показывает, что у радиометрического датирования имеются серьезные проблемы. Вудморапп приводит сотни примеров уловок, к которым прибегают исследователи, пытаясь объяснить «неподходящие» значения возраста.
Так, ученые пересмотрели возраст ископаемых останков Australopithecus ramidus. 9 Большинство образцов базальта, наиболее близко подходящего к слоям, в которых были найдены эти окаменелости, показало возраст около 23 миллионов лет по методу «аргон-аргон». Авторы решили, что эта цифра «слишком велика», если исходить из их представлений о месте этих окаменелостей в глобальной эволюционной схеме. Они рассмотрели базальт, располагавшийся подальше от окаменелостей, и, отобрав 17 из 26 образцов, получили приемлемый максимальный возраст в 4,4 миллиона лет. Остальные девять образцов показали опять-таки гораздо больший возраст, но экспериментаторы решили, что дело в загрязнении породы, и отвергли эти данные. Таким образом, на методы радиометрического датирования существенно влияет доминирующее в научных кругах мировоззрение «долгих эпох».
Аналогичная история связана с установлением возраста черепа примата (этот череп известен как образец KNM-ER 1470). 10, 11 Поначалу был получен результат 212–230 млн. лет, который, исходя из окаменелостей, был признан неверным («людей в то время еще не было»), после чего были предприняты попытки установления возраста вулканических пород в этом регионе. Через несколько лет, после опубликования нескольких различных результатов исследований, «сошлись» на цифре 2,9 млн. лет (хотя эти исследования включали в себя и отделение «хороших» результатов от «плохих» – как и в случае с Australopithecus ramidus).
Исходя из предвзятых представлений об эволюции человека, исследователи никак не могли примириться с мыслью, что череп 1470 «настолько стар». После изучения ископаемых останков свиньи в Африке антропологи с готовностью поверили в то, что череп 1470 на самом деле гораздо моложе. После того, как научная общественность утвердилась в этом мнении, дальнейшие исследования пород еще больше снизили радиометрический возраст этого черепа – до 1,9 млн. лет – и вновь отыскались данные, «подтверждающие» очередную цифру. Вот такая «игра в радиометрическое датирование»…
Мы не утверждаем, что эволюционисты сговорились подгонять все данные под наиболее удобный для себя результат. Конечно же, в норме дело обстоит совсем не так. Беда в другом: все данные наблюдения должны соответствовать доминирующей в науке парадигме. Эта парадигма – или, скорей, вера в миллионы лет эволюции от молекулы до человека – настолько прочно укрепилась в сознании, что никто не позволяет себе подвергнуть ее сомнению; напротив, говорят о «факте» эволюции. Вот под эту парадигму и должны подходить абсолютно все наблюдения. В результате исследователи, которые в глазах общественности выглядят «объективными и беспристрастными учеными», бессознательно отбирают именно те результаты наблюдений, которые согласуются с верой в эволюцию.
Нельзя забывать, что прошлое недоступно для нормального экспериментального исследования (серии опытов, проводимые в настоящем). Ученые не могут экспериментировать с событиями, происходившими когда-то. Измеряется не возраст пород – измеряются концентрации изотопов, причем их-то как раз можно измерить с высокой точностью. А вот «возраст» определяется уже с учетом предположений о прошлом, доказать которые невозможно.
Мы должны всегда помнить слова Бога, обращенные к Иову: «Где был ты, когда Я полагал основания земли?» (Иов 38:4).
Те, кто имеет дело с неписаной историей, собирают информацию в настоящем и таким образом пытаются воссоздать прошлое. При этом уровень требований к доказательствам гораздо ниже, чем в эмпирических науках, таких, как физика, химия, молекулярная биология, физиология и т.д.
Уильяме (Williams ), специалист по превращениям радиоактивных элементов в окружающей среде, установил 17 изъянов в методах изотопного датирования (по результатам этого датирования были изданы три весьма солидные труда, позволившие определить возраст Земли приблизительно в 4,6 миллиарда лет). 12 Джон Вудморапп остро критикует эти методы датирования 8 и разоблачает сотни связанных с ними мифов. Он убедительно доказывает, что немногие «хорошие» результаты, оставшиеся после того, как «плохие» данные были отфильтрованы, можно легко объяснить удачным совпадением.
«Какой возраст предпочитаете?»
В анкетах, предлагаемых радиоизотопными лабораториями, обычно спрашивается: «Каким, по-вашему, должен быть возраст данного образца?». Но что это за вопрос? В нем не возникало бы нужды, если бы техники датирования были абсолютно надежны и объективны. Вероятно, дело в том, что лаборатории знают о распространенности аномальных результатов и потому пытаются выяснить, насколько «хороши» получаемые ими данные.
Проверка методов радиометрического датирования
Если бы методы радиометрического датирования могли действительно объективно определять возраст пород, они срабатывали бы и в ситуациях, когда возраст нам точно известен; кроме того, различные методы давали бы согласованные результаты.
Методы датирования должны показывать достоверные результаты для предметов известного возраста
Есть целый ряд примеров, когда методы радиометрического датирования неверно устанавливали возраст пород (этот возраст был точно известен заранее). Один из таких примеров – калий-аргоновое «датирование» пяти потоков андезитовой лавы с горы Нгаурухо в Новой Зеландии. Хотя было известно, что лава один раз текла в 1949 году, три раза – в 1954 и еще один раз – в 1975, «установленные возрасты» варьировали от 0,27 до 3,5 млн. лет.
Все тот же ретроспективный метод породил следующее объяснение: когда порода отвердела, в ней остался «лишний» аргон из-за магмы (расплавленной породы). В светской научной литературе приводится масса примеров тому, как избыток аргона приводит к «лишним миллионам лет» при датировании пород известного исторического возраста. 14 Источником избыточного аргона, по всей видимости, служит верхняя часть мантии Земли, расположенная непосредственно под земной корой. Это вполне соответствует теории «молодой Земли» – у аргона было слишком мало времени, он просто не успел высвободиться. Но если избыток аргона привел к столь вопиющим ошибкам в датировании пород известного возраста, почему мы должны доверять этому же методу при датировании пород, возраст которых неизвестен ?!
Другие методы – в частности, использование изохрон, – включают в себя различные гипотезы о начальных условиях; но ученые все больше убеждаются в том, что даже такие «надежные» методы тоже приводят к «плохим» результатам. И тут снова выбор данных основан на предположении исследователя о возрасте той или иной породы.
Доктор Стив Остин (Steve Austin) , геолог, взял пробы базальта из нижних слоев Большого Каньона и из потоков лавы на краю каньона. 17 По эволюционной логике, базальт у края каньона должен быть на миллиард лет моложе базальта из глубин. Стандартный лабораторный анализ изотопов с применением изохронного датирования «рубидий-стронций» показал, что сравнительно недавний поток лавы на 270 млн. лет старше базальта из недр Большого Каньона – что, конечно же, абсолютно невозможно!
Проблемы методики
Изначально идея Либби опиралась на следующие гипотезы:
- 14C образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, затем перемешивается в атмосфере, входя в состав углекислого газа. При этом процентное содержание 14C в атмосфере является постоянным и не зависит ни от времени, ни от места, несмотря на неоднородность самой атмосферы и распад изотопов.
- Скорость радиоактивного распада является постоянной величиной, измеряемой периодом полураспада в 5568 лет (предполагается, что за это время половина изотопов 14C превращается в 14N).
- Животные и растительные организмы строят свои тела из углекислоты, добываемой из атмосферы, и при этом живые клетки содержат тот же процент изотопа 14C, что находится в атмосфере.
- По смерти организма его клетки выходят из цикла углеродного обмена, но атомы изотопа 14C продолжают превращаться в атомы стабильного изотопа 12C по экспоненциальному закону радиоактивного распада, что и позволяет рассчитать время, прошедшее со времени смерти организма. Это время называется «радиоуглеродным возрастом» (или, для краткости, «РУ-возрастом»).
У этой теории, по мере накопления материала, стали появляться контрпримеры: анализ недавно умерших организмов иногда даёт очень древний возраст, или, наоборот, проба содержит столь огромное количество изотопа, что вычисления дают отрицательный РУ-возраст. Некоторые заведомо древние предметы имели молодой РУ-возраст (такие артефакты объявлялись поздними подделками). В итоге оказалось, что РУ-возраст далеко не всегда совпадает с истинным возрастом в тех случаях, когда истинный возраст можно проверить. Такие факты приводят к обоснованным сомнениям в случаях, когда РУ-метод применяется для датирования органических предметов неизвестного возраста, и РУ-датировка не может быть проверена. Случаи ошибочного определения возраста объясняются следующими известными недостатками теории Либби (эти и иные факторы проанализированы в книге М. М. Постникова «Критическое исследование хронологии древнего мира, в 3-х томах» ,- М.: Крафт+Леан, 2000, в томе 1, стр. 311-318, написанной в 1978 году):
- Непостоянство процентного содержания 14C в атмосфере. Содержание 14C зависит от космического фактора (интенсивность солнечного излучения) и земного (поступление в атмосферу «старого» углерода из-за горения и гниения древней органики, возникновения новых источников радиоактивности, колебаний магнитного поля Земли). Изменение этого параметра на 20 % влечёт ошибку в РУ-возрасте почти в 2 тысячи лет.
- Не доказано однородное распределение 14C в атмосфере. Скорость перемешивания атмосферы не исключает возможности существенных различий содержания 14C в разных географических регионах.
- Скорость радиоактивного распада изотопов может быть определена не вполне точно. Так, со времён Либби период полураспада 14C по официальным справочникам «изменился» на сотню лет, то есть, - на пару процентов (этому соответствует изменение РУ-возраста на полторы сотни лет). Высказывается предположение, что значение периода полураспада значительно (в пределах нескольких процентов) зависит от экспериментов, в которых он определяется.
- Изотопы углерода не являются вполне эквивалентными , клеточные мембраны могут использовать их избирательно: некоторые абсорбировать 14C, некоторые, наоборот, избегать его. Поскольку процентное содержание 14C ничтожно (один атом 14C к 10 миллиардам атомов 12C), даже незначительная избирательность клетки в изотопном отношении влечёт большое изменение РУ-возраста (колебание на 10 % приводит к ошибке примерно 600 лет).
- По смерти организма его ткани не обязательно выходят из углеродного обмена , участвуя в процессах гниения и диффузии.
- Содержание 14C в предмете может быть неоднородным. Со времени Либби физики-радиоуглеродчики научились очень точно определять содержание изотопа в образце; заявляют даже, что они способны пересчитать отдельные атомы изотопа. Разумеется, такой подсчёт возможен только для небольшого образца, но в этом случае возникает вопрос - насколько точно этот небольшой образец представляет весь предмет? Насколько однородно содержание изотопа в нём? Ведь ошибки в несколько процентов приводят к столетним изменениям РУ-возраста.
Резюме
Радиоуглеродная датировка – это развивающийся научный метод. Однако на каждом этапе его развития ученые безоговорочно поддерживали его общую достоверность и замолкали лишь после выявления серьезных ошибок в оценках или в самом методе анализа. Не стоит удивляться ошибкам, если учитывать количество переменных, которые должен принять во внимание ученый: атмосферные флуктуации, фоновое излучение, рост бактерий, загрязнение и человеческая ошибка.
Как часть представительного археологического исследования, радиоуглеродная датировка по-прежнему имеет крайне важное значение; просто ее нужно поместить в культурную и историческую перспективу. Разве ученый имеет право сбрасывать со счетов противоречащие археологические свидетельства только потому, что его радиоуглеродная датировка указывает на другой возраст? Это опасно. Фактически многие египтологи поддержали предположение Либби о том, что хронология Древнего Царства составлена неправильно, так как это было «научно доказано». На самом деле Либби ошибался.
Радиоуглеродная датировка полезна в качестве дополнения к другим данным, и в этом заключается ее сильная сторона. Но пока не наступит день, когда все переменные окажутся под контролем, а все ошибки будут устранены, радиоуглеродные датировки не получат окончательного слова на археологических раскопках.
источники
Глава из книги К. Хэма, Д. Сарфати, К. Виланда под ред. Д. Баттена «КНИГА ОТВЕТОВ: РАСШИРЕННАЯ И ОБНОВЛЕННАЯ»
Грэм Хэнкок: Следы богов . М., 2006. Стр. 692-707.
В том числе и по этим причинам, описанным выше «всплывают» и возникают загадки Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -
Одним из основных химических элементов круговорота веществ в биосфере Земли является углерод, который встречается в виде трех изотопов – 12 С, 13 С, 14 С. В атмосфере углерод присутствует в основном в виде углекислого газа (есть и другие соединения, но их уровень незначителен). Львиная доля углерода приходится на изотоп 12 С. На изотоп 13 С приходится примерно 0,1%, а доля 14 С – 1,18 . 10 -12 .
14 N + n → 14 C + p +
Из атмосферного воздуха изотоп 14 С в процессе обмена веществ попадает в биосферу Земли. При этом основным каналом поступления 14 С в живые организмы является фотосинтез растений, а далее – по пищевой цепочке – он попадает в организм животных и человека. Через биосферу и непосредственно из атмосферы (хотя и менее интенсивно) 14 С попадает в почву и воду океанов.
Если изотопы 12 С и 13 С являются устойчивыми, то 14 С радиоактивен и с течением времени распадается по реакции:
14 С → 14 N + e – + n
Данная реакция (как и другие реакции радиоактивного распада) характеризуется следующей зависимостью:
А/А 0 = 2 – t / T
где А 0 – концентрация 14 С в некотором образце в начальный момент времени; А – концентрация 14 С в момент времени t; Т – период полураспада, равный для радиоуглерода величине 5730±40 лет.
Именно это свойство нестабильности и «склонности» к распаду и используется в радиоуглеродных методах датирования. Если известно начальное содержание 14 С в образце, то, измерив его содержание в текущий момент времени, по вышеприведенной зависимости можно определить возраст образца.
Рис. 124. Кривая радиоактивного распада
Если известно…
Вот тут-то мы и сталкиваемся с первой серьезной проблемой. Дело в том, что вышеприведенная зависимость представляет собой уравнение, в котором помимо периода полураспада реально известна (точнее – ее можно измерить) только текущая концентрация радиоуглерода. То есть мы имеем одно уравнение с двумя неизвестными. А такое уравнение имеет бесконечное число решений…
И это – уже только в теории. На практике же для возможности корректного определения возраста образца, необходимо выполнить целый ряд дополнительных требований. Все же в целом можно свести к трем важным условиям.
Во-первых, должна быть сведена к минимуму ошибка в определении текущей концентрации 14 С в исследуемом образце.
Во-вторых, необходимо знать начальную концентрацию 14 С в образце.
И в-третьих, нужно быть уверенным, что за период, прошедший с начального момента времени, с образцом не происходило процессов, которые могли бы привести к изменению содержания 14 С в образце, помимо процесса радиоактивного распада. Либо быть уверенным, что существующие методы учета влияния таких процессов в достаточной степени корректны.
Проще всего оказалось решить первую задачу. В настоящее время масс-спектрометрические методы позволяют определять содержание 14 С в очень малых образцах (достаточно лишь 10 микрограмм углерода) с высокой степенью точности. Помимо этого успешно применяются методы очистки образцов и углеродного обогащения. Для минимизации ошибок в этих методах используются измерения на контрольных образцах, которые позволяют корректно учесть возможные изменения концентрации 14 С в исследуемых образцах в процессе соответствующих лабораторных процедур.
Несколько сложнее дело обстоит с третьей задачей (чуть нарушим порядок), то есть с задачей учета предыстории образца. Дело в том, что метод радиоуглеродного датирования базируется на предположении, согласно которому смерть живого организма (растения, животного, человека) означает его выход из активного процесса обмена веществ, в процессе которого непрерывно пополняется его «запас» 14 С. Но ведь на самом деле процесс обмена веществ со смертью организма не прекращается: бренные останки в той или иной степени подвержены влиянию со стороны внешней среды, – а следовательно, возможно и нарушение соотношения между содержанием разных изотопов углерода в этих бренных останках.
Здесь был найден «обходной вариант» – задействован метод выделения специфичного для образца соединения (белки, аминокислоты, целлюлоза, хитин и т.п.), минимально подверженного внешним воздействиям в процессе разложения бренных останков...
Рис. 125. Годичные кольца у сосны
Необходимость же знания начальной концентрации 14 С послужила мощным стимулом к решению другой задачи радиоуглеродного метода – определение содержания 14 С в атмосфере в прошлом. И здесь роль «палочки-выручалочки» выпала на дендрохронологию – метод, основанный на исследовании колец деревьев.
Исследователи пришли к выводу, что изотопное соотношение 14 С/ 12 С в растениях довольно точно соответствует этому отношению в атмосфере. В частности, внешнее кольцо деревьев как бы «фотографирует» содержание радиоуглерода в атмосфере в год образования этого кольца. А поскольку ранее уже были выстроены довольно длинные дендрошкалы (отражающие зависимость ширины колец от времени), радиоуглеродное исследование колец деревьев позволило создать картину изменений содержания 14 С в атмосфере Земли в прошлом.
Рис. 126. Изменение содержания радиоуглерода в атмосфере
Честно говоря, в справедливости данного утверждения у меня остались серьезные сомнения... Дело в том, что трудно представить реальное живое дерево, ствол которого представляет собой набор абсолютно изолированных друг от друга цилиндрических годовых слоев без какого-либо обмена между слоями. Более того, ведь и внутренние слои продолжают жить, участвуя в процессе обмена веществ в дереве. В частности, по внутренним слоям ежегодно прокачиваются «соки» (жидкая фаза) растения. По всем логическим соображениям, это должно влиять на содержание радиоуглерода и в твердой составляющей древесины, поскольку снизу, из почвы, поступает раствор, обедненный 14 С; а от листьев – обогащенный свежим 14 С, поглощенным из атмосферы уже не в год образования кольца, а позже. И строго говоря, для корректного определения концентрации радиоуглерода именно в год формирования кольца необходимо знать баланс этих потоков.
К сожалению, в многочисленных доступных источниках (а мне пришлось в поисках различных данных «прочесать» более тысячи сайтов на различных языках) данный вопрос, если и затрагивается, то обсуждается лишь «на пальцах» без подкрепления какими-либо эмпирическими данными. А ведь общий вид приведенной на Рис. 126 кривой, с возрастанием концентрации радиоуглерода при удалении вглубь времени, вполне может иметь и иное объяснение, нежели изменение содержания 14 С в самой атмосфере – если в результате баланса упомянутых потоков внутренние слои все-таки получают свежий радиоуглерод, то он, естественно, будет повышать общую концентрацию 14 С в них, «омолаживая» их и создавая иллюзию более высокого содержания радиоуглерода в прошлом.
Но, увы, я здесь вынужден тоже лишь «рассуждать на пальцах»... Поэтому в данном случае остается только принять утверждение об абсолютной изолированности внутренних слоев от атмосферного радиоуглерода в качестве рабочей гипотезы и двинуться далее...
На основании данных об изменении во времени содержания 14 С в атмосфере для практических целей сформированы так называемые калибровочные (поправочные) кривые, позволяющие переводить возраст образцов, определенный радиоуглеродным методом (радиоуглеродный возраст), в действительный возраст.
Рис. 127. Калибровочная кривая
Таким образом, в нынешней практике исследователь: тщательно очищает образец; выделяет из него специфическую (наиболее устойчивую по 14 С) фракцию; измеряет содержание в ней 14 С (в сравнении с 12 С); корректирует данное значение 14 С на поправочный коэффициент, учитывающий (по контрольным образцам) возможные искажения, возникающие в ходе лабораторных процедур; вычисляет радиоуглеродный возраст образца; и, наконец, с помощью калибровочной кривой переводит радиоуглеродный возраст в «истинный».
Я опускаю здесь еще одну процедуру – поправку на изотопное фракционирование, о котором речь пойдет дальше. И на этом закончу краткое описание современного состояния метода радиоуглеродного датирования, составленное по многочисленной литературе, имеющейся сейчас в печатном и электронном виде.
Перейдем к тому, что предпочитают не афишировать сторонники радиоуглеродного датирования, а именно – к «подводным камням» метода и его реальным погрешностям.
Тема методов датирования - одна из важнейших в палеоантропологии, т.к. от точных датировок, а следовательно, от правильного взамного разсположения ископаемых находок на оси времени, зависит понимание ключевых моментов антропогенеза.
В сегодняшнем интервью мы поговорим о наиболее известном "в народе" методе абсолютного датирования - радиоуглеродном анализе.
На вопросы Редактора портала отвечает Булат Фаридович Хасанов, научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН.
Когда впервые был применен метод радиоуглеродного датирования?
Первые радиоуглеродные датировки были получены Уиллардом Либби (Willard Libby) в 1949 году в Чикагском Университете (University of Chicago). Следует подчеркнуть, что это стало возможным благодаря многолетним усилиям довольно большого коллектива, работавшего под руководством У. Либби в различных областях науки. Так, возможность превращения атмосферного азота при его бомбардировке нейтронами в изотоп углерода 14 C была предсказана теоретически ещё в середине 30-ых годов XX века. В лабораторных условиях такая реакция была проведена в 1940 году, примерно в это же время в верхних слоях атмосферы были зарегистрированы нейтроны, рождающиеся под воздействием космического излучения. Таким образом, один из основных принципов радиоуглеродного датирования – 14 C образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей – был сформулирован уже к началу сороковых годов XX века. Дальнейшие работы в этом направлении были прерваны Второй мировой войной, во время которой У. Либби участвовал в Манхэттенском проекте. После войны был измерен период полураспада радиоуглерода и разработаны методы определения его активности в тканях растений и животных. Дело в том, что соотношение 14 C с остальными изотопами углерода в атмосфере составляет всего лишь один из 10 12 атомов. Соответственно и активность, обусловленная радиоуглеродом, тоже очень низка. Так что Нобелевская премия по химии , присуждённая У. Либби в 1960 году, стала знаком признания его заслуг в решении очень широкого круга теоретических и технических задач, связанных с методом радиоуглеродного датирования.
Сильно ли усовершенствован этот метод со времени его введения в практику?
Усовершенствования метода коснулись главным образом двух его составляющих. Во-первых, возраст самых первых образцов был рассчитан, исходя из предположения о постоянстве концентрации 14 C в атмосфере. Сам У. Либби прекрасно осознавал, скажем так, шаткость этого допущения. В качестве объектов первых радиоуглеродных датировок среди прочих использовались древнеегипетские артефакты, возраст которых был определён археологическими методами. Материалы, относившиеся к эпохе Древнего Царства, систематически оказывались моложе, чем ожидалось. Для образцов меньшего возраста такого расхождения не наблюдалось. Это побудило мировое научное сообщество начать широкомасштабные исследования изменений концентрации 14 C в атмосфере. Для этого были проведены многочисленные высокоточные измерения содержания радиоуглерода в древесине, возраст которой был заранее определён дендрохронологическим методом. Подходящие для таких исследований деревья были найдены в нескольких регионах земного шара. На юго-западе США эту роль сыграли знаменитые остистые сосны, самые долгоживущие деревья нашей планеты. В Западной и Центральной Европе была изучена древесина дубов, захороненных в речных и болотных отложениях. Эта работа была начата в 60-ых годах XX века и продолжалась без малого 30 лет. Её результаты позволили реконструировать динамику содержания радиоуглерода в атмосфере за последние 12 тысяч лет, а также показали, что изменения эти на земном шаре происходили синхронно. Теперь данные о содержании 14 C в атмосфере могут быть использованы для коррекции радиоуглеродного возраста с помощью компьютерных программ, находящихся в свободном доступе в Интернет. Более того, такая коррекция необходима для сравнения результатов радиоуглеродного датирования с датировками, полученными другими методами. Для более древних образцов используются аналогичные данные, полученные в результате измерений содержания 14 C в кораллах, возраст которых был определён торий-урановым методом.
Кроме этого, существенный прогресс достигнут в деле измерения содержания радиоуглерода в анализируемых образцах. Как было отмечено выше, радиоактивность даже современных растений и животных, обусловленная 14 C, очень низка. Радиоуглерод образуется в атмосфере со скоростью всего 7,5 кг в год. Только небольшая его часть включается в состав молекул живых организмов. С момента гибели животного или растения концентрация 14 C начинает уменьшаться по экспоненциальному закону: через каждые 5730 лет его становится вдвое меньше. Поэтому измерение активности радиоуглерода материалов, возраст которых предстоит определить, представляет собой сложную техническую задачу. Сам У. Либби использовал модифицированный счётчик Гейгера, позднее были разработаны сцинтилляционные и пропорциональные счётчики для жидкостей и газов соответственно. Во всех этих приборах требуются образцы довольно большого размера , что, естественно, сужает круг доступных для датирования материалов.
Есть, однако, принципиально другой класс приборов, непосредственно измеряющих количество данного изотопа в образце, причём в образце существенно меньшего размера. Называются такие приборы масс-спектрометрами. В них атомы анализируемого образца превращаются в ионы, траектория движения которых в магнитном поле зависит от соотношения их массы и заряда. К сожалению, непосредственно измерить количество 14 C с помощью масс-спектрометра невозможно, так как при ионизации образца образуются обломки молекул (12 CH 2 , 13 CH), обладающие той же массой, причём их количество в десятки тысяч раз превосходит содержание радиоуглерода. Для того чтобы избавиться от этих нежелательных изобар, пучок ионов разгоняется в ускорителе и направляется на специальную мишень, на которой обломки молекул разваливаются. Идея соединения масс-спектрометра с ускорителем была высказана ещё в 70-ых годах XX века, однако её исполнение было сопряжено с большими техническими трудностями, преодолёнными сравнительно недавно. В настоящее время в мире построено несколько десятков ускорительных масс-спектрометров, использующихся для радиоуглеродного датирования.
Какие наиболее известные датировки получены с помощью радиоуглеродного датирования?
Наверное, наибольшей известностью пользуется Туринская плащаница . Широко известно, что датировки проводились на ускорительных масс-спектрометрах в трёх известнейших лабораториях (в Оксфорде, Цюрихе и Туссоне), получивших сходные результаты: с вероятностью 95 % материал плащаницы был сделан в интервале от 1260 до 1390 года . Значительно менее известно, что наряду с образцами плащаницы, в лабораториях анализировались три других образца тканей (плащ Людовика IX, сделанный между 1240 и 1270 гг, саван из египетского погребения, сотканный около 1100 года, и ткань, укутывавшая египетскую мумию, датируемую приблизительно 200 годом). Во всех трёх случаях полученные в лабораториях датировки совпали с исходными данными.
Среди наиболее известных артефактов, возраст которых был определён радиоуглеродным методом, следует упомянуть Кумранские свитки и несколько ранних рукописей Корана. Во всех этих случаях датировки подтвердили аутентичность документов.
Большую известность приобрёл Тирольский ледяной человек или Эци (?tzi), мумия, обнаруженная в леднике на севере Италии в 1991 году. Идеальная сохранность мумии позволила провести множество исследований, касающихся антропологических и исторических вопросов. Радиоуглеродное датирование показало, что Эци жил 3300 - 3000 лет до н. э. Отметим, что в вечной мерзлоте Сибири и Аляски было найдено несколько почти целых мумий мамонтов, бизонов, лошадей и даже один суслик. Все эти находки сразу же становились объектами комплексного изучения зоологов, ботаников, генетиков и, конечно же, специалистов в области радиоуглеродного датирования.
Важно привести и пример другого рода, когда предметом датирования становится не отдельный артефакт или уникальная находка, а крупномасштабное событие. Таким было извержение вулкана на острове Терра или Санторини. Возможно, что отголоски этого извержения попали в Библию под видом казней египетских. Традиционно, это событие относится к 1500 году до н. э. Однако анализ многочисленных (более 150) радиоуглеродных датировок разнообразных материалов из восточного Средиземноморья, ассоциированных со следами извержения и вызванного им цунами, включая и ветвь оливы, погребённую непосредственно пеплом, отодвигает дату более чем на сто лет назад, в конец XVII века до н. э.
Каковы основные ограничения метода радиоуглеродного датирования? Какие трудности связаны с его использованием и каковы пути их преодоления?
Основные ограничения метода обусловлены происхождением датируемых материалов и временным диапазоном, в котором он действует. Любой радиометрический метод определения возраста работает как часы. Представьте себе, что вы заводите механические часы, с этого момента, покуда не кончится завод, они будут показывать правильное время. В случае радиоуглеродного датирования нам нужен материал, который до некоторого времени обменивается углеродом с окружающей средой. Необходимо, чтобы после определённого момента этот обмен прекратился, тогда естественный распад 14 C будет мерой времени, прошедшего с момента прекращения обмена. Идеально подходят под эти условия все живые организмы: до момента гибели концентрация радиоуглерода в них соответствует концентрации этого изотопа в атмосфере. Потом обмен прекращается, и часы начинают работать. Таким образом, радиоуглеродная датировка определяет время гибели организма, и это тоже одно из ограничений метода - представьте себе артефакт, сделанный из чего-то, имеющего растительное (например, ткань или дерево) или животное (скажем, кость) происхождение и передававшийся из поколения в поколение. Радиоуглеродная датировка покажет время гибели растения или животного, а не время сооружения памятника, в котором этот артефакт был найден! Эту особенность метода хорошо понимают эксперты-искусствоведы, для которых датировка доски или холста не служит окончательным подтверждением подлинности иконы или картины.
Помимо объектов органического мира только немногие довольно экзотические материалы могут быть использованы для радиоуглеродного датирования. Например, при строительстве домов и крепостей широко использовалась негашёная известь (CaO). Соединясь с водой и атмосферным углекислым газом она превращается в карбонат кальция, прочно скрепляя камни. В этом случае обмен с атмосферным углекислым газом прекращается после затвердения строительного раствора, что позволяет определить время возведения данного строения.
Что касается временного диапазона, то «завод» радиометрических часов кончается после 13 периодов полураспада данного изотопа, что в случае радиоуглеродного метода составляет около 70 тысяч лет. Следует отметить, что каким бы способом не измерялось содержание 14 C, для образцов возрастом менее 300 лет неопределённость измерений будет довольно велика, поэтому в таких случаях этот метод как правило не используется. Исключение составляют образцы, относящиеся ко второй половине XX века. В результате наземных ядерных испытаний содержание 14 C в атмосфере увеличилось почти вдвое. Это позволяет отличить, скажем, вино или виски 1963 года от более молодых аналогов.
Что касается трудностей метода на современном этапе его развития, то одна из основных связана с датированием остатков морских организмов . Дело в том, что океан представляет собой огромный резервуар углекислого газа, обменивающийся с атмосферой довольно медленно. Из-за этого в морской воде содержится как современный углекислый газ, так и газ, попавший туда тысячи лет назад. Поэтому все живущие в океане организмы имеют так сказать мнимый возраст. Моделирование процессов газообмена между океаном и атмосферой предсказывает, что этот мнимый возраст должен составлять 400 лет. Однако разнообразие локальных условий (распределение глубин, характер течений и т. п.) приводят порой к значительным изменениям этой величины. Скажем организмы, обитающие в Беринговом море, оказываются старше своего истинного возраста приблизительно на 700 лет. В настоящее время эта проблема активно исследуется, и можно предположить, что через несколько лет у нас будет возможность вводить соответствующие поправки.
Продолжение следует...