Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему
В.Левченко

Восстановление, получение надежной информации о процессах, протекавших в прошедшие времена - это область исследования не только науки истории, занимающейся развитием человеческих социумов. Многие другие отрасли науки нуждаются в аналогичной информации. Это и геофизика и родственные дисциплины, как климатология, физика атмосферы, океана, и астрофизика, от физики космических лучей до физики Солнца, многие разделы биологии, целый спектр гуманитарных наук. Дело в том, что многие процессы, исследуемые соответствующими дисциплинами, очень длительны, развертываются на шкалах в сотни и тысячи лет, а то и больше. А без надежного знания таких процессов трудно, а зачастую и просто невозможно делать прогнозы на будущее, выделять причины тех или иных явлений.

История как наука, несмотря на огромный накопленный материал и развитые методы аттрибуции и датировки источников и артефактов зачастую не может придти на помощь в вопросах, поднимаемых другими дисциплинами. Далеко не все, что может заинтересовать современных ученых, было зафиксировано в хрониках, да и хроники отражают лишь события на незначительной части Земной поверхности, и покрывают лишь краткий промежуток на временной шкале.

Современные естественные науки, в основном физика в сотрудничестве с химией и прикладными дисциплинами уже давно и небезуспешно разрабатывают и используют методы датировки предметов (в том числе и артефактов), образований (например почв, ледников, озер, осадков), явлений (например падений метеоритов).

В настоящее время существует целый спектр методов, работающих как на очень коротких интервалах в десятки-сотни лет, так и на очень длинных, до миллиардов лет. Какие-то методы дают относительные датировки, какие-то абсолютные, часть применима лишь для определенных классов образцов, в общем - большой выбор для исследователя.

Одним из наиболее известных является метод радиоуглеродного датирования. Метод может применяться и хорошо работает на шкалах от пары сотен до 60-70 тысяч лет в прошлое. В том или ином виде работает для всех углеродсодержащих образцов, включая даже и неорганические системы вроде спелеообразований.

Радиоуглеродное датирование нашло широкое применение у историков и археологов, другие приложения радиоуглерода активно используются также и геофизиками, исследующими вариации климата.

Неудивительно, что радиоуглеродный метод стал мишенью неоднократных атак различных около и паранаучных, религиозных групп. Здесь можно найти и всевозможных фундаменталистов, и креационистов, и катастрофистов, вроде последователей Великовского, и различных переписывателей истории, вроде немецких ревизионистов и фоменкистов, и тех, кого не устраивают выводы современной науки об антропогенном воздействии на климат и опасностях глобального потепления и парникового эффекта. Зачастую среди последней группы встречаются работы, финансируемые индустриальными отраслями, кровно заинтересоваными в сохранении status quo.

Особенно активны все эти "критики" стали в последние годы, с развитием Интернета и появлением легкой возможности обращаться напрямую к большой, и зачастую слабо подготовленной аудитории, а также с обострением ситуации в области глобального потепления и парникового эффекта.

Все это также совпало с существенными прорывами в развитии радиоуглеродного метода, давшими возможность резко уменьшить погрешности результатов, уменьшить размеры образцов, раширить области применения.

Группы же, пытающиеся дезавуировать радиоуглеродные исследования, иногда как бы и не заметили этого развития последних 10-15 лет (например русские новохронологи), либо же в своей критике демострируют явное непонимание процессов, в которые вовлечен радиоуглерод, громоздя ошибку на неточность (например немецкие ревизионисты).

Тем не менее, критика часто подается в весьма наукоообразном виде, тексты насыщаются терминами, формулами, добавляется какой-либо ссылочный аппарат. Все это у неподготовленного читателя, у читателя пусть даже технически и научно грамотного, но далекого от рассматриваемых областей, создает впечатление солидного труда, серьезности поднятых вопросов и их пока еще неразрешенности современной наукой, либо же неоднозначности ответов.

Любознательный же читатель, который хочет узнать действительное состояние вещей, часто оказывается в затруднительном положении. Хорошую современную доступную литературу, излагающую ситуацию найти нелегко, а иногда она и просто отсутствует. Чтение же научных статей и монографий требует существенных усилий, подготовки, да и немалого времени на поиски в море выходящих публикаций. Для русскоязычного читателя существует еще и языковой барьер - абсолютное большинство публикаций по радиоуглеродным вопросам выходит на английском языке, в специализированных, часто труднодоступных рядовому человеку изданиях. Да если честно сказать, и большинство популярных изложений вопроса тоже выходило на английском.

В свете такого положения вещей и стараясь помочь читателям, желающим узнать и понять действительное положение в радиоуглеродных исследованиях на текущий момент, в особенности из первых рук, я и решился написать настоящую работу.

Я не собираюсь здесь писать монографию. И даже научную статью. Да ведь этого и не надо. Изложение будет довольно популярным. Я постараюсь придерживаться повествовательного стиля, так что рассматривайте это изложение как "лекцию на тему" для любознательных. Поэтому я не собираюсь подкреплять ссылками каждое свое предложение (некоторые впрочем, я подкреплю), и ссылки будут в основном для иллюстрации тех или иных положений. Тем не менее, все, что я буду говорить, сказано будет с позиции существующего на настоящий момент понимания и согласия между большинством специалистов в данной области.

Для начала я расскажу о радиоуглероде, о его образовании, обмене, переносе. Затем мы рассмотрим основные положения радиоуглеродной датировки, используемые методы и приемы, рубежи, достигнутые на настояжее время.

Углерод в природе представлен тремя изотопами - два стабильных 12C и 13C и один радиоактивный 14C.

14C имеет относительно небольшой период полураспада, 5730 лет, поэтому его присутствие обязано лишь постоянному его образованию в атмосфере под действием космических лучей.

Образование идет в реакции 14N(n, p) -> 14C с относительно большим сечением около 2 барн. Образовавшийся атом 14C практически мгновенно окисляется до 14CO а затем в течение нескольких недель радикалом ОН далее в 14CO2.

Радиоуглерод, образовавшийся в виде 14CO и 14CO, включается в биогеохимический цикл обращения углерода. Из атмосферы он переходит в биосферу, захватываясь в виде CO2 растениями в ходе фотосинтеза, поглощается поверхностными слоями океана. Оттуда он может вернуться опять в атмосферу или уйти в глубинные слои океана, где проводит тысячи лет. Какая-то часть выводится из оборота практически безвозвратно - в осадочные породы. Какая-то часть возвращается назад в атмосферу. Радиоуглерод, путешествуя по всем этим путям, естественно распадается. Поэтому в разных резервуарах его относительное содержание будет различным.

Обычно при описании углеродообменных моделей избегают вводить и пользоваться величиной среднего времени жизни углеродного атома в том или ином резервуаре, так как она, весьма приближенно, упрощенно и зачастую даже неточно отражает протекающие процессы. Я все же упомяну некоторые числа, так как, по моему мнению, на популярном уровне это может помочь ощутить масштабы и взаимосвязь явлений. Биосфера, как резервуар углерода, удерживает углеродный атом в среднем около 40 лет. Откуда он опять-таки попадает в атмосферу или поверхностные слои океана. Лишь малая часть теряется безвозвратно.

Глубинные слои океана, где время, проводимое углеродом - более тысячи лет, будут заметно обеднены14C по сравнению с атмосферой. Поверхностные слои океана, со средним временем жизни в 100-150 лет будут тоже обеднены (однако более не за счет распада в этом резервуаре, а в основном за счет притока и обмена с донными слоями). Биосфера будет к атмосфере в среднем ближе всего.

Содержание радиоуглерода в атмосфере зависит от различных причин и весьма вариабельно (см. рис. 1).


Рис. 1. Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере за последние 500 лет по прямым измерениям и кольцам деревьев.

Давайте их рассмотрим.

Во-первых, изменения скорости образования. Тут действуют несколько факторов:

1. Внешние вариации потока галактических космических лучей. Надо сказать, что этот поток довольно стабилен. На протяжении последних 50 тысяч лет зафиксирован лишь один период ~35 тыс. лет назад, где вероятно этот поток возрос почти вдвое в течение нескольких тысяч лет. Это связывается со вспышкой очень близкой сверхновой ~50 по от Солнца. Подчеркиваю, это была очень близкая сверхновая.

2. Солнечная модуляция потока галактических лучей. Солнце своими магнитными полями и солнечным ветром - потоком плазмы - как бы выметает из гелиосферы галактические космические лучи. Когда солнце активно, галактических лучей на орбите Земли меньше и наоборот. Вариации скорости образования из-за этой причины порядка +/-25% от среднего. Иногда, во время великих минимумов Солнца, вроде Маундеровского (1645-1740), скорость образования может вырасти на 40-50%. (рис. 2)


Рис. 2. Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере по кольцам деревьев за последние 400 лет. Хорошо видны эффекты солнечной модуляции, особенно проявления глобальных солнечных минимумов, а также антропогенное воздействие - Зюсс-эффект.


 


3. Солнечные космические лучи. За счет низкой по сравнению с галактическими энергии не дают значительный вклад в образование. Даже в случае очень сильных вспышек усредненный за год эффект мал.

4. Геомагнитное поле. Оно, отклоняя или не пропуская к атмосфере галактические космические лучи, которые в основном являются заряженными частицами - протонами, может воздействовать на скорость образования. Чем поле сильнее, тем образования меньше. За последние десять тысяч лет поле было наиболее сильным 1500 лет назад, примерно в 1.3 раза сильнее, чем сейчас. Скорость образования при этом была около 0.88 от современной. Ну а до этого поле было все время меньше (за последние 10 К лет), с минимумом около 5 тыс. лет назад в 0.5 современного (скорость образования примерно в 1.5 раза больше). Проявление этого воздействия в радиоуглероде иллюстрировано на рис. 3.


Рис. 3. Вариации атмосферного содержания радиоуглерода в Голоцене, за последние ~8 тысяч лет (по измерениям в кольцах деревьев).
Верхняя шкала - годы до наших дней, нижняя - календарные годы. Тренд объясняется вариацией геомагнитного поля и очень хорошо согласуется с имеющимися архео и палеомагнитными данными.


 


Геомагнитное поле действует также еще одним образом. Поскольку его "отражающая сила", грубо говоря, зависит от угла к силовым линиям, под которым налетает частица, то сильнее всего эффект "прикрытия" будет в экваториальных районах, практически отсутствуя на полюсах. Следствие этого то, что в стратосфере образование радиоуглерода (да и других радиоизотопов) значительно, в разы выше в полярных районах. А вот в тропосфере это не так. Дело в том, что реакции в тропосфере вызываются лишь первичными частицами с относительно более высокой энергией (чтобы пробить всю стратосферу), а они заметно меньше чувствительны к магнитному экранированию. Так что в тропосфере разница в скорости образования радиоуглерода между экваториальными и полярными районами всего несколько процентов.

Стратосфера же, во-первых, довольно хорошо перемешана. А во-вторых, обмен воздухом с тропосферой происходит лишь в поздневесенний довольно короткий прорыв тропопаузы на средних широтах. При этом был экспериментально замечен малый весенний избыток радиоуглерода. Но он очень мал - доли процента. А вот для других изотопов этот эффект очень сильно выражен.

Интересно, что при вариациях в магнитосфере, смещении полюсов, доминировании квадруполей возможны весьма интересные эффекты на распределение космогенных изотопов, в несколько меньшей степени на радиоуглерод. Однако на последних 10 тысячах лет таких экзотичностей не было (археомагнитные и палеомагнитные исследования - это особая и очень интересная область, с изотопным датированием перекрывается лишь постольку-поскольку).

Во-вторых, вариации углеродообменной системы.

Эта система тесно связана с климатом и отзывается на все его заметные изменения. Варьирует объем резервуаров, в первую очередь биосферы, скорость обмена между ними. А если помнить, что переходы из резервуара в резервуар часто связаны с изотопным фракционированием, а также что источник радиоуглерода лишь в одном из резервуаров - в атмосфере, а стоки - во всех, то вариации системы, очевидно, будут вызывать вариации изотопных отношений углерода в различных резервуарах. Причем это может приводить как к уменьшению фракции радиоуглерода в атмосфере, так и увеличению. Причем поскольку времена перемешивания резервуаров сильно различаются, равновесие в резервуарах будет устанавливаться в разное время. Ну а время равновесия всей системы определяется самым медленным резервуаром - глубинными слоями океана. Так что в равновесие вся система приходит лишь за время больше тысячи лет. Равновесные состояния могут отличаться установившимися изотопными соотношениями углерода. Ну а во время переходных процессов они естественно транзиентно изменяются. Как, например, сейчас. Об этом чуть далее.

Классическим примером отклика углеродообменной системы на климат являются вариации при переходе от Плейстоцена/Ледникового периода к Голоцену/современному состоянию. В особенности период Bolling/Allerod/Yonger Dryas ~12 тыс. лет назад. Тогда начавшееся и уже развившееся потепление внезапно сменилось резким похолоданием до ледниковых температур и через пару тысяч лет обратно резким потеплением. О механизме этого давайте здесь говорить не будем (но вопросы - пожалуйста).Но влияние таких скачков на углеродообменную систему было заметным. Классические переходные импульсы отклика системы в атмосферном радиоуглероде, хорошо согласующиеся с предсказаниями компьютерного моделирования, были обнаружены в сериях образцов соответствующего возраста (см. например T. Goslar et al, High concentration of atmospheric 14C during the Younger Dryas cold episode, Nature, v.377, 1995, p.414-417 или K. A. Hughen et al, Deglacial changes in ocean circulation from an extended radiocarbon calibration, Nature, v.391, 1998, p.65-68).

Другим примером работы углеродообменной системы является классический экспоненциальный хвост спадания мощного импульса радиоуглерода, инжектированного в атмосферу во время атмосферных ядерных испытаний (рис. 4). Спад атмосферного содержания 14C происходит, конечно, не за счет его распада, как можно иногда прочитать в популярных и прочих статьях, написанных какими-либо невежественными авторами. Радиоуглерод выводится из атмосферы в другие резервуары. Изотопное отношение в атмосфере было сильно нарушено, и теперь этот сигнал распространяется по другим резервуарам, пока вся система не найдет новое равновесное отношение. Атмосфера сама как резервуар уже пришла в равновесие внутри себя. Биосфера тоже на подходе. А вот океану, и верхнему и донному еще далеко. Эксперименты по измерениям радиоуглерода в океане (сотни и тысячи профилей в разных местах планеты) ясно показывают, как бомбовый сигнал медленно распространяется в глубинные воды. Сейчас он достиг глубинных вод лишь в районе северной Атлантики - важнейшего места на Земле их формирования. Но распространиться на весь океан - это дело очень далекого будущего.

Углеродообменная система может меняться не только за счет природных вариаций, но под антропогенным воздействием. Массовое сведение лесов в планетарном масштабе, начавшееся примерно два века назад и идущее до сих пор (скоро правда кончится, так как уже почти все свели) сильно сокращает емкость резервуара биосферы. Причем если мы говорим о среднем времени жизни углерода в биосфере в 40 лет, то это лишь в среднем конечно. Есть в нем "подрезервуары" где углерод живет лишь год а то и меньше - однолетние травы, например. А есть и где по много лет, даже сотни лет - те же деревья. И вот эти деревья сводятся. Углерод в них накопленный в конечном счете попадает в виде углекислого газа обратно в атмосферу. Причем углерод этот обеднен тяжелыми изотопами за счет фотосинтеза, да и добавочно радиоуглеродом за счет распада во время "жизни" там.

Все это приводит к изменению в сторону легких изотопов углерода содержащегося в атмосфере. Ну и к росту концентрации атмосферного углекислого газа тоже конечно. Причем, изотопные отношения, будучи более чувствительными, зафиксировали этот эффект на временах, когда концентрация CO2 еще не изменилась заметно. Все это экспериментально обнаружено в прямых атмосферных измерениях, в ретроспективных образцах и косвенных исследованиях, и хорошо согласуется с компьютерным моделированием. Эффект разбавления атмосферного радиоуглерода легкими изотопами за счет сведения лесов является частью эффекта Зюсса (рис. 2), о котором речь будет далее.

Может показаться, что я уделяю слишком много внимания углеродообменной системе. Тому есть причины. Понимание ее нам пригодится в дальнейшем, когда мы будем рассматривать резервуарные эффекты и изотопное фракционирование. Также это важно для рассмотрения величин вариаций в образцах. Ну и в конечном счете, углеродообменной системе сейчас уделяется повышенное внимание. Дело в том, что от нашего понимания ее работы зависят прогнозы на будущее нашего климата, можно сказать - будущее человеческой цивилизации (посмотрите например на ожидаемое будущее при сценарии "business as usual" <http://www.dar.csiro.au/res/cm/Gh_sim.htm>). Атмосферное содержание ведущих парниковых газов, углекислого и метана напрямую завязано в эту систему. Исследованию обмена углерода, его изотопных отношений, передачи, поглощения посвящают много времени и средств. Компьютерное моделирование ведется на суперкомпьютерах. (Посмотрите пример моделирования атмосферного содержания и переноса углекислого газа <http://www.dar.csiro.au/info/co2_tran.htm>) И радиоуглерод в этих исследованиях занимает одну из ведущих ролей. Так что уж его поведение в биосфере, атмосфере, океане изучено в деталях на тысячах образцов и описано детальными моделями высокого разрешения (о различной сложности моделях, результатах моделирования, исходных данных и пр. см.

<http://www.acad.carleton.edu/curricular/GEOL/DaveSTELLA/Carbon/c_cycle_models.htm>,

<http://www.llnl.gov/str/Duffy.html>,

<http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/index.html>,

<http://www.pmel.noaa.gov/co2/co2-home.html>).

Ну и третья причина вариации радиоуглерода в атмосфере - внешнее воздействие, антропогенное.

Таких прямых в основном два. Первое - это массовое использование ископаемых топлив. Результаты этого у всех на виду - стремительное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, с примерно 250 ppm до 360 ppm сейчас. И процесс идет с той же скоростью. По планетарным временам - просто скачком, углеродообменная система не угоняется за этим. (Метан тоже кстати вырос, удвоил свою концентрацию). Ископаемые топлива обеднены изотопом 13C и радиоуглерод в них полностью отсутствует. Это приводит к смещению изотопного отношения CO2 в атмосфере в сторону легких изотопов. В купе с эффектом от сведения лесов все это называется Зюсс эффект (рис. 2).

Ну а второе - это ядерные испытания в атмосфере в 50-е начале 60-х. При этом практически мгновенно в атмосферу было инжектировано огромное количество радиоуглерода, образующегося при атомном взрыве в азотной среде. Отношение изотопа 14 к 12 в северном полушарии в атмосфере удвоилось за лишь 5 лет (т.е. вариация в 100%). Особенностью этого воздействия была его локальность. Т.е. взрывы в основном проводились в северном полушарии, и наиболее мощные в высоких широтах. Ну и кратковременность тоже. Что дало мощный но короткий импульс, оказавшийся весьма полезным для изучения вопросов обмена радиоуглерода в реальных системах (рис. 4).


Рис. 4. Прямые атмосферные определения содержания радиоуглерода за последние пол века [взят из Q. Hua, M. Barbetti, M. Worbes, J. Head and V. A. Levchenko, Review of radiocarbon data from atmospheric and tree ring samples for the period 1950-1997 AD, IAWA Journal (the Journal of the International Association of Wood Anatomists), v. 20 (3), 1999: 261-283]. Обратите внимание на расхождение северного и южного полушарий во время атмосферных испытаний ядерного оружия. Причина - сильная несимметричность источника, основная масса взрывов, в том числе все мощные, была проведена в северном полушарии, более того, в высоких широтах. С подписанием в 1963 г. договора-моратория на ядерные испытания в трех средах этот источник практически исчез. И атмосфера быстро перемешивается, за 4 года выравнивая дисбаланс.


 


Вот собственно и все основные причины вариаций. Давайте посмотрим, какие же по величине вариации содержания они могут вызвать. Поскольку вновь образующийся радиоуглерод смешивается с уже находящимся в системе, вариации содержания в общем случае не будут прямо повторять вариации скорости образования. Причем необходимо учитывать характеристические времена вариации входного сигнала по сравнению с характеристическими временами углеродообменной системы. Понятно, что короткие сигналы в скорости образования будут значительно ослаблены в вариациях в содержании, в то же время длинные сигналы будут ослаблены менее значительно. Так, вариации скорости образования за счет солнечной модуляции (~ +/-25%) с примерно 11-летним периодом вызывают лишь 1% вариации в атмосферном содержании радиоуглерода. Вариации за счет солнечных космических лучей, хотя и значительны по амплитуде во время события, но за счет кратковременности вызывают вариации в атмосферном содержании за год в лучшем случае 0.5-0.7%, а чаще и вообще не видны. В других резервуарах такие короткопериодические вариации вообще не прослеживаются.

Вариации с вековым масштабом, того же солнечного происхождения вызывают вариации в атмосферном содержании в 2-4% (рис. 2) и уже могут быть замечены в усредненном биосферном сигнале и в поверхностных водах океана.

Вариации же в содержании радиоуглерода геомагнитной природы, поскольку являются самыми долгопериодическими, с характеристическими временами в тысячи лет, распространяются на всю обменную систему, с примерно одинаковой во всех резервуарах амплитудой. За последние 10 тыс. лет вариация геомагнитного поля вызвала в атмосферном содержании приблизительно 10-12% сигнал (рис. 3).

Изменения в системе углеродообмена теоретически могут вызвать какой угодно сигнал в атмосфере, достаточно лишь поиграться с обменными и резервуарными параметрами. Но если оставаться на реалистической почве, то даже для крупной климатической перестройки Плейстоцен/Голоцен атмосферный переходный сигнал был не более 6-7% от среднего значения продолжительностью в пару тысяч лет.

На последних же 10 тысячах лет климат был довольно устойчив. Были, конечно, экскурсии вроде Малого ледникового Периода. Для них атмосферный сигнал за счет небольшой вариации углеродообменной системы получается небольшим, порядка 1-2%. Вызван он в основном небольшим изменением продуктивности биосферы, изменении величины этого резервуара и скорости обмена.

Антропогенные вариации были наиболее сильными. Если Зюсс-эффект составлял лишь 3% негативного отклонения к 1946 году, то бомб-эффект проявился как импульс со 100% позитивной амплитудой в северном полушарии (65% в южном) и характерным временем полуспада в примерно 15 лет.

Теперь, рассмотрев макроскопическую картину, давайте прейдем к микроскопической.

В атмосфере углерод присутствует в основном в виде углекислого газа CO2. Есть и другие соединения, но их уровень незначителен по сравнению с CO2. Содержание его в настоящее время около 360 ppm (до этого было где-то 250-280 ppm). В основном все это изотоп 12C. Изотоп 13C составляет примерно 1%, а доля радиоуглерода 14C лишь примерно 10-12 от всех углеродных атомов.

В биосферу углерод попадает практически единственным каналом - через фотосинтез растений. Т.е. все богатство органических соединений в конечном счете начинается со ступенчатой ферментативной реакции переноса электрона и объединения молекул углекислого газа и воды в колечко глюкозы. И идет это за счет энергии солнечного света.

При переходе углекислого газа через барьер в устьицах растений и в фотосинтетической реакции происходит изотопное фракционирование. Причем величина этого фракционирования зависит от растения, условий роста, температуры, влажности и т.д. Растения предпочитают легкие изотопы (Бог знает почему, вернее, известно почему, но долгая история объяснять). Величина фракционирования измеряется в сдвиге изотопного отношения 13/12 изотопов по сравнению со эталоном - мировым стандартом. Так в атмосфере эта величина примерно -7.4 промилле (а до Зюсс эффекта была в районе -6.5 промилле). В растениях же, глюкозе и целлюлозе эта величина разная от -12 до -30 промилле. Причем растения делятся на две группы: C4 и C3 по величине фотосинтетического фракционирования. В первой эта величина лежит в районе -12 -19 промилле, а во второй -21 -29 промиле. Типичная величина для деревьев около -25 промилле. (Неплохо об изотопных исследованиях и фракционировании изложено здесь <http://www.unc.edu/courses/envr324/CarbonIsotopeStudies.htm>)

Целлюлоза в растениях относится к неподвижной фракции, т.е. будучи связана и размещена где-либо, там она и будет пребывать, не перемещаясь по растению. Другие сахара, гуминовые кислоты, разная органика, в меньшей степени лигнин (очень комплексный высший фенол) - они мобильны. Т.е. могут перемещаться по растению.

Растения в процессе своего роста постоянно обмениваются с атмосферой. Причем если днем они активно поглощают углекислый газ, синтезируя глюкозу, то ночью наоборот, выделяют углекислый газ, расходуя глюкозу - источник энергии клеток.

Таким образом у земли наблюдается дневной цикл концентрации CO2. И такой же цикл наблюдается в изотопных отношениях углерода. Наблюдается также и годичный цикл в атмосферной концентрации углерода и изотопных отношениях, обусловленный циклами растительного мира, которые контролируются либо температурой (как в высоких широтах, например) либо увлажненностью.

Целлюлоза является основным строительным материалом растений. Понятно, что у однолетних растений все построено из углекислого газа, ассимилированного за вегетационный период. Для более долгоживущих видов все немного сложнее. Впадая в неактивный период (зимовка и пр.) растение часть сахаров направляет на хранение, обычно в корневую систему (ну например клубни, луковицы). Этот материал будет использоваться на начальном этапе новой вегетации, а на следующий год новые накопления будут сделаны из свежесинтезированных сахаров. Опять-таки, свежие сахара направляются в плоды. В деревьях кольца годичного прироста также в основном строятся из новых сахаров. Однако, на начальном периоде вегетации используются накопления с предыдущего года. Таким образом, в кольце выделяют зоны так называемой "ранней" древесины и "поздней" древесины. Причем именно в ранней используются сахара предыдущего года.

Как это было установлено? Ну, помимо многочисленных исследований биологами, в том числе и с выращиванием образцов на контролируемых субстратах, и с радиоактивными метками были проведены и серии измерений на растениях и деревьях в природе.

Так, было показано, что изотопное отношение 14/12 в плодах (зерне, ягодах и пр.) точно соответствует таковому в атмосфере в год роста. (После поправки на изотопное фракционирование, конечно. Поправка определяется измерением изотопного отношения 13/12). Были проведены серии измерений на образцах вин по годам урожаев, и изотопные отношения были найдены, повторяющими таковые, для колец деревьев за эти же годы (опять-таки, после поправки на фракционирование, измеряя также и отношение 13/12). (См. например E. R. M. Druffel and S. Griffin, Radiocarbon in Tropospheric CO2 and Organic Materials from Selected Northern Hemisphere Sites, Radiocarbon Vol. 37, N. 3, 1995, резюме здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v37n3/druffel.html>).

Серии измерений радиоуглерода в древесных кольцах сравнивались с прямыми атмосферными измерениями, и согласие было очень хорошим (рис. 5, 6). Неоднократно делались измерения радиоуглерода в кольцах деревьев относящихся к периоду резкого подъема атмосферной концентрации 14C за счет бомб-эффекта. При этом зачастую концентрация год от года изменялась на 50%. Было обнаружено, что мобильная фракция текущего года может быть найдена в кольцах предыдущих лет. А вот целлюлоза не перемещается, и кольцо на кольцо воздействия не оказывает. Причем измерения проводились с очень высокой точностью - 0.2-0.3%.

Рис. 5. Сравнение радиоуглеродного содержания целлюлозы в годичных кольцах деревьев из различных районов с атмосферными радиоуглеродными данными для северного полушария (взят из того же источника, что и рис. 4).
 


Рис. 6. То же для деревьев и атмосферных данных южного полушария (взят из того же источника, что и рис. 4).


 


Животные, употребляя произведенное растениями, строят свои организмы из этого же углерода. Причем, в основном, конечно же, употребляется свежий прирост, соответствующий текущему состоянию атмосферы. Однолетние животные (мотыльки, некоторые бабочки), таким образом, также несут изотопный сигнал непосредственно соответствующего года. Более долгоживущие организмы интегрируют изотопный сигнал по времени свой жизни. Причем в разных органах по-разному, что, в общем, понятно без детальных объяснений.

Изотопного фракционирования при потреблении растительного материала животными не происходит, так как животные употребляют глюкозу (другие сахара) так как они уже есть.

При гниении растительного материала в первую очередь разрушаются/удаляются/вымываются мобильные фракции, затем целлюлоза, и уж затем лигнин. Причем гниение тоже не вносит изотопного фракционирования. Дело в том, что бактерии тоже потребляют глюкозу, как она есть, отщепляя колечки от полимера целлюлозы. В конечном счете, все, что накоплено растениями в ходе фотосинтеза возвращается в виде углекислого газа в атмосферу - продукт окисления глюкозы, поставщика энергии в живых клетках. Кроме какой-то части конечно, не очень значительной, формирующей ископаемые захоронения, как каменный уголь, например, или окаменевшие леса.

Несколько по-другому этот круговорот происходит в океане. Углекислый газ - весьма растворим в воде. Причем чем вода холоднее, тем лучше. Холодные области планеты, где формируются глубинные воды мирового океана это области стока атмосферного углекислого газа. Там он, растворенный в воде, уносится на тысячи лет в донные слои. Зависимость его растворимости от температуры, между прочим, одна из основных опасностей в современном потеплении за счет парникового эффекта. Опасность в "убегании" потепления - теплее, меньше CO2 растворяется в океане, больше в атмосфере - еще теплее - еще меньше растворяется - и так далее до состояния Венеры. (Это, конечно, несколько утрировано, но шутки в сторону, положительные разгоняющие обратные связи в системе действительно есть и, к сожалению, работают, см. например <http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v408/n6809/abs/408184a0_fs.html>).

Так вот, при растворении углекислого газа в воде тоже происходит фракционирование изотопов. Но не очень большое, порядка 2-3 промилле, в зависимости от температуры. В воде растворенный углекислый газ используется водными растениями по тому же циклу, что и на суше. Однако в океане есть еще один путь. Углерод в виде различных карбонатов используется организмами для построения своих частей - кораллы, раковины и пр. И этот углерод/связанный углекислый газ в видекарбонатов выводится затем из оборота в осадочные слои. Причем надо заметить, что в воде присутствует относительно много растворенного карбоната. Так что растворенный углекислый газ, неся атмосферный радиоуглеродный сигнал, немедленно оказывается сильно разбавленным "мертвым" углеродом. В карбонатах осадочных пород, понятное дело, радиоуглерода просто давно уже нет. Да и время жизни углерода в океане велико, распад 14C заметен. Поэтому для океана и организмов, там живущих, характерны заметные обеднения отношения 14/12 по сравнению с атмосферными/сухопутно-биосферными.

Тут надо сделать маленькое замечание. Если сухопутный организм находится на морской диете, то очевидно и его углеродное изотопное отношение окажется смещенным по океанскому образцу.

В меньшей степени все сказанное относится к внутренним водам, озерам, рекам и внутренним морям. Дело в том, что там цикл не столь велик как в мировом океане, и цепь соответственно не столь обеднена радиоуглеродом. Однако, тем не менее, эти объекты отличаются от обычной сухопутной биосферы, и всегда должны рассматриваться с особым внимаем и осторожностью. Весьма сложен также углеродный обмен в почвенной фракции, в гумусе. Тех, кто интересуется более подробной информацией, адресую к лекции

<http://www.unc.edu/courses/envr324/DOCINW~1.htm> и <http://www.unc.edu/courses/envr324/ENVR%20324%20Home%20Page.htm>.

Для чего в настоящее время используется радиоуглерод?

Датировки исторически были первым предложенным применением. Но с тех пор сфера приложений расширилась значительно. Это и физика атмосферы, и геоморфология, и гляциология, и космические лучи, и физика Солнца, и биология. Причем в основном радиоуглерод используется не для датировок, вернее не столько для датировок, а как трассер различных природных процессов. Еще одна область - биохимия, но там речь идет о радиоактивных метках, и в ходу совсем другие активности.

Ну а датировки, да по-прежнему это одно из важнейших приложений. Причем снижение массы образца на порядки по сравнению с начальным периодом за счет разработки и применения новейших методов позволило исследовать многие такие вещи, о которых раньше даже и помыслить не могли. Впрочем, о кое-чем из этого мы поговорим позже.

Теперь, после знакомства с радиоуглеродом, разбора его образования, круговорота, некоторой химии, давайте, уже зная, что это за зверь, посмотрим, как его применяют в датировании.

Принцип радиоизотопного датирования, в общем, очень прост. Если нам известно начальное содержание радиоактивного изотопа в образце, мы померили содержание изотопа в настоящее время и есть уверенность, что за время жизни образца он не испытывал изотопного обмена, то промежуток времени от "начального" до момента измерения легко рассчитывается, зная период полураспада (константу распада) радиоактивного изотопа.

Несколько слов о периоде полураспада радиоуглерода. Когда метод был только предложен, Либби определил его величину в 5568+/-25 лет. И в течение некоторого времени все пользовались этим значением. Однако по прошествии примерно 20 лет были проведены несколько серий особо точных измерений периода полураспада, с использованием новых технических разработок. И величина была установлена в 5730+/-30 лет. Несколько последовавших проверок подтвердили полученный результат. Однако в радиоуглеродных расчетах по прежнему продолжают использовать старое значение, которое теперь называют периодом полураспада Либби.

Это делается для того, чтобы сохранить преемственность и возможность напрямую сравнивать измерения, сделанные в разное время. Возраст, рассчитанный по Либбиевскому значению, называют радиоуглеродным возрастом, и все знают, что он не соответствует календарному возрасту и возрасту, рассчитанному с точным значением периода. Разница впрочем невелика, всего лишь коэффициент 1.03. Но эту поправку не вносят напрямую, а учитывают при калибровке возраста по калибровочной кривой. Более точный период полураспада тоже используют, но не в датировочных работах, а в геофизических исследованиях. Для геофизических образцов применяют именно это значение.

Иногда возникает вопрос, а как измерялась эта величина - период полураспада? В общем, измерение методологически довольно простое. Если нам известно содержание радиоуглерода в образце, и мы аккуратно померили его активность, количество распадов 14C в единицу времени, то величина определяется точно и однозначно. Проблема была лишь в том, чтобы точно установить содержание радиоуглерода в образце. Можно в общем случае и его не знать, а аккуратно промерить временную кривую распада. Однако практически это тоже сделать не так просто, так как период полураспада все же велик по сравнению с обычными житейскими промежутками времени. Следовательно, активность образца должна быть очень высокой.

Как же можно определить содержание радиоуглерода в образце? Обычно содержание изотопов в исследуемых образцах определяют в масс-спектрометрических измерениях. Казалось бы, можно это проделать и для радиоуглерода. Массовое разрешение в единицу для легких ядер - не проблема на многих, даже весьма простых и грубых машинах. И что тогда огород городить со сложными методами измерений? Однако же проблема в чрезвычайно низком содержании радиоуглерода в современном природном углероде. Изотопное отношение массы 14 к 12 всего лишь 1.18*10-12. Это означает, что крылья линии массы 13 (тоже стабильный изотоп углерода, составляющий примерно 1%) полностью задавят слабенький сигнал. Дело в том, что массовые линии конечно не идеальны, из-за некоторого разброса энергий ионов, излучаемых источником масс-спектрометра. Кроме того, даже крайне небольшое присутствие обломков молекул вида CH или CH2 также даст сигнал в массе 14, задавливая сигнал от крайне малого количества изотопа 14C. Ну и в дополнение ко всему, в вакуумной камере масс-спектрометра всегда присутствуют некоторые остаточные газы. И основной компонент их - азот, также имеющий ту же массу - 14N. Линии азота видны, пусть слабо, практически на любой спектрограмме. И это совсем уж не оставляет шансов на измерение природного 14C. Однако если мы обогатим наш исходный образец, увеличив содержание радиоуглерода, скажем, в миллионы, а то и больше раз, то тогда померить его содержание на масс-спектрометре особого труда не составит. Вот таким образом и были проведены определения периода полураспада. Образцы облучались в реакторах, где в сильных нейтронных полях нарабатывались запредельные концентрации радиоуглерода. Затем его количество точно определялось масс-спектрометрически, ну а затем проводили измерения бета-распада. Причем, поскольку активности были высокими, то период полураспада определяли сразу двумя методами - по кривой спадания, и из начальной концентрации. Затем, с развитием ускорительной масс-спектрометрии эти измерения перепроверялись с образцами обычной природной активности, подтвердив ранее полученное значение периода полураспада.

Вернемся к датированию. Почему мы можем считать начальную концентрацию радиоуглерода известной? Вопрос этот часто вызывает недоумение, поэтому остановимся на нем поподробнее. Одним из основных положений радиоуглеродного датирования является, что датирование возможно для образцов, которые на периоде свой "активной" жизни так или иначе были в контакте и обмене с атмосферой. Почему именно с атмосферой?

Как мы уже обсуждали, атмосфера является самым быстроперемешиваемым и гомогенным из всех природных резервуаров радиоуглерода. Содержание радиоуглерода в атмосфере по всей Земле можно считать одинаковым. Речь здесь идет об усредненных значениях, за год или несколько более. Поскольку, как мы уже знаем, существуют дневные и сезонные циклы. Но в среднем за год, вся атмосфера в отношении радиоуглерода - весьма гомогенна. Но ведь нам и не надо временного разрешения лучше. Радиоуглеродное датирование не стремится к датировкам с погрешностью в год все равно.

Какие же образцы можно таким образом датировать? Очевидно, что остатки когда-либо живших организмов удовлетворяют условию обмена с атмосферой. Это дерево, древесный уголь, кости, торф, артефакты животного и растительного происхождения. К другим материалам можно отнести озерные и морские осадки, почвы и даже карстовые образования - сталактиты и сталагмиты. Но эта группа нуждается в особом подходе и обработке.

Радиоуглеродный метод был распространен (с определенными оговорками) и на морские организмы. Поверхностный слой океана, в общем, довольно хорошо перемешан и гомогенен. Однако для таких образцов необходимо учитывать отличие начальной радиоуглеродной концентрации от атмосферной, как мы обсуждали ранее. Такой сдвиг носит название резервуарного эффекта.

Итак, есть у нас остатки растений, которые когда-то строили свои организмы из атмосферного углерода, остатки животных, которые поедали эти растения, и тоже приходили в баланс с атмосферой. А как же выполняется условие о сохранности изотопного сигнала и отсутствии обмена со средой после "смерти" образца?

Для некоторых образцов это условие наглядно и тривиально выполняется. Например, для ледяной тирольской мумии - Отци. После смерти он был законсервирован в леднике, идеальные условия. Некоторые образцы также сохраняются очень хорошо. Например, балки в каких-либо постройках - укрытые от воздействия внешних факторов, некоторые артефакты, сохраняемые в защищенных условиях.

Однако все же большинство образцов находится во внешней среде, и подозревать какое-либо взаимодействие возможно. Здесь надо отметить, что за исключением природных карбонатов, другие загрязнения будут скорее вызывать омоложение даты образца, так как будут происходить уже после его смерти с "более свежим" радиоуглеродом.

Для того, чтобы бороться с загрязнениями, и для выполнения условия консервации разработаны различные методы очистки и подготовки образцов.

Рассмотрим вкратце некоторые подходы для типичных групп.

Древесный уголь, будучи практически элементарным углеродом, хорошо сохраняется. Подготовка заключается в удалении карбонатов и возможных почвенных загрязнителей, вроде гуминовых кислот.

Дерево,захороненное где-либо, также нуждается в удалении почвенных карбонатов и гуминовых кислот. В дереве при ответственном датировании выделяют целлюлозную фракцию и датируют только ее. Как мы уже говорили, эта фракция немобильна, и наиболее точно отражает атмосферное изотопное отношение во время своего образования.

Кости. Успешное датирование костей не так уж просто. Карбонаты из окружающей среды проникают в кости и смешиваются и замещают исходные. Чаще пытаются датировать коллагеновую фракцию, или "желатиновую", растворяя белок в горячей воде. Исследования с целью улучшить процесс, сделать его более надежным ведутся постоянно, см. например N. B. Athfield, B. McFadgen. R. Sparks Reliability of Bone Gelatin AMS Dating: Rattus exulans and Marine Shell Radiocarbon Dates from Pauatahanui Midden Sites in Wellington, New Zealand, Radiocarbon, (1999) Vol 41, Nr 2, p.119-126 (резюме здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v41n2/Abstracts/1.html>). В ответственных случаях выделяют аминокислоты и датируют их. Такой метод наиболее аккуратен. Ну и при высшей очистке выделяют аминокислоту гидроксипролин, являющуюся уникальной для кости, и датируют только ее.

Были попытки использовать апатит кости, однако результаты пока не сравнимы с аминокислотным подходом.

Вообще, метод выделения специфичного для образца соединения (белки, аминокислоты, целлюлоза, хитин, пр.) является в настоящее время наиболее надежным.

С развитием ускорительной масс-спектрометрии датирование стало возможно для очень малых образцов. Это, во-первых, существенно снизило возможность загрязнении, так как позволило более глубокую очистку и отбор, а во-вторых, расширило область применения на такие объекты как отдельные зерна, останки насекомых, углеродные включения в керамику, (см., например, D. C. Gomes, O. Vega, Dating Organic Temper of Ceramics by AMS: Sample Preparation and Carbon Evaluation, Radiocarbon, (1999), Vol 41, Nr 3, p.315-320, резюме здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v41n3/Abstracts/8.html>), металлические изделия, чугун, проведение аутентификации произведений искусств, выявление подделок вин и других напитков.

Поэтому было разработано большое количество различных методов подготовки образцов, и эта область продолжает развиваться. В каждом конкретном случае лучше связаться непосредственно с лабораторией. Однако принцип выделения характерных для конкретного образца и немобильных соединений остается. Это и выполняет условие консервации - датировка фракции, не обменивавшейся со средой после "смерти" образца.

Какими же методами измеряют содержание радиоуглерода в образце?

Исторически первым методом, использованным Либби, было применение газонаполненных счетчиков, вроде счетчика Гейгера. Причем Либби переводил свои образцы в состояние элементарного углерода (сажа), и нанеся его на специальный рукав, вводил внутрь счетчика. Метод конечно работал, но был весьма неудобным, неаккуратным и трудоемким. Фактически в настоящее время параллельно используются три основных способа измерения. Два радиометрических и один непосредственный.

Радиометрические способы регистрируют распад ядра 14C. радиоуглерод это типичный бета-распадчик с максимальной энергией бета-частицы - электрона в 156 КэВ. Бета частицы не такие уж проницаемые, и мерить их непросто. Основные методы в приложении к радиоуглероду - газонаполненные (обычно пропорциональные) счетчики и спектрометры на жидких сцинтилляторах.

В газонаполненных проп.счетчиках углерод исследуемого образца в виде газа добавляется к рабочему газу счетчика, или просто является рабочим газом. Для этого весь углерод образца переводят в вид обычно CO2 или CH4 (иногда и других соединений). Сигнал проп.счетчика пропорционален энергии частицы, создающей в нем ионизацию. Таким образом, можно выделить окно, соответствующее лишь энергиям распада 14C. Энергии фоновых, в основном гамма-квантов обычно выше. Счетчики обычно используют в сборках. Внешние слои играют роль активной защиты, регистрируя излучение, идущее извне и запрещая счет во внутренних счетчиках на этот момент времени. Образец, эталон, относительно которого измеряется величина в образце, и фоновый счетчик, в котором нет радиоуглерода в газе, помещаются во внутренние слои. Эталонный образец нужен для учета индивидуальных особенностей измерительной установки. Активность образца/содержание радиоуглерода меряется относительно его точно известного, стандартного и обеспечиваемого бюро стандартов содержания. Фоновый счет, измеренный счетчиком фона, вычитается из измерений на счетчике образца и эталона.

Обычно установку защищают также и пассивной защитой из слоев свинца, ртути, других материалов, и пытаются, по мере возможности поместить под землю, для снижения фона от космических лучей.

Типичный размер образца для газонаполненных счетчиков от нескольких грамм до десятков миллиграмм углерода. Типичное время измерения - от дня до нескольких суток.

Для жидкосцинтилляционных установок углерод образца также конвертируют в другое вещество, а именно в какой-либо органический растворитель. Обычно в бензол. В этой жидкости растворяют сцинтиллирующую добавку. Сцинтиллятор, это такое вещество, которое выдает световой импульс на акт возбуждения ионизирующей частицей. Причем амплитуда импульса пропорциональна энергии частицы. Световые импульсы регистрируются специальными приборами - фотоэлектронными умножителями. Опять-таки, производится селекция по энергии. Методы защиты, в общем, подобны предыдущим. Активная защита, обычно из пластикового сцинтиллятора, окружающая зону с образцом снаружи, пассивная защита, подземное размещение. И измерения также подобны. Измеряется образец, эталонный образец и фоновый образец без радиоуглерода. Время типичного измерения тоже подобно. Однако за счет некоторых технологических ухищрений фоновые уровни для жидкосцинтилляционных спектрометров удались заметно снизить и сделать лучше таковых для газонаполненных счетчиков. Тем не менее, у них тоже есть минусы. В первую очередь величина образца, от сотен грамм до сотен миллиграмм в лучшем случае. Да и рабочее вещество - бензол - является канцерогеном.

В последние 15-20 лет был разработан и успешно применяется метод прямого измерения количества радиоуглерода - метод ускорительной масс-спектрометрии. Для этого используют так называемые тандемные ускорители. Отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются электричеким полем напряжением от единиц и до десятков миллионов вольт. Там, в терминале ускорителя, уже имея энергию в несколько МэВ на заряд, они, пролетая через очень тонкую пленку, теряют электроны, превращаются в положительные ионы и продолжают ускоряться далее к детектору, который тоже находится под нулевым потенциалом. В принципе, ускорительный масс-спектрометр - это тот же масс-спектрометр. В нем используется то же разделение частиц по массе в магнитных полях. Однако за счет заметно больших энергий удается также использовать различные другие эффекты для сепарации элементов и изотопов. Так азот, например, не образует отрицательных ионов. Использование источника отрицательных ионов сразу позволяет решить вопрос о подавлении изобары. Отделение молекулярных помех происходит на стадии превращения в положительные ионы. При этом в дальнейшем выделяются (и так подбираются энергии) высокие зарядовые состояния - +3 и выше. Молекулы же и радикалы не существуют в таких состояниях, просто разваливаются. И дополнительная селекция по энергии и величине ионизационных потерь частицы (зависит от заряда ядра) происходит в детекторе.

Поскольку в данном методе непосредственно считаются частицы 14C, а не акты распада, размер образца может быть значительно меньше. В настоящее время успешно меряются образцы с содержанием всего лишь 10 микрограмм углерода (т.е. содержащие всего лишь несколько сотен тысяч индивидуальных атомов радиоуглерода).

Измерения опять-таки ведутся относительно стандартного образца, получаемого из бюро стандартов. Также измеряется и образец, не содержащий радиоуглерода, чтобы учесть возможный фон машины, проявляющийся в фальшивых отсчетах в детекторе. Типичное время одного измерения - минуты до десятков минут. Типичые размеры образцов - милиграммы и даже менее. Для проведения измерения на ускорителе углерод исследуемого образца конвертируется в графит, который и используется в источнике отрицательных ионов. Попытки создания надежного источника работающего не с твердым телом - графитом, а с газом, например CO2 пока так и остаются в стадии экспериментов.

Как мы видим, во всех методах образец, после первичной подготовки, заключающейся в удалении загрязнений (вначале механическими, а потом и химическими методами), и затем в выделении устойчивой фракции, должен подвергнуться дальнейшей переработке. Для этого либо синтезируеся рабочий газ детектора, либо органический растворитель, либо графит. Встает особый вопрос, не происходит ли при этих процессах изотопного фракционирования? Не смещаем ли мы изотопное отношение относительно такового в исходном образце? Для мониторинга этой возможности аналогичной процедуре обработки подвергается и стандартный образец, с очень точно известным заранее изотопным отношением. И в дальнейшем измеряется вместе с неизвестными образцами. В абсолютном большинстве случаев это позволяет избежать фракционирования, или, в редких случаях, скорректировать этот эффект. Эффективностьт конвертации углерода образца в рабочее тело для различных методов находится от 100% до порядка 80% Заметного фракционирования не происходит при таких условиях, но все же котроль постоянно ведется. Также параллельно с неизвестными образцами переработке подвергаются контрольные образцы, не содержащие радиоуглерода, так называемые "мертвые". Они позволяют учесть возможное малое загрязнение образца в химических процессах чужеродным радиоуглеродом. Особенно важно это для сверхмалых образцов, где каждый атом на счету. Загрязнение "мертвым" углеродом значительно менее вероятно, поскольку абсолютное большинство углеродсодержащих соединений, окружающих нас, включая нас самих, несет изотопный сигнал современного углерода. Тем не менее, контроль за этим загрязнением ведется по измерениям стандартного образца, прошедшего аналогичную переработку.

Точности измерения содержания радиоуглерода в образцах весьма высоки. Для ускорительной масс-спектрометрии обычным являются измерения на уровне 0.5-1% В особых случаях возможно и лучше. Для радиометрических методов обычным уровнем являются 0.3-0.7%, а некоторые серии измерений были проведены и с 0.1% точностью.

Радиометрические методы дешевле ускорительного, примерно раза в два. Ускорительное радиоуглеродное измерение, в зависимости от образца стоит в районе от $500 до $1000. Однако область применения радиометрических методов уже, за счет необходимости в заметно большей массе образца.

Надо конечно признать, что бывают и ошибки в измерениях, кто от этого застрахован? Но радиоуглеродное сообщество прилагает все возможные усилия, что бы постепенно свести их к минимуму. Регулярно проводятся межлабораторные тесты-калибровки, анализ слепых образцов. Вот, например здесь (<http://www.radiocarbon.org/Announcements/FIRI-results.html>) представлен предварительный отчет по последнему такому мероприятию в 2000-2001 годах в котором принимало участие 49 лабораторий из 20 стран. Обратите внимание на Таблицу 2 - какое согласие результатов с неизвестными тестами. Конечно, можно сказать, что дескать есть и расхождение. Да есть, но на каком уровне? Кто говорил об ошибках в тысячи лет?

И упражнение это не прошло даром. Анализ показал, что основная причина ошибок - небольшой разнобой в стандартах между рядом лабораторий. Лаборатории такие вещи воспринимают очень серьезно, и к следущему подобному упражнению можно ожидать заметного улучшения в этом вопросе.

Итак, мы очень точно и аккуратно померили содержание радиоуглерода в исследуемом образце. Мы выделили устойчивую фракцию, и уверены, что она сохранилась с момента "смерти" образца. Мы знаем, что наш образец происходит из организма или системы, бывшей когда-то в равновесии и обмене с атмосферой. Как же нам узнать возраст, время, прошедшее с момента выхода образца из оборота, из обмена с атмосферой? Мы можем, конечно, рассчитать возраст в предположении, что уровень радиоуглерода в атмосфере был постоянен и равен современному. Именно так, кстати, и делал Либби в пионерских измерениях. Но ведь мы знаем, что это возможно не так. Массу причин вариаций содержания атмосферного радиоуглерода мы рассматривали выше. А кроме того, как мы рассматривали выше, ведь существуют и процессы изотопного фракционирования, которые тоже могут воздействовать на содержание радиоуглерода в образце. Это, например, довольно существенно для растений, водных организмов, да и многих других объектов.

Давайте поэтому аккуратно рассмотрим, как же рассчитывается возраст образца, чтобы увидеть ответ на все эти вопросы.

Итак, как мы уже не раз повторяли, активность образца или количество атомов 14C (изотопное отношение) измеряются относительно современного стандарта - эталона.

Международный радиоуглеродный стандарт - это 95% измеряемой активности (или изотопного отношения 14C/12C) образца щавелевой кислоты SRM4990, приготовленной американским национальным бюро стандартов. Коэффициент 0.95 выбран таким образом, чтобы стандарт оказался равным по активности древесине из года 1950 нашей эры. Причем надо отметить, что настоящая древесина из 1950 года как раз и не соответствует стандарту, из-за эффекта Зюсса (индустриального) и бомб-эффекта. Величина была выбрана, как если бы этих эффектов не было. Возможно выбранный стандарт не самый лучший, и многие с этим согласны. Но уж так сложилось исторически, что он был первым международно-признанным, позволил устранить многие разногласия между различными лабораториями. Пока что все радиоуглеродное мировое сообщество пользуется именно этим стандартом, и менять его не спешит.

Итак, после измерений образца, эталона и фонового сигнала рассчитывается отклонение образца от эталона по формуле ниже. Фоновый сигнал, очевидно, заранее вычитается из обоих значимых измерений:

d14C = (S/M - 1) * 1000 permill

Здесь S - активность образца, M - активность эталона.

Помимо собственно радиоуглеродного измерения в образце также измеряется изотопное отношение 13C/12C. Обычно для этого отделяют очень малую фракцию образца и проводят масс-спектрометрические измерения. Требования на размер образца для масс-спектрометра весьма незначительны. Такое измерение позволяет также контролировать возможное изотопное фракционирование на этапе обработки образца и эталона. Изотопное отношение 13C/12C также измеряется в виде отклонения от международного стандарта (так называемый PDB стандарт, от Pee Dee Belemnite, Belemnita Americana из известняковой формации Pee Dee из Южной Каролины) и выражется в виде d13C. Как мы знаем, величина эта весьма вариабельна для различных растений, морских организмов, животных, неорганических образований.

Для того, чтобы было возможно прямое сравнение радиоуглеродных измерений для различных образцов их все приводят (пересчитывают) в стандартному изотопному сдвигу d13C = - 25 permill

D14C = d14C - 2(d13C + 25)(1 + 10-3d14C) permill

Эта величина была выбрана не случайно. Величины в окрестности d13C = - 25 permill весьма типичны для большинства деревьев. А поскольку девесина и связанные с ней вещи представляют собой большинство радиоуглеродных образцов, то выбор сдвига вполне очевиден. Очевидно, что для образцов с d13C = - 25 permill получается D14C = d14C. Дополнительный и очень важный аргумент мы добавим еще в дальнейшем.

Итак, после введения поправки на изотопный сдвиг рассчитывается радиоуглеродный возраст образца:

Возраст = 8033 ln (1/(1 + 10-3D14C)) лет BP

Здесь константа 8033 - это постоянная распада для Либбиевского периода полураспада 5568 лет. Подчеркнем еще раз - этот возраст, называемый "радиоуглеродный возраст" не является календарным возрастом, измеряется в годах BP (before present, present =1950 AD), т.н. "радиоуглеродных годах", которые в общем случае не равны календарным.

Например, для образца измерили D14C = -900 +/- 20 permill (не очень высокая точность).

Тогда радиоуглеродный возраст будет = 18500 +1800-1500 лет BP.

Для перехода к календарному возрасту в календарных годах радиоуглеродный возраст подвергают процедуре называемой "калибровкой". Она заключается в том, что на графике с некоей кривой, где по оси X отложены календарные года, а по оси Y  радиоуглеродные, находят календарные года, соотверствующие определенным радиоуглеродным (см. например рисунок в <http://units.ox.ac.uk/departments/rlaha/orau/01_04.htm>).

В чем смысл этой операции, откуда взялась эта кривая, и что таким образом достигается?

Как мы говорили выше, для расчета возраста образца необходимо учесть вариабельность содержания радиоуглерода в атмосфере и возможное изотопное фракционирование. Изотопное фракционирование, как мы видели, учитывается на стадии расчета "радиоуглеродного" возраста. А вот вариабельность атмосферного содержания и учитывается при калибровке. Т.е. если бы атмосфера всегда имела постоянное содержание, калибровка бы была не нужна (и "радиоуглеродный" возраст рассчитывается именно в этом предположении). Откуда берется эта калибровочная кривая, которая дает связь между радиоуглеродным и календарным возрастом?

Как мы обсуждали в начале статьи, существует много различных причин изменения атмосферного содержания радиоуглерода. И действуют они все вместе и независимо. Так что рассчитать и предсказать поведение радиоуглерода в атмосфере, что в прошлое, что в будущее пока возможным не представляется. Так что калибровочная кривая - не расчетная. А вот восстановить какая была концентрация радиоуглерода в атмосфере в прошлые годы можно. Для этого достаточно промерить радиоуглеродное содержание в точно датированных образцах колец деревьев, и мы получаем точную запись радиоуглеродного поведения в атмосфере. Затем, зная для каждого года отклонение от принятого "стандартного" уровня на 1950 год нашей эры можно легко найти необходимую поправку к радиоуглеродному возрасту для перехода в календарный.

Причем "неточность" Либбиевского периода полураспада и корректировочный коэффициент 1.03 может тоже быть учтен на этой же стадии простым включением в калибровочную кривую.

Мы уже обсуждали выше, что целлюлоза колец деревьев точно отражает текущее атмосферное состояние. Это положение было неоднократно подтверждено в экспериментах. Кроме того, мы знаем, что атмосфера является хорошо перемешанным резервуаром. Т.е. при усреднении за год или более радиоуглеродное содержание одинаково по всей поверхности Земли (в первом приближении, см. например атмосферные данные <http://cdiac.esd.ornl.gov/epubs/ndp/ndp057/ndp057.htm>). Таким образом, составив кривую для одного какого-либо дерева ее можно использовать для всех остальных регионов. Причем погодное разрешение даже не нужно, все равно существует ошибка измерения, отражаемая в радиоуглеродном возрасте, которая больше одного года.

Необходимость калибровочной кривой стала ясна исследователям уже в конце 60-х начале 70-х годов прошлого века. И к началу 80-х была представлена кривая, покрывающая 7240 радиоуглеродных лет BP (Клейн и др. - Klein J., Lerman J. C., Damon P. E and Linick T. W (1980) Radiocarbon concentrations in the atmosphere, 8000 year record of variations in tree-rings, Radiocarbon 22(3), 950-961). Была проведена также масса других измерений и построены кривые на основе различного древесного материала из самых разных районов Земли. Они все оказались подобными, и в дальнейшем лишь немногие из этих исследований были продолжены, но не для датировочных работ, а для геофизических задач (где изучаются значительно более слабые вариации радиоуглерода). После Клейна надо отметить Стуивера (Stuiver, M., (1982) A high-precision calibration of the AD radiocarbon timescale, Radiocarbon 24(1), 1-26), Пирсона (Pearson G. W., Pilcher J. R. and Baillie M. G. L. (1983) High-precision 14C measurements of Irish Oaks, Radiocarbon, 25(2), 179-186) - фактически работа этих групп и создала калибровочную кривую используемую сейчас.

Большой удачей для исследователей, занявшихся созданием калибровочной кривой, было существование уже к тому времени аккуратных и длинных дендрошкал, и соответственно - доступность материала. Причем здесь надо отметить, что скажем для североамериканской калибровочной кривой возможные неточности в дендро-датировке вообще были не страшны, по крайней мере для начального периода. Дело в том, что материал для первых примерно 4000 тысяч лет был взят из древесных колец живого (!) дерева. Калибровочные работы постоянно продолжаются, и кривая постоянно уточняется, повышается разрешение, она удлиняется во все более глубокое прошлое [Stuiver M. and R. S. Kra eds. 1986 Calibration issue, Proceedings of the 12th International 14C conference Radiocarbon 28 (2B) 805-1030; Stuiver M., A. Long A., and R. S. Kra eds. 1993 Calibration issue Radiocarbon 35 (1); Stuiver and van der Plicht (eds) 1998 Calibration Issue Radiocarbon 40 (3); Stuiver M., P. J. Reimer, E. Bard, J. W. Beck, G. S. Burr, K. A. Hughen, B. Kromer, G. McCormac, J. van der Plicht and M. Spurk 1998 INTCAL98 Radiocarbon Age Calibration, 24000-0 cal BP Radiocarbon 40 (3) 1041-1083].

Была разработана калибровочная кривая и для морских образцов, для поверхностного слоя океана. Она была построена на основе измерений радиоуглерода в годовых кольцах кораллов [Stuiver M. and T. F. Braziunas 14C Ages

of Marine Samples to 10,000 BC Radiocarbon 35 (1) 137-189; Stuiver M., P. J. Reimer and T. F. Braziunas High-precision radiocarbon age calibration for terrestrial and marine samples 1998 Radiocarbon 40 (3) 1127-1151]. Калибровка конечно не делается вручную, а используются програмные пакеты, построенные на соотвествующих кривых [Stuiver M., P. J. Reimer, E. Bard, J. W. Beck, G. S. Burr, K. A. Hughen, B. Kromer, G. McCormac, J. van der Plicht and M. Spurk 1998 INTCAL98 Radiocarbon Age Calibration, 24000-0 cal BP Radiocarbon 40 (3) 1041-1083]. Эти програмные пакеты легко доступны и бесплатны, см. например внизу страницы <http://units.ox.ac.uk/departments/rlaha/orau/01_04.htm>, а также здесь <http://depts.washington.edu/qil/calib/manual/chapter1.html>.

Итак, калибровочная кривая построена по годичным кольцам деревьев. Именно здесь пригождается стандартизация радиоуглеродных измерений к изотопному сдвигу d13C = - 25 permill. Ведь и для образцов калибровочной кривой этот сдвиг именно таков, что сразу же упрощает сравнение. В настоящее время чаще всего используется кривая, построенная по образцам, объединяющим кольца по 20, или с разрешением в два раза лучше, по 10 колец на образец.

Вот так выглядит кривая для последних 4 тысяч лет <http://units.ox.ac.uk/departments/rlaha/orau/01_06.htm>

Если атмосферное содержание радиоуглерода в какой-то период по различным причинам росло, то калибровочная кривая для этого периода идет резко вверх. Если же падало, то на кривой наблюдается так называемая ступенька. Если исследуемый образец пришелся на область роста кривой, то погрешности в календарном возрастемогут быть и невелики. А если же он пришелся на ступеньку, то к сожалению погрешность календарного возраста такого образца заметно возрастает. Таким образом, заранее неизвестно какая окажется погрешность для каждого конкретного образца. Причем очевидно, что погрешности более древних образцов могут легко оказаться меньшими чем для более молодых.

Если мы опять посмотрим на рисунок 3, то теперь нам ясно, что кривая на нем - это тоже калибровочная кривая, просто построенная в других координатах. Такое представление кривой используется в геофизических исследованиях.

Подведем некоторые итоги.

Итак, мы знаем, что радиоуглеродным методом датируются образцы, которые на протяжении своей "жизни" (кавычки потому, что и неорганические системы могут отвечать этому условию) находились в состоянии обмена с атмосферой, в состоянии изотопного баланса. Для датировок выделяют лишь фракции и соединения, которые устойчиво сохраняются и сохраняют прижизненное изотопное отношение. При определении календарного возраста осуществляется учет изменяющегося во времени атмосферного содержания радиоуглерода на момент "жизни" образца. Таким образом, оба условия надежного радиоизотопного датирования выполнены - условие консервации и условие известного начального состояния. Очевидно, что современный радиоуглеродный метод обеспечен надежным фундаментом.

Часто возникает вопрос - насколько надежна калибровочная кривая? Если кривая построена на дендрохронологии, то можно ли доверять дендрошкале? Используются ли для построения дендрошкал радиоуглеродные даты, и если да, то не возникает ли порочного круга?

Давайте разберемся.

Начнем с того, что первые длинные дендрошкалы были построены для североамериканского континента в 20-е годы прошлого века Дугласом, когда радиоуглерода еще и в помине не было. Для построения калибровочной кривой использовались образцы древесных колец остистой сосны, чрезвычайно долгоживущего дерева, растущего в горах запада Соединенных Штатов. Причем начало шкалы было положено живым деревом с более чем 4700-летним возрастом. Вскоре было найдено и мертвое (но по прежнему стоящее) дерево, на многие сотни лет перекрывавшееся с первым живым и так далее по большому числу сохранившихся образцов, что позволило протянуть шкалу на более чем 10 тысячелетий вглубь. Так что уж исторический период был обеспечен более чем надежно датированными образцами.

Есть и другое, независимое подтверждение верности калибровочной кривой. Как мы знаем, калибровочная кривая демонстрирует не что иное, как временные вариации содержания радиоуглерода в атмосфере. Существенная часть этих вариаций обусловлена, как разбиралось в начале статьи, вариациями скорости образования изотопа. Но 14C не единственный изотоп, образуемый в атмосфере космическими лучами. Есть и другие, например 10Be, с периодом полураспада в 1.5 миллиона лет, образующийся в реакциях скалывания высокоэнергетическими частицами на ядрах азота и кислорода. Причем скорость его образования прямо пропорциональна скорости образования радиоуглерода. Этот изотоп, 10Be, имеет другое, отличное от радиоуглерода геохимическое поведение. Он быстро вымывается из атмосферы и, захороненный в различных осадках, может дать важную информацию о вариации скорости образования во времени. Были проведены серии измерения содержания 10Be в полярных льдах Антарктиды и Гренландии (рис. 7). Отметим, что до примерно 10 тысяч лет в прошлое возраст слоев льда датируется просто подсчетом выделяемых годовых слоев преципитации. Так вот оказывается концентрации 14C в кольцах деревьев (калибровочная кривая) очень хорошо коррелируют с рядами 10Be, причем без всяких сдвигов, растяжек и смещений. Особенно наглядно сравнение атмосферного содержания радиоуглерода с рассчитанным по комьютерной модели, где в качестве входных данных о скорости образования 14C использовались измерения 10Be в полярных льдах (см. рис. 8 и 9).


Рис. 7. Вариации содержания 10Be в керне льда Гренландской станции Dye3 [Beer et al.] и их сравнение с различными индексами солнечной активности.


 


Дендрохронологов часто упрекают, в том, что они при построении дендрошкал используют историческую информацию о возрасте того или иного образца, или вообще радиоуглеродное датирование. И это, дескать, ведет к порочному кругу. Да, действительно, дендрохронологи такую информацию иногда используют. Это делается для того, чтобы отнести тот или иной образец, ту или иную серию колец к нужному периоду, эпохе. Чтобы сэкономить время и только в нужном периоде проводить сравнение с существующей шкалой. Действительно, представьте, что вам надо аттрибутировать 200-300 годовой кусок куда-либо к шкале в 12 тысяч лет, например. Сейчас, с развитием и доступностью компьютерной мощности это стало значительно проще, а каково это было 20-30 лет назад? Поэтому сужение подозрительного промежутка могло только приветствоваться. Однако для того чтобы серия колец была ДОБАВЛЕНА в дендрошкалу, такие датировки несущественны, а существенно лишь одно условие: серия должна на много десятков, а лучше сотен лет перекрываться с надежной устойчивой и уже существующей шкалой, и на перекрываемом участке должна наблюдаться отменная корреляция. Ну а начинается дендрошкала всегда с растущих, живых деревьев, где кольца, понятно, абсолютно надежно датированы.


Рис. 8. Сравнение атмосферной кривой радиоуглерода [кружки, по измерениям в кольцах деревьев, Stuiver et al.] с рассчитанной с помощью комьютерной модели углеродообменной системы. В качестве входных данных по поведению скорости образования радиоуглерода во времени использованы результаты измерения изотопа 10Be в кернах льда с различных полярных станций, а также известные данные о потреблении ископаемых топлив. Скорость образования радиоуглерода в атмосфере по действием космических лучей прямо пропорциональна скорости образования радиобериллия с коэффициентом около 100.

Недавно, чтобы продемонстрировать несостоятельность упреков и отсутствие замкнутого круга один из ведущих мировых специалистов в дендрохронологии, Dr. Mike Barbetti (NGW Macintosh Centre for Quaternary Dating, University of Sydney), провел компьютерный эксперимент. Он с коллегами рассыпали 14-тысячелетнюю дендрошкалу на отдельные составляющие кусочки. А затем компьютеру дали задание собрать их все обратно, во что получится, и какой уж длины получится, не используя никоим образом никакую информацию о датировках этихкусочков, чисто по корреляционным связям. Так вот, результат - получилась та самая исходная шкала, один в один (M. Barbetti, personal communication). Довольно показательно, на мой взгляд, как вы думаете?


Рис. 9. Сравнение композитных данных содержания 10Be во льду Гренландской станции Camp Century [Beer et al.] и Антарктической Dome C [Raisbeck et al.] с кривой содержания радиоуглерода в кольцах деревьев [Stuiver et al.].


Все же надо отметить, для полноты картины и точности, что калибровочная кривая не идеальна. В чем это проявляется?

Я говорил выше, что в отношении радиоуглерода атмосферу можно считать хорошо перемешанной в первом приближении. Действительно, это так. Однако все же малые различия от места к месту имеются, они, правда, представляют в основном интерес для геофизики, для исследования процессов обмена и переноса в углеродообменной системе. Тем не менее, люди их исследуют и в отношении датировок. Статьи на эту тему время от времени появляются в журналах. Вот например: F. G. McCormac, M. G. L. Baillie, J. R. Pilcher and R. M. Kalin, Location-Dependent Differences in the 14C Content of Wood, Radiocarbon V.37, N. 2, 1995 (абстракт статьи здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v37n2/Abstracts/395.html>).

И вот какой вывод делается: studies  showed American wood to be slightly depleted in 14C. None of the findings of this study would significantly alter calibrated 14C dates. В статье проводилось сравнение между рядом европейских серий и американской кривой. Проводились сравнения американской кривой (как основы калибровочной кривой) с сериями и из других мест. Автор сам наблюдал расхождение американской кривой и кривой, построенной по кольцам деревьев с северного Урала. Причем различие в датировке достигало бы 70 лет на промежутке времени в примерно тридцать лет - в самом начале маундеровкого минимума. А на остальном промежутке в более чем 400 лет согласие было весьма хорошим, с отклонениями не более полутора десятков лет. Частично это отражено в статье Paul E Damon ъ Christopher J Eastoe ъ Irina B Mikheeva, The Maunder Minimum: An Interlaboratory Comparison of D14C from AD 1688 to AD 1710, Radiocarbon V.41, N.1, 1999 (абстракт статьи здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v41n1/Abstracts/5.html>).

Вот пример совсем недавней статьи на эту же тему: F B Knox; B G McFadgen, LEAST-SQUARES FITTING SMOOTH CURVES TO DECADAL RADIOCARBON CALIBRATION DATA FROM AD 1145 TO AD 1945, RADIOCARBON, Vol 43, Nr 1, 2001, p 87-118 (статья в pdf формате здесь: <http://giorgio.catchword.com/vl=935119/cl=15/nw=1/fm=docpdf/rpsv/catchword/arizona/00338222/v43n1/s13/p87>, а если открыть не удасться, то, по крайней мере, вот выдержка из абстракта с выводами статьи: The comparison shows a variable 14C offset between the northern and southern hemispheres of 0-70 years (Southern Hemisphere older), and a Northern Hemisphere longitudinal variation of -20 to +60 years (British Isles generally older than western North America).

Автор обсуждал в прошлом году эти результаты с Dr Knox, сравнивая поведение кривых из района юга Тихого океана и полярного Урала, и обе их с европейскими. Общее мнение - наблюдаемые расхождения кривых синхронизованы и связаны с глобальной вариацией углеродообменной системы на малом масштабе (времени и амплитуды - так сказать "дрожание"). В настоящее время рассматривается связь с солнечными вариациями и Эль Ниньо, правда об окончательных выводах говорить пока рановато. Тем не менее, общее мнение было, что такие пространственные вариации существенно не влияют на ошибки радиоуглеродного датирования. Нет, конечно они влияют на получаемые даты, однако добавляемая ошибка обычно заметно меньше погрешностей, вызванных другими причинами. Тем не менее, работу в этом направлении активно продолжают несколько групп, с тем, чтобы в ближайшей перспективе построить полное пространственно-временное распределение радиоуглерода в атмосфере за возможно более длительный период. Основной интерес в этом у климатологов и геофизиков, а побочным результатом будет дальнейшее уточнение радиоуглеродных датировок и избежание даже этих неосновных ошибок.

Возможны и другие случаи, когда калибровочная кривая не будет точно отражать атмосферное радиоуглеродное содержание для какого-либо конкретного образца. Это будет происходить, если исследуемый объект формировался в непосредственной близи от сильного, но локального источника углерода с заметно смещенным изотопным балансом. Речь в данном случае идет о растениях, произрастающих вблизи источников углекислого газа. Для растений из крупных современных мегаполисов зафиксировано обеднение радиоуглеродом по сравнению с их "дикими" сородичами. Опять-таки, этот эффект существенен лишь для крупных городов, это раз. А во-вторых, массовое использование ископаемых топлив, абсолютно свободных от 14C, началось лишь в современные времена, для которых радиоуглеродная датировка все равно не применяется.

Возможен и другой случай, когда растение произрастало рядом с природными источниками углекислого газа вулканического происхождения. Тогда естественно ожидать заметного обеднения радиоулеродом и искуственного "постарения" образца. Исследования этого эффекта проводились. См. например F. Saupe, O. Strappa, R. Coppens, B. Guillet and R. Jaecy, A possible source of error in 14C dates: volcanic emanations (examples from the Monta Amiata district, provinces of Grosseto and Sienna, Italy), Radiocarbon (1980) V.22, N.2, p.525-531; M. Bruns, I. Levin, K. O. Munnich, H. W. Hubberten and S. Fillipakis, Regional sources of volcanic carbon dioxide and their influence on 14C content of present-day plant material, Radiocarbon (1980) V.22., N.2, p.532-536. Было показано, что эффект заметен для растений в непосредственной близи, речь шла о единицах до сотни метров от газовых источников, фумарол или шахтных выходов с сильным истечением газа.

Какой можно сделать вывод? Да, действительно, причина для ошибки существует. Но относиться это будет лишь к очень малому числу образцов: их, датированных неправильно по этой причине, будет совершенно незначительное количество, и они будут явно выделяться среди остальных.

Может оказаться и более сложное влияние этого же агента, правда опять весьма ограниченное. Вот, например в статье Nancy R Beavan-Athfield; Bruce G McFadgen; Rodger J Sparks, ENVIRONMENTAL INFLUENCES ON DIETARY CARBON AND 14C AGES IN MODERN RATS AND OTHER SPECIES, Radiocarbon (2001), V. 43 N.1 P.7 - 14 (статья здесь: <http://haly.catchword.com/vl=9831069/cl=37/nw=1/fm=docpdf/rpsv/catchword/arizona/00338222/v43n1/s4/p7>, абстракт здесь: <http://haly.catchword.com/vl=9831069/cl=37/nw=1/rpsv/catchword/arizona/00338222/v43n1/s4/p7>) показано влияние тех же вулканических эманаций через пищевую цепь. Опять эффект наблюдался лишь внутри активной вулканической зоны, насыщенной чуть не на каждом шагу горячими источниками, фумаролами, гейзерами, газовыми истечениями, и для вулканического же озера, возникшего на месте взрывного извержения.

Вообще говоря, передача изотопного сигнала через пищевую цепь может вызвать и другого вида ошибки. Пусть мы имеем сухопутный организм, находящийся предпочтительно на морской диете. Тогда очевидно, что радиоуглеродное соотношение для него будет определяться резервуаром происхождения пищи. В случае же морского резервуара, мы знаем, заметно обеднение радиоуглеродом, так называемый резервуарный эффект. Такими организмами на морской диете могут быть некоторые сухопутные млекопитающие, тот же белый медведь, например, птицы во множестве, и некоторые людские сообщества. Датировки таких образцов всегда должны проводиться с особой осторожностью, собираться вся возможная информация об объекте. Это кстати одна из причин, почему радиоуглеродные лаборатории запрашивают всю возможную информацию об образце, который требуется датировать.

Существует калибровочная кривая для поверхностного слоя океана, однако все же калибровка для таких образцов еще не столь точна как для атмосферных-наземных. Работы в этом направлении продолжаются, и можно надеяться через определенное время приближения точности определения календарного возраста морских образцов к таковым для сухопутных (например уточнение резервуарного эффекта для внутренних морей G. Siani1, M. Paterne, M. Arnold, E. Bard, B. M?tivier, N. Tisnerat, F. Bassinot, RADIOCARBON RESERVOIR AGES IN THE MEDITERRANEAN SEA AND BLACK SEA, Radiocarbon (2000), V. 42, N. 2, p 271-280 (статья здесь: <http://haly.catchword.com/vl=10606993/cl=43/nw=1/fm=docpdf/rpsv/catchword/arizona/00338222/v42n2/s11/p271>, абстракт здесь: <http://haly.catchword.com/vl=10606993/cl=43/nw=1/rpsv/catchword/arizona/00338222/v42n2/s11/p271>); или интересную статью об уточнении применения резервуарной поправки и уменьшения возможных погрешностей M. Jones and G. Nicholls, RESERVOIR OFFSET MODELS FOR RADIOCARBON CALIBRATION, Radiocarbon (2001), V. 43, N. 1, p 119-124 (статья здесь: <http://haly.catchword.com/vl=9831069/cl=37/nw=1/fm=docpdf/rpsv/catchword/arizona/00338222/v43n1/s14/p119>, абстракта к сожалению отдельно нет), где кстати имеются и интернет ссылки на программные пакеты для калибровки с учетом резервуарного эффекта.

Итак, я перечислил несколько причин возможных ошибок, их вероятную величину. В других частях статьи я уже упоминал о некоторых других возможных отклонениях. Давайте соберем их здесь все вместе, укажем методы избежания и борьбы с этими ошибками и возможную величину и важность.

Погрешности, обусловленные неточным знанием периода полураспада и погрешностью измерения. Весьма невелики. Погрешность в периоде полураспада около 0.5% и погрешность измерения того же порядка. Суммарная погрешность будет около 0.7%

Погрешность калибровочной кривой. В зависимости от того, какой кривой пользуется исследователь, одна из привносимых погрешностей будет 10 лет или 20 лет (шаг/разрешение кривой). Но форма кривой также вносит существенную погрешность в конечный результат. А вот тут четкого ответа быть не может, как вы помните. Для каких-то образцов это может быть и 20-30 лет, а для каких-то и до 300 лет. Добавим также и "неидеальность" кривой, т.е. возможные локальные отклонения. Максимальные обнаруженные отклонения достигали 70 лет, как говорилось выше. А в среднем значительно меньше. Эта погрешность может быть уменьшена региональной коррекцией или уточнением возраста по локальной калибровочной кривой. Иногда это делается, когда хочется достичь особой точности. Как я уже упоминал, существуют длинные кривые для Европы, севера России, южной Америки, Австралазии. Для очень же многих образцов такое уточнение просто не нужно.

Теперь рассмотрим погрешности, связанные с образцом.

Всегда надо иметь в виду, что возраст, определяемый радиоуглеродом, это возраст с момента выхода исследуемого образца из углеродного природного оборота. И в общем случае это может не совпадать в возрастом артефакта. Ну например, датируются образцы древесного угля в слое пожара какого-либо городища. Очевидно, что возраст углей будет определяться моментом срубания деревьев. А вот сколько они использовались до момента сгорания, это в общем случае неизвестно. Физики здесь сделать ничего не могут, это уж дело историков/археологов. Другая возможная ошибка - "неравномерность" возраста по образцу. Очевидно, что для бревна возраст наружных слоев и внутренних будет отличаться (на возраст жизни дерева). Этой ошибки можно избежать более аккуратным отбором образцов. Это тоже одна из причин, почему физики ратуют за участие в отборе образца, и всегда просят предоставлять возможно более полную информацию.

К счастью для обычных деревьев такая ошибка не превосходит нескольких десятков лет. Типичная строевая древесина в Европе - это не такие уж древние деревья.

Погрешность, связанная с особыми условиями формирования/роста образца. Сюда относится, например, вулканическое воздействие. В общем случае, как вы понимаете, учесть такое невозможно. Причем погрешность может достигать и многих сотен лет. Некоторый учет делается исследованием современных биоценозов из которых происходил образец, например, исследуются современные раковины моллюсков, аналогичных изучаемому, в том же районе, откуда он предположительно происходил. Или пищевые цепи, растения и пр. Привлекается вся возможная информация. Очень часто эффект учесть удается. Но, естественно, случаются и ошибки. Одно можно сказать, что круг образцов, для которых подобная ошибка возможна не велик, и число очень мало. Так что на общую хронологическую последовательность радиоуглеродных дат какого-либо влияния они не оказывают.

Ошибки, связанные с загрязнением образцов. Наверное, самые неприятные, потому что всегда психологически кажется, что их можно бы было и избежать.

Я описывал выше подходы к очистке образцов. Хотя этому вопросу уделяется повышенное внимание, конечно зачастую нельзя быть абсолютно уверенным, что все загрязнения удалены. Почти уверенным можно быть, если история образца хорошо известна, а в некоторых (и не таких уж редких) случаях образец сохранялся так, что избежал неприятных загрязнений - те же мумии, например.

В общем случае, нельзя сказать какое может быть загрязнение и ошибка от него. Но все же некоторые важные замечания сделать можно.

Давайте рассмотрим, какие типичные ошибки может привносить загрязнение.

Очевидно, что "старый" углерод, попадая в образец, будет его удревнять, а молодой - омолаживать. Также понятно, что для заметного смещения возраста загрязнение должно составлять значительную долю по массе от образца и значительно отличаться по возрасту (отраженному в изотопном составе).

Удревнение, таким образом, наиболее эффективно может быть карбонатами, а также другим ископаемым углеродом - каменным углем или скажем нефтью. Не заметить загрязнения каменным углем или нефтью просто невозможно, да и происходить они могли лишь в недавнее время (есть некоторые редчайшие исключения, впрочем, их крайне мало, и они все наперечет известны, да и такие образцы просто избегают датировать). Карбонаты легко устраняются из большинства исследуемых на радиоуглерод образцов.

Единственный действительно трудный случай это датировка костей, где карбонаты могут обмениваться с таковыми в образце (и подобных образцов, где датировать необходимо карбонат - раковины, например). Поэтому к датировкам костей всегда надо относиться с осторожностью, ошибки в них не исключены. В информации о датировке костей считается хорошим тоном приводить описание условий захоронения, методы очистки и какая фракция была датирована. Такое описание позволяет определить, насколько можно доверять той или иной дате, какова возможная ошибка. Надо сказать, что датирование костей из захоронений, проведенное с полной очисткой и выделением аминокислот - это долгая, трудоемкая и весьма и весьма не дешевая операция, могущая увеличить стоимость датировки в разы. Поэтому иногда, если заказчик считает, что особой точности ему не надо (задачи могут быть самые ведь разные), он просит упрощенный вариант датировок. Но тогда конечно ошибки вполне возможны.

Тем не менее, конечно говорить, что такие ошибки свойственны всем образцам очевидно нельзя. А для образцов растительного происхождения карбонаты вообще не представляют никаких проблем в очистке.

Омоложение образца может происходить из-за множества современных загрязнений. Загрязнение образца углеродом, близким к нему по возрасту, очевидно, неэффективно, так как масса загрязнения для получения заметного сдвига будет очень велика, пропустить ее в химической обработке просто нереально. А вот современным нам углеродом загрязнить можно с гораздо большей эффективностью. Все потому, что в послебомбовые времена практически весь углерод нас окружающий, включая воздух и нас самих, значительно активнее "нормального" уровня. Так что заметный возрастной сдвиг можно получить и значительно меньшим количеством загрязнителя.

Очевидно, что чем древнее образец, тем более он чувствителен к молодым загрязнениям. Образцы до где-то 5 тыс. лет считаются у радиоуглеродчиков молодыми. Древние начинаются с 10-15 тысяч.

Итак, какой же вывод? Для большинства образцов, за исключением костей (и подобных) омоложение образца загрязнением куда более вероятно, чем удревнение. И лишь для костного материала, раковин и пр. возможны ошибки с удревнением.

Наибольшую гарантию отсутствия ошибки из-за загрязнения дает известная история образца. Указание способов обработки, датированной фракции, исследованных условий захоронения образца - очень надежный признак точной датировки.

Датировка древесины и подобных растительных образцов обычно наиболее точна.

Еще раз повторюсь. Очистка образцов остается в центре внимания радиоуглеродчиков постоянно. Для большинства обычных типов образцов и обычных загрязнений наработаны отточенные методики, почти 100% гарантирующие очистку. Так что абсолютное большинство образцов датировано точно. И лишь к необычным, нестандартным, со сложной историей образцам оправдано повышеное внимание на предмет возможного загрязнения. Ну а также еще раз повторюсь, к датировке костей.

Давайте подведем итоги.

Итак радиоуглеродный метод в его современном исполнении обеспечен прочной теоретической и экспериментальной основой. При определении возраста учитываются вариации в прошлом содержания радиоуглерода, т.е. начальные условия образца. Измерение ведется с очень высокой точностью. Вопросы консервации образца после его выхода из углеродного оборота подробно исследовались, и методы, позволяющие минимизировать, а чаще вообще избежать "посмертного" влияния на образец являются общепринятыми в датировочной практике. Типичные погрешности определения возраста на историческом периоде варьируют в зависимости от образца, времени его жизни и, отчасти места происхождения, и обычно находятся в интервале от порядка 70 лет до 300. Возможны индивидуальные ошибки для отдельных образцов, впрочем, редкие, и увеличенная погрешность для некоторых классов исследуемых материалов.

Хотя для точной привязки на историческом периоде это и недостаточно, но позволяет надежно относить образец к той или иной эпохе, определить примерную последовательность каких-либо событий, подтвердить исторические датировки, сделанные иными методами.

В заключение моего рассказа о радиоуглероде я хочу уделить внимание еще одному приложению. Хотя оно и не является радиоуглеродным датированием в его академическом понимании, все же это тоже метод датировки, который позволяет достигать точности порядка одного года.

Для читателей, слабо знакомых с дендродатировками напомню, что сие такое есть. Если мы имеем образец дерева с последовательностью годовых колец прироста, то величины годового прироста составляют уникальную последовательность, которая определяется условиями в соответствующие годы. Обычно факторами, контролирующими прирост, являются температура в вегетационный период или влажность. Иногда бывают и внешние факторы, например вредители.

Итак, составив по определенным правилам эту последовательность годовых приростов, ищут аналогичную в другом, точно датированном образце дерева из близкого района, подразумевая, что в близком районе будут действовать те же климатические факторы в той же последовательности, и будут отражены в реперном образце аналогичном исследуемому. Найдя такую последовательность, можно надежно зафиксировать исследуемый образец относительно реперного, таким образом точно датировав его. (Вот например статья с интересным и не совсем обычным применением дендродатировок <http://www.arts.cornell.edu/dendro/panel/painttex.html> и наглядной иллюстрацией работы метода). Начинается же дендрошкала от живых деревьев, датировка которых несоменна, точна и не вызывает затруднения.

Однако, как мы знаем, содержание радиоуглерода в атмосфере изменяется сложным образом по воздействием множества факторов. Кривая, описывающая это поведение тоже уникальна. Таким образом, если у нас есть образец дерева с достаточным количеством годовых колец, мы можем провести измерения содержания радиоуглерода в каждом кольце и получить характерную кривую вариаций атмосферного содержания изотопа во время жизни образца. Затем, подобно дендрохронологическому методу, полученная последовательность сравнивается с мастер-хронологией, что в данном случае не что иное, как калибровочная кривая, но погодично измеренная. Ну и понятно, что ищется момент наибольшего совпадения. Таким образом, исследуемый образец может быть датирован с точностью вплоть до года. (Пример подобного исследования: J. van der Plicht, E. Jansma and H. Kars, The "Amsterdam Castle": A Case Study of Wiggle Matching and the Proper Calibration Curve, Radiocarbon Vol. 37, N. 3, 1995, абстракт:<http://www.radiocarbon.org/Journal/v37n3/vanderpli2.html>).Особенно точно этот метод работает для моментов, когда на атмосферной радиоуглеродной кривой имеются значительные особенности, например начало или конец глубоких вековых минимумов солнечной активности, или другие сильно характерные вариации.

Достоинства данного метода это конечно весьма точная датировка, а главное глобальный охват. Т.е. мастер-хронология - калибровочная кривая - хорошо работает по всей Земле (с небольшими оговорками, конечно), значит и район применения значительно расширяется, и не ограничен лишь территориями с наработанными дендрошкалами.

К недостаткам относится довольно высокая стоимость, ведь для датировки одного бревна необходим анализ чуть не сотни образцов. Ну и конечно область применения - лишь датировка древесных образцов с сохранившимся большим числом годовых колец (или других подобных объектов, например разрешенных по годам отложений где-либо). В упрощенном варианте этот метод применяется дендрохронологами для датировок и привязок своих плавающих дендрошкал. Мастер-хронологии так не строятся, однако для восстановления климатической информации подход вполне годится. Таким образом радиоуглерод "отплачивает" дендрохронологии ту неоценимую помощь в превращении его в точный метод датировок. Наглядный пример упрощенного варианта (<http://www.arts.cornell.edu/dendro/brothwel/brotfig6.htm>) показан P.I. Kuniholm <http://www.arts.cornell.edu/dendro/pikbib.html> в его статье Dendrochronology and Other Applications of Tree-ring Studies in Archaeology <http://www.arts.cornell.edu/dendro/brothwel/broth.html>. Предлагаю всем, интересующимся дендрохронологией почитать эту статью как хорошее введение. А также и следующий обзор <http://www.arts.cornell.edu/dendro/ajatext.html>.

Для более серьезной информации отошлю на сводный сайт <http://web.utk.edu/~grissino/contents.htm>, имеющий указания на практически все мыслемые дендро ресурсы в сети, включая и базы данных, и методики обработок, и програмные продукты.

Для читателей, интересующихся радиоуглеродными вопросами на серьезном уровне могу предложить посетить сводный индекс статей в журнале Радиоуглерод (на английском) <http://www.radiocarbon.org/Journal/Index/index.html>, ну а дальше читать статьи в той области, которая наиболее интересна, исследовать ссылки самостоятельно. Имейте ввиду, что on-line оглавления и абстракты покрывают лишь недавние годы, а исследования и публикации уходят далеко в доинтернетную эру <http://www.radiocarbon.org/Pubs/contents.html>, не надейтесь найти все в сети, за многим надо идти в библиотеку. Полезная сводка терминов находится здесь <http://www.gns.cri.nz/atom/rafter/glossary.htm>.

На этом я хочу закончить. Очень надеюсь, что написанное мной помогло кому-нибудь и чему-то научило.

Я прекрасно понимаю, что изложенное мною в данной статье может вызвать у ряда читателей возражения, какие-либо недопонимания, вопросы. Я открыт к обсуждениям, и даже призываю к этому, приглашая желающих на форум "Хронология и парахронология", поскольку надеюсь, что заданные вопросы и замечания позволят мне улучшать представленный материал, делать его более убедительным, понятным, исправлять возможно вкравшиеся ошибки.

Спасибо за ваше время, потраченное на прочтение неожиданно для меня получившейся довольно длинной статьи.
 

Wally Levchenko. 18/12/2001