Метод радиоуглеродного датирования егэ биология - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению

«Биология отрицает законы математики: при делении происходит умножение» Валерий Красовский

Важным методом палеонтологии является метод радиоуглеродного датирования. Для чего используется этот метод? Что лежит в его основе? Почему для датирования остатков и окаменелостей используется элемент углерод?

Метод применяется для определения возраста ископаемых остатков.
В основе метода лежит явление естественной радиоактивности одного из изотопов углерода.
Радиоактивный углерод накапливается в течение жизни организма.
После смерти организма радиоактивный изотоп углерода распадается (а нерадиоактивный нет).
По изменению соотношения радиоактивного и стабильного изотопов углерода можно определить возраст остатков.

Последние обновления

Последние видео:

Подписывайся на обновления, обсуждай вопросы в соцсетях

Источник

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 ноября 2021 года; проверки требуют 10 правок.

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…

Влияние выброса ископаемого углерода

См. также

Литература

Герасимов И. П.
Радиоуглеродные исследования Радиометрической лаборатории Института географии АН СССР: Сообщ. 1-5: // Бюллетень Комиссии по изучению четвертичного периода . Сообщ. 1: 1975. № 44. С. 154-159; Сообщ. 2: 1976. № 46. С. 185-189; Сообщ. 3: 1979. № 49. С. 179-187; Сообщ. 4: 1980. № 50. С. 206-213; Сообщ. 5: 1983. № 52. С. 205-211.
Вагнер Г. А.
Научные методы датирования в геологии, археологии и истории: Учебник. — М. : Техносфера, 2006. — 534 с. — ISBN 5-94836-037-7 .
Короновский Н. В.
Общая геология: Учебник. — 2-е изд. — М. : Издательство «КДУ», 2010. — С. 122-124. — 526 с. — ISBN 978-5-98227-682-7 .
* L. Currie
«The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II» . J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109 (2004) 185-217.

Примечания

Godwin, H. (1962). “Half-life of radiocarbon”. Nature
. 195
(4845): 984. Bibcode :

И еще — наличие доказательств того, что Помпеи были засыпаны вулканом гораздо позже чем указывает на то официальная наука — просто игнорируются. Так что даже если и засыпет чего вулканом — так то можно отнести в древность без опасений.

3. Есть еще одна странность. Ученые не хотят ответить на простой вопрос — а почему это гренландию так назвали и что все таки там под ледяным и снежным покровом находится. За сколько там снег и лед нападал?
А странность состоит в том, что в Великобритании доказательств того, что там имелась высокоразвитая цивилизация, которая и была потом то ли уничтожена, то ли сама по себе угасла — море. И деньги выделяются на моделирование той катастрофы (чтоб если что — то понимать, когда и куда бежать). И поэтому все исследуют то Гренландию, то Аляску, то еще что нибудь (в окружении Брит. островов). А вот в России — денег на это не дают, и наличие огромного количества старых городов под слоем земли и пыли, смытых поселений, замерзших мамонтов никого не интересует от слова вообще.

Итак, встречайте: Мистер Углеродный Анализ (если нет времени читать весь текст, смотрим выделенные параграфы):

Настоящая заметка иллюстрирует подгоночный характер естественнонаучных методов датировки исторических событий. Это означает, что история до сих пор является не наукой, а общественным договором в рамках опубликованных документов, достоверность которых является так же следствием общественного согласия.

Кроме эмпирико-статистических и астрономических методов датирования, имеется несколько естественнонаучных методов, основанных на физических, биологических и геологических характеристиках природных и рукотворных объектов. Это радиоуглеродный, термолюминесцентный, археомагнитный, дендрохронологический, генохронологический, гляциологический, тефрохронологический, по скорости геологических процессов.

Все методы датирования подразделяются на независимые и зависимые. Например, дендрохронологическое датирование является независимым методом, но только в том случае, если мы имеем абсолютную дендрохронологическую шкалу, привязанную к растущим сегодня деревьям. А радиоуглеродное датирование — это зависимый метод. Он прямо и непосредственно зависит от данных дендрохронологии, по которым построена калибровочная кривая.

Все исторические и археологические методы датирования являются зависимыми. Они жестко привязаны к хронологической шкале, принятой в конкретной модели прошлого Человечества. Настроены на нее. То есть, исторические и археологические методы датирования в рамках Традиционной истории в целом подтвердят принятую в ней хронологическую шкалу. Если эти методы применять в рамках Новой Хронологии, то они подтвердят Новою хронологическую шкалу.

Теперь можно перейти к радиоуглеродному датированию.

Основы радиоуглеродного датирования разработал Либби, ученый США (химик по специальности). Он же выполнил первые датировки образцов 1949 г.

В верхних слоях атмосферы под воздействием галактических лучей из азота образуется радиоактивный изотоп углерода 14C, который, окисляясь, превращается в углекислый газ (СО2). Кроме 14C углекислый газ содержит два стабильных изотопа углерода — 12C и 13C. 14C из верхних слоев атмосферы распространяется по всему ее объему и поступает в гидросферу. Объем продуцированного 14C зависит от интенсивности галактических лучей. Принимается, что их интенсивность в космическом пространстве постоянна в течение всего «рабочего» интервала радиоуглеродного датирования (до 50000 лет).

Но в атмосфере интенсивность галактических лучей зависит от напряженности геомагнитного поля и солнечной активности. Геомагнитное поле как бы экранирует от них атмосферу Земли. Чем выше напряженность геомагнитного поля, тем ниже интенсивности космических лучей в атмосфере и ниже объем продуцированного ими 14C и наоборот. Напряженность геомагнитного поля не постоянна.

Она меняется вследствие каких-то процессов в ядре и оболочках Земли. Вариации солнечной активности тоже меняют величину напряженности геомагнитного поля. Чем выше солнечная активность, тем выше напряженность геомагнитного поля и наоборот. Соответственно меняется и объем продуцированного 14C. То есть, объем продуцированного радиоактивного углерода зависит от процессов в недрах Земли и Солнечной активности.

Из атмосферы радиоактивный углерод попадает в ткани растений и распространяется по пищевой цепочке. Попадает он и в раковины моллюсков. Радиоуглеродным методом датируются древесина, листья и семена растений, древесный уголь, кости, кожа, ткани (шерстяные и хлопчатобумажные), бумага, воск, раковины моллюсков, кораллы, …

Радиоуглеродный возраст образца (это момент консервации в нем углерода) определяется на основе двух допущений (допущения Либби):

Несоответствие в момент датирования содержания 14С в образце и эталоне обусловлено только его радиоактивным распадом за время, прошедшее с момента консервации.

Содержание в образце 14С выражается числом распадов радиоактивных атомов в единицу времени (активность образца). Радиоуглеродный возраст измеряется в годах BP (before present, present = 1950 AD) и рассчитывается по формуле, в которую входят активности эталона и датируемого образца, а также период полураспада 14С. Если выполняются допущения Либби, то радиоуглеродный возраст будет соответствовать календарному. Либби оценил период полураспада 14С в 5568 лет. Позднее этот параметр был уточнен и составляет по современным данным 5730 лет. Либби датировал в основном артефакты Древнего Египта.

Важно отметить, что Либби не датировал артефакты Средневековья. Известный археолог академик А.В. Арциховский писал в 1956 г. прямо: «Правда, в археологии теперь применяются датировки по степени распада радиоактивного изотопа углерода.

Но, во-первых, и там степень точности не более полувека или, по мнению некоторых ученых, не более двух-трех веков.

Во-вторых, и это главное, для средневековья такой способ пока не может быть использован. Хронологический предел его применения, по словам его создателей, — не менее 1500 лет.» То есть, разработчики технологии радиоуглеродного датирования объяснили археологам, что для последних 1500 лет ее модификация, существующая на то время, не применима. Ключевые слова: «модификация, существующая на то время».

Считается, что современная модификация технологии радиоуглеродного датирования применима для датирования артефактов Средневековья. Она имеет одно принципиальное отличие от той, которой пользовался Либби. Как я уже сказал, для радиоуглеродного датирования нужно оценить начальное содержание радиоактивного изотопа углерода в датируемом образце. За него принимается эталон содержание в углекислом газе атмосферы Земли радиоактивного углерода в 1950 г. Это в современной модификации.

В 1949 г. Андерсон (сотрудник Либби) оценил начальное содержание радиоактивного изотопа углерода по древесине живых деревьев.Так вот, у него это значение получилось равным 12,5 dpm/g. На основе этого эталона Либби выполнил первые датировки. Между 1950 и 1952 годами Либби изменил эталон радиоуглеродного датирования. Стал применять 15,3 dpm/g. На его основе датирование выполнялось до 1960 года. А сегодня применяется эталон 13,56 dpm/g. Так декларируется.

То есть, мы имеем, по крайней мере, три разных эталона радиоуглеродного датирования. Я их назвал эталонами Андерсона, Либби и современным эталоном. Декларируется, что современная модификация радиоуглеродного датирования основана на эталоне 13,56 dpm/g. Что это означает практически?

Если мы примем, что эталон Андерсона соответствует реальности с некоторым систематическим сдвигом (что не удивительно при измерениях на примитивных приборах), то применение эталона Либби дает удревнение радиоуглеродных дат на 1668 лет (при периоде полураспада 5720 лет). Если примем, что современный эталон соответствует реальности, то применение эталона Либби дает удревнение на 998 лет. И здесь есть интересный момент. Но сначала отметим один из основных результатов многолетних исследований авторов Новой Хронологии.

Это вывод о том, что Традиционная История (которую мы изучаем в школе) сформирована «склейкой» четырех практически однотипных хроник. Одна из них соответствует реалиям последнего тысячелетия. Она же является матрицей для формирования трех других хроник, которые сдвинуты относительно своего прототипа приблизительно на 333, 1053 и 1778 лет. Это глобальные хронологические сдвиги. В истории отдельных государств и регионов имеются и другие хронологические сдвиги.

Так вот, сдвиги радиоуглеродных дат в прошлое на 998 и 1668 лет, получаемых «игрой» эталонов, соответствуют хронологическим сдвигам хроник на 1053 и 1778 лет. Кроме того, 1668 лет — это почти точно пять хронологических сдвигов по 333 года, а 998 лет — три хронологических сдвига по 333 года. 333 года — это вовсе не случайная величина. Это один из квадипериодов (337 года) вращения светил, по которым составляются гороскопы. Напомню, что гороскопы служили в прошлом одним из способов записи дат событий.

То есть, имеются гороскопы, удовлетворительные решение которых повторяются с периодом 337 лет. И если основатель современной хронологии Скалигер крупно ошибся, то его ошибки будут иметь и величину кратную 337 лет.

Получается, что разные эталоны радиоуглеродного датирования — это способ получения радиоуглеродных дат, соответствующих «склеенной» Традиционной Истории. Я подозреваю, что радиоуглеродное сообщество применяет несколько эталонов, которые дают нужные даты. Поэтому лаборатории запрашивают исчерпывающую информацию по присланным на датирование образцам, включая их археологические или исторические даты.

Теперь вернемся к свидетельству академика А.В. Арциховского. До 1960 г. физики действительно не могли датировать артефакты Средневековья. Даты большинства из них известны по историческим данным. Их достоверность — это другой вопрос. Так вот, датирование этих артефактов только за счет нереального эталона даст сдвиг в прошлое на 998 лет. Например, артефакты Новгорода, датированные на основе эталона Либби, попали бы в первое тысячелетие нашей эры.

Естественно, историки и археологии заметили бы расхождение исторических и радиоуглеродных дат. Поэтому физики и рекомендовали им не беспокоиться. Позднее в практику радиоуглеродного датирования был введен и современный эталон. На его основе стало возможно датировать и артефакты Средневековья.

Наличие в радиоуглеродном датировании разных эталонов привело к курьезу, который я назвал «Волшебная ладья фараона».

Древесина ладьи фараона Sesostris III формально датировалась на основе всех трех рассмотренных нами эталонов. При датировке в 1949 году на основе эталона Андерсона (12,5 dpm/g) получен радиоуглеродный возраст 3700 +/- 50 ВР лет. Потом Либби датировал древесину на основе своего эталона (15,3 dpm/g). Радиоуглеродный возраст не изменился. В 1955 году Либби повторно датировал (?) древесину ладьи с эталоном 15,3 dpm/g и получил радиоуглеродный возраст 3621 +/-180 ВР лет.При датировке ладьи в 1970 году применен современный эталон (13,56 dpm/g).

Радиоуглеродный возраст почти не изменился и составил 3640 ВР лет. Но получение практически одного и того же радиоуглеродного возраста при применении эталонов, активность которых отличается существенно, физически невозможно. Вернее, это возможно только в том случае, если ладья фараона Sesostris III волшебная.

Содержание 14С в СО2 атмосферы прошлого не было постоянным и, следовательно, радиоуглеродный возраст образцов не соответствует их календарному возрасту. То есть, допущение Либби не соответствует реальности. Для перевода радиоуглеродного возраста образцов в календарный на основе дендрохронологических данных создана калибровочная кривая радиоуглеродного датирования. Она представляет собой график зависимости «календарные годы»/«радиоуглеродные годы».

Первая калибровочная кривая создана в 1970 году по бристольским соснам. Протяженность кривой более 7000 лет. Однако эта кривая и работы по построению калибровочной кривой по бристольским соснам не получили дальнейшего развития. Принятая в радиоуглеродном датировании калибровочная кривая построена по ирландским и немецким дубам. На сегодня имеются несколько ее версий с разрешение по годам (от 1 года до 20 лет).

Технология построения калибровочной кривой проста. Из стволов дубов, «законсервированных» в болотах, сделаны срезы и промерена ширина годовых колец. Получены графики «ширина годовых колец»/«годы». На основе взаимной корреляции этих графиков «собрана» дендрохронологическая шкала, которая привязана к «живым» деревьям. Ее протяженность — несколько тысяч лет.

В результате мы имеем абсолютно датированную (в календарных годах) древесину годовых колец деревьев. Остается отобрать ее образцы и датировать радиоуглеродным методом. Получается график «календарные годы»/«радиоуглеродные годы». Он и назван калибровочной кривой радиоуглеродного датирования. Ее длительность сегодня превышает 40000 лет. Но участки кривой последних тысячелетий построены по кораллам, морским и озерным донным осадкам, имеющим сезонную слоистость.

Отмечу три важных момента:

1.
Калибровочная кривая радиоуглеродного датирования создавалась в рамках развития этого метода.

2. Радиоуглеродное датирование не является независимым методом. Оно прямо и непосредственно зависит от данных дендрохронологии, по которым построена калибровочная кривая.

3. Калибровочная кривая легко пересчитывается в график содержания радиоактивного изотопа углерода в атмосфере прошлого (Delta14C).

Я уже отметил зависимость объема генерации в атмосфере радиоактивного изотопа углерода от напряженности геомагнитного поля. Это дает возможность построения калибровочной кривой радиоуглеродного датирования, независимой от данных дендрохронологии. Такая кривая построена в рамках одной из научных программ и опубликована в 2004 году.

По донным отложениям бассейна Кариако (вблизи побережья Венесуэлы) изучены вариации напряженности геомагнитного поля (по величине намагниченности осадочных пород). По ним выполнен расчет содержания радиоактивного изотопа углерода в атмосфере прошлого для последних 50 тысяч лет. Результаты сопоставлены с аналогичной оценкой, выполненной по дендрохронологическим данным. Сделан вывод: эти данные совпадают поразительно (у авторов статьи «strikingly»).

Однако, вывод о поразительном совпадении относится только к данным, которыми охарактеризован временной интервал, не включающий последние 10 тысяч лет.Вот для этого интервала содержание 14C в атмосфере прошлого, оцененное по годовым кольцам деревьев (Delta14C), и объем продуцирования в атмосфере 14C, оцененный по напряженности геомагнитного поля, кардинально не соответствуют друг другу. Наибольшее несоответствие графиков отмечается в интервале 1600 до н. э. — 1800 н. э. Данные, полученные по бассейну Кариако, авторы публикации назвали «high-resolution calibration of the radiocarbon time scale back to 50,000 years before the present».

Таким образом, сегодня имеется две калибровочных кривые радиоуглеродного датирования, которые совпадают в интервале 10-40 тыс. лет назад, но кардинально не совпадают в исторический период.

Расскажу про эффект Зюсса. С началом промышленной революции в атмосферу Земли начал поступать «старый углерод» (сжигание угля, а позднее, нефти и газа). В нем нет радиоактивного изотопа углерода. Это привело к тому, что в период с середины 17 века до середины 20 радиоуглеродное датирование даст один и тот же возраст образцов — «Modern». С середины 20 века в атмосферу попало большое количество радиоактивного углерода, сформированного взрывами атомных бомб (при испытаниях этого оружия в атмосфере). То есть, радиоуглеродное датирование для последних 350 лет не работает.

Если мы примем, что калибровочная кривая, построенная по геомагнитным данным, соответствует реальному положению дел, то калибровка радиоуглеродных дат по «официальной» калибровочной кривой дает их систематические сдвиги в прошлое. Артефакты 16 века датируются 12-13 веками, а артефакты 14 века — 7 веком.

Здесь приведу несколько примеров.

Известна карта викингов, на которой показана северная часть Атлантики. Имеются сомнения в ее подлинности. Они обусловлены манерой ее исполнения, точностью очертания берегов Европы, Африки и островов, а также чернилами, которыми она нарисована. Но радиоуглеродный возраст пергамента дает 1434 год н. э., что свидетельствует в пользу подлинности карты.

То есть, получается, что за полвека до Колумба викинги хорошо представляли очертания Гренландии и сопредельного с ней берега Северной Америки. Календарный возраст пергамента по альтернативной калибровочной кривой (без учета эффекта Зюсса) — 1735 год. Все становится на свои места. Никакого отношения к викингам эта карта не имеет.

Физические основания

Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных 12 C и 13 C и радиоактивного 14 C. Изотоп 14 C постоянно образуется в под действием (главным образом, но и излучения от земных источников тоже). Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность 14 C равна примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода, что соответствует изотопному содержанию 14 C около 10 −10 %.

С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14 C) испытывает с 5568±30 лет, в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Применение

Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образца. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий . В последнее время для очень малых содержаний 14 C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14 C. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада 14 C. За это время содержание 14 C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода).

Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродосодержащими материалами более позднего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. Так, например, описан случай, когда тестовое определение по траве, сорванной в день анализа, дало возраст порядка миллионов лет, из-за того, что трава была сорвана на газоне вблизи автодороги с постоянным сильным движением, и оказалась сильно загрязнена веществами выхлопных газов. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого ), проведённый в году, одновременно в нескольких лабораториях . Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом — веков.

Калибровка

Исходные предположения Либби, на которых строилась идея метода, заключались в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. В настоящее время твёрдо установлено, что все эти предположения могут быть приняты лишь приблизительно. Содержание изотопа 14 C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня космических лучей и активности , и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными материалами (так, например, в настоящее время в образование изотопа 14 C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях в атмосфере в середине века). В последние десятилетия вследствие сжигания ископаемого топлива, в котором 14 C практически отсутствует, атмосферное содержание этого изотопа снижается. Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетий). Кроме того, исследования показали, что некоторые процессы в живых организмах приводят к избыточному накоплению радиоактивного изотопа углерода, что нарушает естественное соотношение изотопов. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.

В результате радиоуглеродные датировки, производившиеся 30-40 лет назад часто оказывались весьма неточными. В частности, проведённая тогда проверка метода по ныне живущим деревьям возрастом в несколько тысяч лет показала значительные отклонения для образцов древесины возрастом свыше 1000 лет.

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является . Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Стандартная кривая, используемая для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, приведена здесь: .

Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60-70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

Критика метода

Физические основания

Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов 12 C и 13 C и радиоактивного 14 C. Изотоп 14 C постоянно образуется в атмосфере под действием радиации (главным образом, космических лучей , но и излучения от земных источников тоже). Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность 14 C равна примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода, что соответствует изотопному содержанию 14 C около 10 −10 %.

С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14 C) испытывает бета-распад с периодом полураспада 5568±30 лет (по новым уточнённым данным — 5730±40 лет), в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Применение

Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образца. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий сцинтиллятор . В последнее время для очень малых содержаний 14 C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14 C. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада 14 C. За это время содержание 14 C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода).

Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. Так, например, описан случай, когда тестовое определение по траве, сорванной в день анализа, дало возраст порядка миллионов лет, из-за того, что трава была сорвана на газоне вблизи автодороги с постоянным сильным движением и оказалась сильно загрязнена «ископаемым» углеродом из выхлопных газов (сгоревших нефтепродуктов). За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов Туринской плащаницы (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого Христа), проведённое в году, одновременно в нескольких лабораториях слепым методом . Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом -XIII веков.

Калибровка

Исходные предположения Либби, на которых строилась идея метода, заключались в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. В настоящее время твёрдо установлено, что все эти предположения могут быть приняты лишь приблизительно. Содержание изотопа 14 C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня космических лучей и активности Солнца , и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными материалами (так, 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 века). В последние десятилетия вследствие сжигания ископаемого топлива, в котором 14 C практически отсутствует, атмосферное содержание этого изотопа снижается. Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетий). Кроме того, исследования показали, что некоторые процессы в живых организмах приводят к избыточному накоплению радиоактивного изотопа углерода, что нарушает естественное соотношение изотопов. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.

В результате радиоуглеродные датировки, производившиеся 30-40 лет назад, часто оказывались весьма неточными. В частности, проведённая тогда проверка метода по ныне живущим деревьям возрастом в несколько тысяч лет показала значительные отклонения для образцов древесины возрастом свыше 1000 лет.

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология . Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Стандартная кривая, используемая для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, приведена здесь: .

Критика метода

Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, высказывается и критика этого метода, ставящая под сомнение как отдельные случаи его применения, так и теоретические основания метода в целом. Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками креационизма , «Новой хронологии » и других теорий, не признанных научным сообществом . Основные возражения против радиоуглеродного датирования приведены в статье Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко
. Часто критика радиоуглеродного анализа основывается на состоянии методологии в 1960-х годах, когда метод ещё не был надёжно откалиброван.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation
.
2010
.

Смотреть что такое «Радиоуглеродный метод» в других словарях:

Метод использования радиоактивного углерода 14С для лечения живых организмов с целью изучения различных механизмов, физиологических процессов (например, обмена веществ), измерения продуктивности в экосистемах и др. См. также Углерод 14С.… … Экологический словарь

Радиоуглеродный метод
— (англ. radiocarbon). Углерод 14 радиоактивный изотоп, который образуется в атмосфере под действием космической радиации. Он действует как обычный углерод (12C), входящий в органическое вещество всего живого. Пропорции радиоактивного и… … Археологический словарь

Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация Радиоуглеродный анализ разнов … Википедия

Предложен Либби (Libby, 1949) для молодых образований; основах на распаде радиоуглерода С14, образующегося в верхних слоях атмосферы (см. Обменный резервуар) при взаимодействия нейтронов космического излучения с ядрами атмосферного aзота по… … Геологическая энциклопедия

— (от греч. methodos путь, способ исследования, обучения, изложения) совокупность приемов и операций познания и практической деятельности; способ достижения определенных результатов в познании и практике. Применение того или иного М. определяется… … Философская энциклопедия

— (см. радио… + карбо…) радиоуглеродный метод метод датировки по измерению содержания радиоактивного изотопа углерода (с 14) в остатках живых организмов. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, 2009 … Словарь иностранных слов русского языка

лихенометрический метод в селеведении
— licheometry of mudflows ЛИХЕНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД В СЕЛЕВЕДЕНИИ метод определения абсолютного возраста селевых отложений по данным о максимальных диаметрах некоторых видов накипных лишайников. Основан на том факте, что радиальный прирост лишайников … Селевые явления. Терминологический словарь

Источник

Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке

д. г. н., ведущий научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН.

Радиоуглеродный метод, разработанный более 60 лет назад и отмеченный Нобелевской премией, первоначально использовался для определения возраста археологических и геологических объектов, но вскоре сфера его применения существенно расширилась. Метод доказал свою универсальность и с большим успехом продолжает применяться в науке, технике, медицине и других областях человеческой деятельности.

Радиоуглеродный метод оказывает существенное влияние на развитие разных областей науки — от ядерной физики до криминалистики, но в первую очередь геологии и археологии. В марте 1949 г. была опубликована статья, в которой обосновывался принцип работы данного метода [1]. Его авторы — учёные из Университета Чикаго (США) Уиллард Ф. Либби, Эрнст С. Андерсон и Джеймс Р. Арнольд — показали, что могут определить возраст геологических или исторических событий, которые имели место не только сотни и первые тысячи лет назад, но и вплоть до 40-50 тыс. лет назад. При этом предложенный метод обладал достаточно высокой точностью и был совершенно независим от других технологий, применявшихся в то время в науках о Земле и в археологии. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании. Признанием важности этого открытия явилось присуждение У.Ф. Либби в 1960 г. Нобелевской премии по химии.

В данной статье даётся краткая информация об открытии и становлении метода, его физических основах; затем следует обзор применения радиоуглеродного метода в различных областях науки и технологий, его влияния на систему научных знаний XX в. в целом. Существует обширная литература, посвящённая радиоуглеродному методу (см., например: [2, с. 157–198; 3]), поэтому в статье автор ссылается лишь на самые общие и исчерпывающие источники.

Сразу после первых работ У.Ф. Либби и его коллег Американская антропологическая ассоциация и Геологическое общество США создали специальную комиссию для оценки первых результатов радиоуглеродного датирования, которая в 1951 г. пришла к выводу о надёжности полученных данных и их соответствии существующей научной парадигме. Научное сообщество с энтузиазмом восприняло новый исследовательский подход и стало активно использовать его при изучении прошлого Земли и человечества; на многие годы метод стал ведущим в определении возраста тех или иных объектов. С середины 1950-х годов радиоуглеродный метод распространился по всему миру.

Были у нового метода и противники. Так, археологи В. Милойчич и С. Яманоучи считали, что радиоуглеродные даты доисторических памятников Европы и Японии слишком удревнены, однако развитие археологических знаний в этих регионах подтвердило правильность радиоуглеродного метода [4]. Одновременно с накоплением фактического материала, то есть радиоуглеродных дат, шло постоянное совершенствование методических основ, заложенных основоположниками метода, и к концу 1970-х годов были сформулированы базовые положения радиоуглеродного метода с учётом новых данных [5].

Основы радиоуглеродного метода

Рис. 1. Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли (по [3], с дополнениями и зменениями)

В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – ¹²С и ¹³С и одного радиоактивного – ¹⁴С, или радиоуглерода. Изотоп ¹⁴С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей (рис. 1, уровень «образование»). В течение нескольких лет «новорождённый» ¹⁴С наряду со стабильными изотопами ¹²С и ¹³С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере (см. рис. 1, уровень «распределение»). Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей его средой (например, дерево получает углерод в виде углекислого газа из атмосферы в результате фотосинтеза), содержание ¹⁴С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией данного изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться, так как уже нет притока «свежего» ¹⁴С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа ¹⁴С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество ¹⁴С в организме по отношению к стабильным изотопам ¹²С и ¹³С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание ¹⁴С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции. Такова суть модели, созданной У.Ф. Либби с соавторами. Несмотря на то, что в своём развитии радиоуглеродный метод прошёл через ряд значительных обновлений, по выражению К. Ренфрю – «революций» [4, p. 149–150], его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день [6, 7].

Иными словами, находя в природе и на поселениях древнего человека остатки растений и животных, а также некоторые другие вещества, содержащие углерод, можно с помощью радиоуглеродного метода определить, сколько времени прошло с момента прекращения жизни организма, то есть установить возраст данных объектов. А это, в свою очередь, значит, что можно ответить на извечный вопрос геологов и археологов: как давно существовал данный организм или древнее поселение? Радиоуглеродный метод позволяет установить возраст углеродсодержащих веществ вплоть до 47 000 ¹⁴С лет, что соответствует астрономическому возрасту около 50 000 лет [8].

Известно, что химический элемент углерод входит в состав практически всей живой материи, а также во многие вещества из разряда неживых (то есть созданных без участия живых организмов). Таким образом, радиоуглеродный метод поистине универсален. С его помощью определяется возраст целого ряда объектов, которые можно условно разделить на следующие группы: «геологические» – карбонатные осадки океанов и пресноводных водоёмов, ледяные керны, метеориты; «биологические» – древесина и древесный уголь, семена, плоды и веточки растений, торф, почвенный гумус, пыльцевые зёрна, остатки насекомых и рыб, кости, рога, бивни, зубы, волосы, кожа и шкура позвоночных животных и человека, копролиты; «антропогенные» – жжёные кости, керамика, кричный металл, пригоревшие остатки пищи, следы крови на древних орудиях, ткани, папирус, пергамент и бумага. В некоторых случаях, например, для изучения колебаний содержания ¹⁴С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.

Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура

Рис. 2. Динамика количественного роста радиоуглеродных (1) и УМС-лабораторий (2) мира

Первым коллективом, начавшим разрабатывать радиоуглеродный метод, была группа У.Ф. Либби в Чикаго. С начала 1950-х годов количество лабораторий в США, Канаде, Европе и Японии намного выросло, и в конце 1970-х их было уже более 100 (рис. 2: по [9, c. 17], с дополнениями); в настоящее время их насчитывается около 140 на всех континентах. Всего в мире во второй половине XX в. работало 250 установок измерения содержания ¹⁴С. В конце 1970-х годов появились первые лаборатории, использующие ускорительную масс-спектрометрию (УМС), сейчас их уже 40. Список радиоуглеродных лабораторий регулярно обновляется и публикуется в главном издании по данной тематике – международном журнале «Radiocarbon» (в открытом доступе: www.radiocarbon.org).

Первая радиоуглеродная лаборатория в нашей стране была организована в 1956 г. при Радиевом институте АН СССР и Ленинградском отделении Института археологии АН СССР (ныне Институт истории материальной культуры РАН); вдохновителями её создания были И.Е. Старик и С.И. Руденко.

В настоящее время в России реально работают 7 лабораторий: в Москве – в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; в Санкт-Петербурге – в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; в Новосибирске – в Институте геологии и минералогии СО РАН.

Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем ¹⁴С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.

Рис. 3. 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

УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ [10]. Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С? (включающие и изотоп ¹⁴С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов ¹⁴С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.

Применение радиоуглеродного метода

Археология и четвертичная геология были и остаются главными областями использования радиоуглеродного метода. В археологии применение независимого способа определения возраста стало поистине революционным и в значительной степени изменило существовавшие археологические концепции [4]. Проводить серьёзные археологические работы без применения радиоуглеродного датирования в настоящее время невозможно. Теперь наряду с анализом «рутинных» объектов, к которым можно отнести древесину, древесный уголь и кости, всё чаще проводится определение возраста (в основном методом УМС) таких непригодных в недалёком прошлом материалов, как отдельные семена и плоды растений, текстиль, жирные кислоты (липиды) в древней керамике и сама керамика, остатки крови на каменных орудиях, наскальная живопись. Общее количество полученных радиоуглеродным методом дат для археологических памятников в мире составляет сегодня, видимо, несколько сотен тысяч; к началу 1960-х было не более 2400 [3, с. 151].

Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах [4, 11, 12]. Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы [13], рукописей Мёртвого моря [14], наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании [15], древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием [16, 17]. Широкие возможности открыл радиоуглеродный метод археологам и дендрохронологам, которые теперь могут «привязать» свои данные к абсолютной шкале времени с помощью так называемого «сопоставления флуктуаций». В данном случае флуктуации есть резкие изменения содержания изотопа ¹⁴С в течение последних 10–12 тыс. лет, которые могут быть идентифицированы и сопоставлены с зафиксированными на международно признанной кривой пиками [2, с. 173, 174].

В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Ещё на заре радиоуглеродного метода один из первых образцов, предположительно из Древнего Египта, оказался современной копией [4]. Хрестоматийным примером является датирование пилтдаунского «человека» из Англии (ожидаемый возраст – не менее 75 000 лет, реальный – 500–600 лет) и остатков «Ноева ковчега» на горе Арарат (их возраст составил всего 1200–1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии) [4].

В четвертичной геологии и палеогеографии радиоуглеродный метод применяется так же широко, как и в археологии. С его помощью установлены хронологические параметры основных тёплых и холодных эпох за последние 40–50 тыс. лет [6], особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: [12, 18]). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: [19, p. 2899–2965]), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири [20, 21], датирование извержений вулканов Камчатки [22]; хронология ледникового века северо-запада Европейской России [6, с. 243–271] и севера Евразии в целом [23].

Радиоуглеродный метод стал важнейшим инструментом в изучении процесса вымирания крупных млекопитающих (так называемой мегафауны) в конце новейшего геологического периода – плейстоцена (от 2.6 млн. до 10 тыс. лет назад). На основе массового радиоуглеродного датирования ископаемых остатков мамонтов, шерстистых носорогов и ряда других видов животных удалось установить время и место их окончательного вымирания [24]. Одним из важнейших достижений стало определение возраста костей и бивней мамонтов о. Врангеля (Северо-Восточная Сибирь): останки оказались удивительно «молодыми» – от 9000 до 3700 лет назад [25]; на сегодня это самые поздние мамонты на Земле. Не менее интересны результаты радиоуглеродного датирования костей ископаемого гигантского оленя с рогами размахом до 4 м: его последние представители обитали на Южном Урале и в Зауралье вплоть до 6900 лет назад [26]. В последнее время c помощью прямого УМС-датирования скорлупы яиц азиатского страуса получены данные о его существовании в Восточной и Центральной Азии до 8000 лет назад [27].

Широко используется радиоуглеродный метод в геофизике, океанологии, биологии, медицине и многих других науках. Измерения содержания ¹⁴С в морской воде прочно вошли в практику океанологических исследований (это позволяет выявить закономерности циркуляции вод Мирового океана) и в изучение грунтовых вод суши [12] и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания ¹⁴С в таких объектах, как метеориты и ледники [2, 12]. Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. [7, 12].

Рис. 4. Содержание изотопа 14С в атмосфере Земли с начала ядерных испытаний (1945–1952) до настоящего времени (по [29], с изменениями)

Большую роль играет измерение активности изотопа ¹⁴С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» ¹⁴С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа ¹⁴С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность ¹⁴С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. [28], появился даже термин «послебомбовый ¹⁴С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов [29]; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий [30]. На феномене искусственного обогащения атмосферы ¹⁴С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп ¹⁴С является своеобразной «меткой» (см., например: [12, p. 570–589]). С помощью измерения активности ¹⁴С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистике – для выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание ¹⁴С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) [31]. Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка ¹⁴С-дат [2]. Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа ¹⁴С в атмосфере, гидросфере и биосфере не оставалось постоянным (как полагали поначалу У.Ф. Либби и его коллеги), а изменялось под воздействием ряда внешних условий, главное из которых – колебания в недавнем геологическом прошлом активности космических лучей, продуцирующих радиоуглерод (см. рис. 1). Следовательно, зависимость между ¹⁴С и календарным возрастом не является линейной. Влияние этого фактора, осложняющего перевод радиоуглеродного возраста в астрономические (календарные) даты, в настоящее время преодолено для отрезка времени от наших дней до 20 000 лет назад; успешно ведутся работы по составлению графиков пересчёта ¹⁴С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 ¹⁴С лет) [8].

Перспективы радиоуглеродного метода

Имеется много примеров влияния ¹⁴С-метода на развитие научного знания и пересмотр ряда положений. Так, именно на основании результатов ¹⁴С-датирования разрезов позднеплейстоценовых и голоценовых отложений удалось построить надёжную хронологическую основу для истории климата и природной среды Земли в целом, что крайне важно при прогнозировании климатических изменений в будущем.

Яркой иллюстрацией влияния радиоуглеродного метода на современные науку и культуру является определение возраста одной из самых известных христианских реликвий – Туринской плащаницы (которая, по преданию, служила погребальным покровом Иисуса Христа). Он оказался равен около 690 ¹⁴С лет, что соответствует 1260–1390 гг. н.э. [13]. Очевидно, что в этом случае Туринская плащаница не имеет ничего общего с эпохой жизни Христа, которая, по библейской хронологии, датируется около 1–35 гг. н.э. Критика вывода о «молодом возрасте» плащаницы (с попыткой его опровергнуть) была предпринята группой Д.А. Кузнецова [32], однако детальное изучение описанных ими процессов не нашло подтверждения [33]. Таким образом, результаты датирования Туринской плащаницы можно рассматривать как научно достоверные, а необходимость подтверждения или уточнения с помощью радиоуглеродного метода возраста важных объектов искусства, истории и религии (картины, гравюры, рукописи, плащаницы, кости и мощи святых и т.п.) стала после этого очевидной.

Другой весьма показательный пример – прямое определение возраста древних людей путём ¹⁴С-датирования их костей. Предпринятые за последние 15–20 лет в этом направлении работы с остатками неандертальцев (Homo neanderthalensis) и людей современного типа (Homo sapiens sapiens) в Европе, Северной Америке и Азии показали, что в ряде случаев возраст костей гораздо «моложе» того, который был получен по археологическим или антропологическим данным [4, p. 152–153]. Тем не менее для большинства объектов полученные ¹⁴С-даты вполне совпадают с ожидаемыми результатами.

Открытость и свободный доступ к информации – один из основных принципов работы сообщества специалистов, использующих ¹⁴С-метод. Так, постоянно проводятся межлабораторные сверки радиоуглеродного возраста специально отобранных образцов. Идёт работа по совершенствованию процедуры калибровки ¹⁴С-дат, которая зависит прежде всего от степени достоверности исходных данных. В последние годы получены результаты, которые позволяют надеяться, что вскоре будет возможна надёжная калибровка ¹⁴С-дат вплоть до 50 000 лет назад.

В ближайшее время наиболее перспективным станет использование небольших УМС-установок, требования к эксплуатации которых не такие жёсткие, как для машин с рабочим напряжением 3–6 млн. эВ, а возможности компактного по размерам оборудования весьма велики. Немаловажным фактором оказывается и цена таких небольших (рабочее напряжение 200–500 тыс. эВ) приборов, она в несколько раз ниже стоимости крупных установок. Таким образом, расширяются возможности датировать напрямую очень малые или ценные объекты – произведения искусства, кости палеолитических людей и т.п., список объектов постоянно пополняется. Так, в последние годы УМС-методом устанавливают возраст кальцинированных костей из погребений по обряду кремации [34]; такие «поля погребений» распространены в Европе и Сибири. К приоритетным направлениям относится и исследование вариаций содержаний изотопа ¹⁴С в атмосфере вплоть до 50 000 лет назад на основе изучения озёрных ленточных отложений (с годичной слоистостью). Это, в частности, позволит проводить корреляцию природных и культурных событий не только для недавнего прошлого человечества, но и для всего позднего палеолита (до 35 000– 40 000 лет назад). Один из наиболее важных аспектов охраны окружающей среды – мониторинг радиоактивного загрязнения – в настоящее время немыслим без измерения активности изотопа ¹⁴С в различных природных и техногенных объектах.

* * *

Большой научный и практический потенциал применения радиоуглеродного метода, вероятно, не будет исчерпан и в XXI в. Являясь одним из наиболее универсальных и точных способов определения геологического и археологического возраста, а также будучи чувствительным индикатором загрязнения природной среды радиоактивными материалами и другими углеродсодержащими веществами, радиоуглеродный метод сегодня востребован в самых различных сферах фундаментальной науки и прикладных исследований. Это лишний раз подтверждает прозорливость У.Ф. Либби и его учеников – основоположников нового научного направления.

Первая публикация: Вестник Российской Академии Наук, 2011, том 81, № 2, с. 127–133

Литература:

1. Libby W.F., Anderson E.C., Arnold J.R. Age determination by radiocarbon content: world-wide assay of natural radiocarbon // Science. 1949. V. 109. № 2827. P. 227–228.

2. Вагнер Г.А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории. М.: Техносфера, 2006.

3. Taylor R.E. Radiocarbon dating // Handbook of Archaeological Science. Chichester: John Wiley & Sons, 2001. P. 23–34.

4. Kuzmin Y.V. Radiocarbon and Old World archaeology: shaping a chronological framework // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 149–172.

5. Stuiver M., Polach H. Discussion: reporting of 14C data // Radiocarbon. 1977. V. 19. № 3. P. 355–363.

6. Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.

7. Дергачёв В.А., Векслер В.С. Применение радиоуглеродного метода для изучения природной среды прошлого. Л.: Изд-во ФТИ АН СССР, 1991.

8. IntCal09: Calibration Issue / Ed. Reimer P.J. // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 4. P. 1111–1186.

9. Waterbolk H.T. Archaeology and radiocarbon dating 1948–1998: a golden alliance // M?moires de la Societ? Pr?historique Fran?aise. 1999. T. 26. P. 11–17.

10. Jull A.J.T. AMS method // Encyclopedia of Quaternary Science. V. 4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007. P. 2911–2918.

11. Taylor R.E. Six decades of radiocarbon dating in New World archaeology // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 173–211.

12. Radiocarbon after Four Decades: An Interdisciplinary Perspective / Eds. Taylor R.E., Long A., Kra R.S. New York?Berlin?Heidelberg: Springer-Verlag, 1992.

13. Damon P.E., Donahue D.J., Gore B.H. et al. Radiocarbon dating of the Shroud of Turin // Nature. 1989. V. 337. № 6208. P. 611–615.

14. Jull A.J.T., Donahue D.J., Broshi M., Tov E. Radiocarbon dating of scrolls and linen fragments from the Judean Desert // Radiocarbon. 1995. V. 37. № 1. P. 11–19.

15. Valladas H., Tisn?rat-Laborde N., Cachier H. еt al. Radiocarbon AMS dates for Paleolithic cave paintings // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 977–986.

16. Кузьмин Я.В. Возникновение древнейшей керамики в Восточной Азии (геоархеологический аспект) // Российская археология. 2004. № 2.

17. Hillman G., Hedges R., Moore A., Colledge S., Pettitt P. New evidence of Lateglacial cereal cultivation at Abu Hureyra on the Euphrates // The Holocene. 2001. V. 11. № 4. P. 383–393.

18. Хотинский Н.А. Голоцен Северной Евразии. Опыт трансконтинентальной корреляции этапов развития растительности и климата. М.: Наука, 1977.

19. Encyclopedia of Quaternary Science / Ed. Elias S.A. V. 1–4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007.

20. Кинд Н.В. Геохронология позднего антропогена по изотопным данным. М.: Наука, 1974.

21. Ложкин А.В. Радиоуглеродное датирование в геохронологических и палеогеографических исследованиях на Северо-Востоке СССР // Региональная геохронология Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1987.

22. Базанова Л.И., Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Сулержицкий Л.Д. Катастрофические извержения Авачинского вулкана (Камчатка) в голоцене: хронология, динамика, геолого-геоморфологический и экологический эффекты, долгосрочный прогноз // Вулканология и сейсмология. 2004. № 6.

23. Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I. et al. Late Quaternary ice sheet history of northern Eurasia // Quaternary Science Reviews. 2004. V. 23. № 11–13. P. 1229–1271.

24. Kuzmin Y.V. The extinction of woolly mammoth (Mammuthus primigenius) and woolly rhinoceros (Coelodonta antiquitatis) in Eurasia: review of chronological and environmental issues // Boreas. 2010. V. 39. № 2. P. 247?261.

25. Вартанян С.Л. Остров Врангеля в конце четвертичного периода: геология и палеогеография. СПб.: Изд-во Ивана Лимбаха, 2007.

26. Stuart A.J., Kosintsev P.A., Higham T.F.G., Lister A.M. Pleistocene to Holocene extinction dynamics in giant deer and woolly mammoth // Nature. 2004. V. 431. № 7009. P. 684–689.

27. Janz L., Elston R.G., Burr G.S. Dating North Asian surface assemblages with ostrich eggshell: implications for palaeoecology and extirpation // Journ. of Archaeological Science. 2009. V. 36. № 9. P. 1982– 1989.

28. Wild E., Golser R., Hille P. et al. First 14C results from archaeological and forensic studies at the Vienna Environmental Research Accelerator // Radiocarbon. 1998. V. 40. № 1. P. 273–281.

29. Geyh M.A. Bomb radiocarbon dating of animal tissues and hair // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 723– 730.

30. Kretschmer W., von Grundherr K., Kritzler K. et al. The mystery of the Persian mummy: original or fake? // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223–224. P. 672–675.

31. Zoppi U., Skopec Z., Skopec J. et al. Forensic applications of 14C bomb-pulse dating // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223– 224. P. 770–775.

32. Kouznetsov D.A., Ivanov A.A., Veletsky P.R. Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin // Journ. of Archaeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 109–121.

33. Jull A.J.T., Donahue D.J., Damon P.E. Factors affecting the apparent radiocarbon age of textiles: a comment on «Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin», by D.A. Kouznetsov et al. // Journ. of Archeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 157–160.

34. Van Strydonck M., Boudin M., De Mulder G. 14C dating of cremated bones: the issue of sample contamination // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 2. P. 553–568.

См. также:

Методы датирования
Джим Аронсон рассказывает о принципах калий-аргонового метода датирования
Боб Уолтер рассказывает о принципах метода датирования по «следам распада»
О радиоуглеродном методе датирования. Часть 1
Прямое радиоуглеродное датирование палеолитических людей Евразии: достижения и проблемы

Источник