Радиоуглеродный метод, разработанный более 60 лет назад и отмеченный Нобелевской премией, первоначально использовался для определения возраста археологических и геологических объектов, но вскоре сфера его применения существенно расширилась. Метод доказал свою универсальность и с большим успехом продолжает применяться в науке, технике, медицине и других областях человеческой деятельности.
Радиоуглеродный метод оказывает существенное влияние на развитие разных областей науки - от ядерной физики до криминалистики, но в первую очередь геологии и археологии. В марте 1949 г. была опубликована статья, в которой обосновывался принцип работы данного метода . Его авторы - учёные из Университета Чикаго (США) Уиллард Ф. Либби, Эрнст С. Андерсон и Джеймс Р. Арнольд - показали, что могут определить возраст геологических или исторических событий, которые имели место не только сотни и первые тысячи лет назад, но и вплоть до 40-50 тыс. лет назад. При этом предложенный метод обладал достаточно высокой точностью и был совершенно независим от других технологий, применявшихся в то время в науках о Земле и в археологии. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании. Признанием важности этого открытия явилось присуждение У.Ф. Либби в 1960 г. Нобелевской премии по химии.
В данной статье даётся краткая информация об открытии и становлении метода, его физических основах; затем следует обзор применения радиоуглеродного метода в различных областях науки и технологий, его влияния на систему научных знаний XX в. в целом. Существует обширная литература, посвящённая радиоуглеродному методу (см., например: ), поэтому в статье автор ссылается лишь на самые общие и исчерпывающие источники.
Сразу после первых работ У.Ф. Либби и его коллег Американская антропологическая ассоциация и Геологическое общество США создали специальную комиссию для оценки первых результатов радиоуглеродного датирования, которая в 1951 г. пришла к выводу о надёжности полученных данных и их соответствии существующей научной парадигме. Научное сообщество с энтузиазмом восприняло новый исследовательский подход и стало активно использовать его при изучении прошлого Земли и человечества; на многие годы метод стал ведущим в определении возраста тех или иных объектов. С середины 1950-х годов радиоуглеродный метод распространился по всему миру.
Были у нового метода и противники. Так, археологи В. Милойчич и С. Яманоучи считали, что радиоуглеродные даты доисторических памятников Европы и Японии слишком удревнены, однако развитие археологических знаний в этих регионах подтвердило правильность радиоуглеродного метода . Одновременно с накоплением фактического материала, то есть радиоуглеродных дат, шло постоянное совершенствование методических основ, заложенных основоположниками метода, и к концу 1970-х годов были сформулированы базовые положения радиоуглеродного метода с учётом новых данных .
Основы радиоуглеродного метода
В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – 12 С и 13 С и одного радиоактивного – 14 С, или радиоуглерода. Изотоп 14 С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей (рис. 1, уровень «образование»). В течение нескольких лет «новорождённый» 14 С наряду со стабильными изотопами 12 С и 13 С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере (см. рис. 1, уровень «распределение»). Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей его средой (например, дерево получает углерод в виде углекислого газа из атмосферы в результате фотосинтеза), содержание 14 С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией данного изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться, так как уже нет притока «свежего» 14 С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа 14 С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество 14 С в организме по отношению к стабильным изотопам 12 С и 13 С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание 14 С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции. Такова суть модели, созданной У.Ф. Либби с соавторами. Несмотря на то, что в своём развитии радиоуглеродный метод прошёл через ряд значительных обновлений, по выражению К. Ренфрю – «революций» , его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день .
Иными словами, находя в природе и на поселениях древнего человека остатки растений и животных, а также некоторые другие вещества, содержащие углерод, можно с помощью радиоуглеродного метода определить, сколько времени прошло с момента прекращения жизни организма, то есть установить возраст данных объектов. А это, в свою очередь, значит, что можно ответить на извечный вопрос геологов и археологов: как давно существовал данный организм или древнее поселение? Радиоуглеродный метод позволяет установить возраст углеродсодержащих веществ вплоть до 47 000 14 С лет, что соответствует астрономическому возрасту около 50 000 лет .
Известно, что химический элемент углерод входит в состав практически всей живой материи, а также во многие вещества из разряда неживых (то есть созданных без участия живых организмов). Таким образом, радиоуглеродный метод поистине универсален. С его помощью определяется возраст целого ряда объектов, которые можно условно разделить на следующие группы: «геологические» – карбонатные осадки океанов и пресноводных водоёмов, ледяные керны, метеориты; «биологические» – древесина и древесный уголь, семена, плоды и веточки растений, торф, почвенный гумус, пыльцевые зёрна, остатки насекомых и рыб, кости, рога, бивни, зубы, волосы, кожа и шкура позвоночных животных и человека, копролиты; «антропогенные» – жжёные кости, керамика, кричный металл, пригоревшие остатки пищи, следы крови на древних орудиях, ткани, папирус, пергамент и бумага. В некоторых случаях, например, для изучения колебаний содержания 14 С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.
Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура
Первым коллективом, начавшим разрабатывать радиоуглеродный метод, была группа У.Ф. Либби в Чикаго. С начала 1950-х годов количество лабораторий в США, Канаде, Европе и Японии намного выросло, и в конце 1970-х их было уже более 100 (рис. 2: по , с дополнениями); в настоящее время их насчитывается около 140 на всех континентах. Всего в мире во второй половине XX в. работало 250 установок измерения содержания 14 С. В конце 1970-х годов появились первые лаборатории, использующие ускорительную масс-спектрометрию (УМС), сейчас их уже 40. Список радиоуглеродных лабораторий регулярно обновляется и публикуется в главном издании по данной тематике – международном журнале «Radiocarbon» (в открытом доступе: www.radiocarbon.org).
Первая радиоуглеродная лаборатория в нашей стране была организована в 1956 г. при Радиевом институте АН СССР и Ленинградском отделении Института археологии АН СССР (ныне Институт истории материальной культуры РАН); вдохновителями её создания были И.Е. Старик и С.И. Руденко.
В настоящее время в России реально работают 7 лабораторий : в Москве – в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; в Санкт-Петербурге – в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; в Новосибирске – в Институте геологии и минералогии СО РАН.
Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем 14 С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.
УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ . Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С? (включающие и изотоп 14 С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов 14 С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.
Применение радиоуглеродного метода
Археология и четвертичная геология были и остаются главными областями использования радиоуглеродного метода. В археологии применение независимого способа определения возраста стало поистине революционным и в значительной степени изменило существовавшие археологические концепции . Проводить серьёзные археологические работы без применения радиоуглеродного датирования в настоящее время невозможно . Теперь наряду с анализом «рутинных» объектов, к которым можно отнести древесину, древесный уголь и кости, всё чаще проводится определение возраста (в основном методом УМС) таких непригодных в недалёком прошлом материалов, как отдельные семена и плоды растений, текстиль, жирные кислоты (липиды) в древней керамике и сама керамика, остатки крови на каменных орудиях, наскальная живопись. Общее количество полученных радиоуглеродным методом дат для археологических памятников в мире составляет сегодня, видимо, несколько сотен тысяч ; к началу 1960-х было не более 2400 .
Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах . Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы , рукописей Мёртвого моря , наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании , древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием . Широкие возможности открыл радиоуглеродный метод археологам и дендрохронологам, которые теперь могут «привязать» свои данные к абсолютной шкале времени с помощью так называемого «сопоставления флуктуаций». В данном случае флуктуации есть резкие изменения содержания изотопа 14 С в течение последних 10–12 тыс. лет, которые могут быть идентифицированы и сопоставлены с зафиксированными на международно признанной кривой пиками .
В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Ещё на заре радиоуглеродного метода один из первых образцов, предположительно из Древнего Египта, оказался современной копией . Хрестоматийным примером является датирование пилтдаунского «человека» из Англии (ожидаемый возраст – не менее 75 000 лет, реальный – 500–600 лет) и остатков «Ноева ковчега» на горе Арарат (их возраст составил всего 1200–1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии) .
В четвертичной геологии и палеогеографии радиоуглеродный метод применяется так же широко, как и в археологии. С его помощью установлены хронологические параметры основных тёплых и холодных эпох за последние 40–50 тыс. лет , особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: ). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: ), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири , датирование извержений вулканов Камчатки ; хронология ледникового века северо-запада Европейской России и севера Евразии в целом .
Радиоуглеродный метод стал важнейшим инструментом в изучении процесса вымирания крупных млекопитающих (так называемой мегафауны) в конце новейшего геологического периода – плейстоцена (от 2.6 млн. до 10 тыс. лет назад). На основе массового радиоуглеродного датирования ископаемых остатков мамонтов, шерстистых носорогов и ряда других видов животных удалось установить время и место их окончательного вымирания . Одним из важнейших достижений стало определение возраста костей и бивней мамонтов о. Врангеля (Северо-Восточная Сибирь): останки оказались удивительно «молодыми» – от 9000 до 3700 лет назад ; на сегодня это самые поздние мамонты на Земле. Не менее интересны результаты радиоуглеродного датирования костей ископаемого гигантского оленя с рогами размахом до 4 м: его последние представители обитали на Южном Урале и в Зауралье вплоть до 6900 лет назад . В последнее время c помощью прямого УМС-датирования скорлупы яиц азиатского страуса получены данные о его существовании в Восточной и Центральной Азии до 8000 лет назад .
Широко используется радиоуглеродный метод в геофизике, океанологии, биологии, медицине и многих других науках. Измерения содержания 14 С в морской воде прочно вошли в практику океанологических исследований (это позволяет выявить закономерности циркуляции вод Мирового океана) и в изучение грунтовых вод суши и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания 14 С в таких объектах, как метеориты и ледники . Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. .
Большую роль играет измерение активности изотопа 14 С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» 14 С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа 14 С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность 14 С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. , появился даже термин «послебомбовый 14 С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов ; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий . На феномене искусственного обогащения атмосферы 14 С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп 14 С является своеобразной «меткой» (см., например: ). С помощью измерения активности 14 С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистике – для выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание 14 С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) . Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!
Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14 С-дат . Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа 14 С в атмосфере, гидросфере и биосфере не оставалось постоянным (как полагали поначалу У.Ф. Либби и его коллеги), а изменялось под воздействием ряда внешних условий, главное из которых – колебания в недавнем геологическом прошлом активности космических лучей, продуцирующих радиоуглерод (см. рис. 1). Следовательно, зависимость между 14 С и календарным возрастом не является линейной. Влияние этого фактора, осложняющего перевод радиоуглеродного возраста в астрономические (календарные) даты, в настоящее время преодолено для отрезка времени от наших дней до 20 000 лет назад; успешно ведутся работы по составлению графиков пересчёта 14 С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 14 С лет) .
Перспективы радиоуглеродного метода
Имеется много примеров влияния 14 С-метода на развитие научного знания и пересмотр ряда положений. Так, именно на основании результатов 14 С-датирования разрезов позднеплейстоценовых и голоценовых отложений удалось построить надёжную хронологическую основу для истории климата и природной среды Земли в целом, что крайне важно при прогнозировании климатических изменений в будущем.
Яркой иллюстрацией влияния радиоуглеродного метода на современные науку и культуру является определение возраста одной из самых известных христианских реликвий – Туринской плащаницы (которая, по преданию, служила погребальным покровом Иисуса Христа). Он оказался равен около 690 14 С лет, что соответствует 1260–1390 гг. н.э. . Очевидно, что в этом случае Туринская плащаница не имеет ничего общего с эпохой жизни Христа, которая, по библейской хронологии, датируется около 1–35 гг. н.э. Критика вывода о «молодом возрасте» плащаницы (с попыткой его опровергнуть) была предпринята группой Д.А. Кузнецова , однако детальное изучение описанных ими процессов не нашло подтверждения . Таким образом, результаты датирования Туринской плащаницы можно рассматривать как научно достоверные, а необходимость подтверждения или уточнения с помощью радиоуглеродного метода возраста важных объектов искусства, истории и религии (картины, гравюры, рукописи, плащаницы, кости и мощи святых и т.п.) стала после этого очевидной .
Другой весьма показательный пример – прямое определение возраста древних людей путём 14 С-датирования их костей. Предпринятые за последние 15–20 лет в этом направлении работы с остатками неандертальцев (Homo neanderthalensis) и людей современного типа (Homo sapiens sapiens) в Европе, Северной Америке и Азии показали, что в ряде случаев возраст костей гораздо «моложе» того, который был получен по археологическим или антропологическим данным . Тем не менее для большинства объектов полученные 14 С-даты вполне совпадают с ожидаемыми результатами.
Открытость и свободный доступ к информации – один из основных принципов работы сообщества специалистов, использующих 14 С-метод. Так, постоянно проводятся межлабораторные сверки радиоуглеродного возраста специально отобранных образцов. Идёт работа по совершенствованию процедуры калибровки 14 С-дат, которая зависит прежде всего от степени достоверности исходных данных. В последние годы получены результаты, которые позволяют надеяться, что вскоре будет возможна надёжная калибровка 14 С-дат вплоть до 50 000 лет назад.
В ближайшее время наиболее перспективным станет использование небольших УМС-установок, требования к эксплуатации которых не такие жёсткие, как для машин с рабочим напряжением 3–6 млн. эВ, а возможности компактного по размерам оборудования весьма велики. Немаловажным фактором оказывается и цена таких небольших (рабочее напряжение 200–500 тыс. эВ) приборов, она в несколько раз ниже стоимости крупных установок. Таким образом, расширяются возможности датировать напрямую очень малые или ценные объекты – произведения искусства, кости палеолитических людей и т.п., список объектов постоянно пополняется. Так, в последние годы УМС-методом устанавливают возраст кальцинированных костей из погребений по обряду кремации ; такие «поля погребений» распространены в Европе и Сибири. К приоритетным направлениям относится и исследование вариаций содержаний изотопа 14 С в атмосфере вплоть до 50 000 лет назад на основе изучения озёрных ленточных отложений (с годичной слоистостью). Это, в частности, позволит проводить корреляцию природных и культурных событий не только для недавнего прошлого человечества, но и для всего позднего палеолита (до 35 000– 40 000 лет назад). Один из наиболее важных аспектов охраны окружающей среды – мониторинг радиоактивного загрязнения – в настоящее время немыслим без измерения активности изотопа 14 С в различных природных и техногенных объектах.
Большой научный и практический потенциал применения радиоуглеродного метода, вероятно, не будет исчерпан и в XXI в. Являясь одним из наиболее универсальных и точных способов определения геологического и археологического возраста, а также будучи чувствительным индикатором загрязнения природной среды радиоактивными материалами и другими углеродсодержащими веществами, радиоуглеродный метод сегодня востребован в самых различных сферах фундаментальной науки и прикладных исследований. Это лишний раз подтверждает прозорливость У.Ф. Либби и его учеников – основоположников нового научного направления.
Первая публикация: Вестник Российской Академии Наук, 2011, том 81, № 2, с. 127–133
Литература:
1. Libby W.F., Anderson E.C., Arnold J.R. Age determination by radiocarbon content: world-wide assay of natural radiocarbon // Science. 1949. V. 109. № 2827. P. 227–228.
2. Вагнер Г.А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории. М.: Техносфера, 2006.
3. Taylor R.E. Radiocarbon dating // Handbook of Archaeological Science. Chichester: John Wiley & Sons, 2001. P. 23–34.
4. Kuzmin Y.V. Radiocarbon and Old World archaeology: shaping a chronological framework // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 149–172.
5. Stuiver M., Polach H. Discussion: reporting of 14C data // Radiocarbon. 1977. V. 19. № 3. P. 355–363.
6. Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.
7. Дергачёв В.А., Векслер В.С. Применение радиоуглеродного метода для изучения природной среды прошлого. Л.: Изд-во ФТИ АН СССР, 1991.
8. IntCal09: Calibration Issue / Ed. Reimer P.J. // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 4. P. 1111–1186.
9. Waterbolk H.T. Archaeology and radiocarbon dating 1948–1998: a golden alliance // M?moires de la Societ? Pr?historique Fran?aise. 1999. T. 26. P. 11–17.
10. Jull A.J.T. AMS method // Encyclopedia of Quaternary Science. V. 4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007. P. 2911–2918.
11. Taylor R.E. Six decades of radiocarbon dating in New World archaeology // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 173–211.
12. Radiocarbon after Four Decades: An Interdisciplinary Perspective / Eds. Taylor R.E., Long A., Kra R.S. New York?Berlin?Heidelberg: Springer-Verlag, 1992.
13. Damon P.E., Donahue D.J., Gore B.H. et al. Radiocarbon dating of the Shroud of Turin // Nature. 1989. V. 337. № 6208. P. 611–615.
14. Jull A.J.T., Donahue D.J., Broshi M., Tov E. Radiocarbon dating of scrolls and linen fragments from the Judean Desert // Radiocarbon. 1995. V. 37. № 1. P. 11–19.
15. Valladas H., Tisn?rat-Laborde N., Cachier H. еt al. Radiocarbon AMS dates for Paleolithic cave paintings // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 977–986.
16. Кузьмин Я.В. Возникновение древнейшей керамики в Восточной Азии (геоархеологический аспект) // Российская археология. 2004. № 2.
17. Hillman G., Hedges R., Moore A., Colledge S., Pettitt P. New evidence of Lateglacial cereal cultivation at Abu Hureyra on the Euphrates // The Holocene. 2001. V. 11. № 4. P. 383–393.
18. Хотинский Н.А. Голоцен Северной Евразии. Опыт трансконтинентальной корреляции этапов развития растительности и климата. М.: Наука, 1977.
19. Encyclopedia of Quaternary Science / Ed. Elias S.A. V. 1–4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007.
20. Кинд Н.В. Геохронология позднего антропогена по изотопным данным. М.: Наука, 1974.
21. Ложкин А.В. Радиоуглеродное датирование в геохронологических и палеогеографических исследованиях на Северо-Востоке СССР // Региональная геохронология Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1987.
22. Базанова Л.И., Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Сулержицкий Л.Д. Катастрофические извержения Авачинского вулкана (Камчатка) в голоцене: хронология, динамика, геолого-геоморфологический и экологический эффекты, долгосрочный прогноз // Вулканология и сейсмология. 2004. № 6.
23. Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I. et al. Late Quaternary ice sheet history of northern Eurasia // Quaternary Science Reviews. 2004. V. 23. № 11–13. P. 1229–1271.
24. Kuzmin Y.V. The extinction of woolly mammoth (Mammuthus primigenius) and woolly rhinoceros (Coelodonta antiquitatis) in Eurasia: review of chronological and environmental issues // Boreas. 2010. V. 39. № 2. P. 247?261.
25. Вартанян С.Л. Остров Врангеля в конце четвертичного периода: геология и палеогеография. СПб.: Изд-во Ивана Лимбаха, 2007.
26. Stuart A.J., Kosintsev P.A., Higham T.F.G., Lister A.M. Pleistocene to Holocene extinction dynamics in giant deer and woolly mammoth // Nature. 2004. V. 431. № 7009. P. 684–689.
27. Janz L., Elston R.G., Burr G.S. Dating North Asian surface assemblages with ostrich eggshell: implications for palaeoecology and extirpation // Journ. of Archaeological Science. 2009. V. 36. № 9. P. 1982– 1989.
28. Wild E., Golser R., Hille P. et al. First 14C results from archaeological and forensic studies at the Vienna Environmental Research Accelerator // Radiocarbon. 1998. V. 40. № 1. P. 273–281.
29. Geyh M.A. Bomb radiocarbon dating of animal tissues and hair // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 723– 730.
30. Kretschmer W., von Grundherr K., Kritzler K. et al. The mystery of the Persian mummy: original or fake? // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223–224. P. 672–675.
31. Zoppi U., Skopec Z., Skopec J. et al. Forensic applications of 14C bomb-pulse dating // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223– 224. P. 770–775.
32. Kouznetsov D.A., Ivanov A.A., Veletsky P.R. Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin // Journ. of Archaeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 109–121.
33. Jull A.J.T., Donahue D.J., Damon P.E. Factors affecting the apparent radiocarbon age of textiles: a comment on «Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin», by D.A. Kouznetsov et al. // Journ. of Archeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 157–160.
34. Van Strydonck M., Boudin M., De Mulder G. 14C dating of cremated bones: the issue of sample contamination // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 2. P. 553–568.
В настоящее время для определения возраста археологических находок применяются несколько методов, самым достоверным из которых считается радиоуглеродный. Однако даже этот самый надежный метод имеет огромные погрешности. Благодаря анализу полученных данных ученые осознали, что скорость радиоактивного распада не является неизменной, как это считалось ранее, поскольку подвержена влиянию многих сторонних факторов. Это значит, что «атомные часы» сбиваются в зависимости от внешних условий.
Вот лишь некоторые примеры датировок «точнейшего» метода. Датирование по углероду-14 (14 C) показало: только что убитый тюлень умер 1 300 лет назад; скорлупа живых улиток имела возраст 27 000 лет; возраст раковины живого моллюска – 2 300 лет и т. п. В пещере Бельт (Иран) нижележащий слой датирован возрастом примерно 6 000 лет, а вышележащий – 8 500. То есть получается обратная последовательность слоев, что, естественно, невозможно. И подобных примеров множество.
Чем же объяснить такую величину погрешности самого точного метода? Дело в том, что данный анализ производится путем определения в образце соотношения радиоактивного углерода-14 со стабильным углеродом. Считается, что с момента прекращения жизнедеятельности органического материала, «новый» углерод-14 в него не поступает, а имеющийся – постепенно распадается с постоянной скоростью, в то время как стабильный углерод, естественно, остается неизменным. Однако при разных условиях углерод из внешней среды (от всего рядом находящегося, что содержит углерод: вулканических явлений, действия огня и даже высокой температуры, из почвы залегания или из атмосферы) может проникать в исследуемый образец. И тогда картина кардинально меняется!
Рис. Принцип радиоуглеродного метода датирования
Кроме того, никто точно не может знать, как изменялся уровень углерода-14 в атмосфере в течение различных периодов. Но ученые определенно знают, что он менялся, причем значительно. Дендрологические исследования (анализ колец деревьев) показывают, что уровень углерода-14 в земной атмосфере за последние 4 - 5 тысяч лет сильно менялся (такой возраст по кольцам имеют самые древние деревья; точный возраст посчитать не возможно, т.к. годовые кольца со временем просто сливаются, а в ряде случаев за один год может образовываться несколько годичных колец). Но что было раньше – никто не знает, это область догадок. Более того, нельзя быть уверенным, что углерод-14 в кольцах древних деревьев соответствует углероду-14 атмосферы того времени, когда нарастало кольцо. Ведь на протяжении последующих лет эта часть дерева была в прямом контакте с соседними слоями ствола, с питательными веществами, солнечным светом, воздухом и другими внешними факторами, которые не могли не повлиять на содержание углерода.
Таким образом, радиоуглеродному анализу можно доверять с огромной натяжкой и применять его только в качестве одного из подтверждающих факторов возраста находки, но не как основной и определяющий.
В трудах критиков радиоуглеродного метода можно встретить такую цитату: «Шесть уважаемых лабораторий выполнили 18 анализов возраста древесины из Шелфорда в графстве Чешир. Оценки варьируют от 26 000 до 60 000 лет, разброс составляет 34 000 лет» 1 .
Также многие даты, полученные с помощью радиоуглеродного датирования, не совпадают с хронологией, установленной историками и археологами на основании документов и артефактов.
Рассуждая о радиоуглеродном методе датирования, нельзя не обратить внимание еще на несколько моментов. Заявление о значительном возрастедревних находок, сделанное на основании измерения в них количества углерода-14, можно объяснить с помощью Библии. Дело в том, что до потопа, который, по библейским расчетам, произошел приблизительно 4,5 тыс. лет назад, содержание углерода-14 в атмосфере Земли должно было быть минимальным. Согласно Священному Писанию, до потопа над нашей планетой одним из слоев атмосферы был защитный купол из воды 2 . Водяной экран защищал Землю от радиоактивного углерода-14 и вредных космических излучений. Поэтому, как того и следовало ожидать, в допотопных образцах содержание углерода-14 исключительно мало, что воспринимается учеными-материалистами как следствие его распада, в связи с чем они говорят о значительных временных сроках.
Кроме того, углеродный метод датировки даже теоретически не рассчитан на определение возраста, превышающего 50 000 лет. Об этом открыто заявляют сами ученые. Поэтому материалисты никак не могут объяснить, почему в каменном угле, нефти и алмазах также имеется углерод-14. Ведь согласно научным данным, углерод-14 имеет короткий период полураспада (5 730 лет) и просто не может существовать в образцах, датируемых сотнями тысяч лет, не говоря уже о многих миллионах и тем более миллиардах лет. Однако углерод-14 имеется во всех пластах, что подтверждает молодой возраст Земли.
1 Хэнкок Г. Следы богов. М., 2006.
Понятно, чтобы объявить тот или иной артефакт достоянием какой-то працивилизации, необходимо установить его возраст, определив точную дату создания предмета. Однако современные археологи и историки способны это сделать лишь в очень редких случаях. Подавляющее большинство археологических находок датируются приблизительно.
Радиоуглеродный метод датировки в археологи
Для датировки найденных предметов применяются несколько методов, но, к сожалению, каждый из них не свободен от недостатков, особенно применительно к поискам следов прадревних культур.
Радиоуглеродный метод:
- - Образование радиоуглерода 14С
- - Распад 14С
- - Условие равновесия для живых организмов и неравновесие для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне
радиоуглеродный метод датировки
В настоящее время наиболее известным и часто применяемым является радиоуглеродный метод, который работает с радиоактивным изотопом углерода С14. Этот метод разработал в 1947 г. американский физикохимик, лауреат Нобелевской премии У.Ф. Либби. Суть метода заключается в том, что радиоактивный изотоп углерода С14 образуется в атмосфере под действием космического излучения. Вместе с обычным углеродом С12 он находится в органической ткани всего живого. Когда организм умирает, обмен его углерода с атмосферой прекращается, количество С14 уменьшается при разложении и не восстанавливается. Определение соотношения С14/С12 в образцах при известной и постоянной скорости разложения С14 (5568±30 лет) и даёт возможность установить возраст объекта, или, точнее, срок, который прошёл после его смерти.
лаборатории радиоуглеродного анализа
Казалось бы, всё ясно и просто, однако при таком способе датировки образцов многие даты оказываются ошибочными вследствие загрязнённости объектов или ненадёжности их связи с другими археологическими находками. Поэтому многолетняя практика применения радиоуглеродных измерений заставила сомневаться в их точности. Американский археолог У. Брей и английский историк Д. Трамп пишут: «Во-первых, полученные даты никогда не являются точными, только в двух случаях из трех правильная дата укладывается в этом интервале; во-вторых, скорость распада С14 основывается на периоде полураспада 5568±30 лет, и сейчас становится ясно, что это значение скорости полураспада слишком мало. Значение решено не менять, пока не будет принята новая международная норма; и, в третьих, тезис о неизменности скорости полураспада С14 тоже встречает возражения». Сравнивая результаты этого метода (по одним и тем же образцам) с результатами дендрохронологического анализа (то есть по кольцам среза деревьев), уже упомянутые исследователи делают вывод, что к датировке радиоуглеродным методом можно относиться с доверием только для последних 2000 лет.
туринская плащаница фото, самый знаменитый объект для исследований методом радиоуглеродного анализа
Российский ученый Ф. Завельский говорит, радиоуглеродный метод датировки зависит от справедливости принятых apriori в науке допущений:
- - допущение интенсивность космического из-лучения, падающего на Землю десятки тысяч лет, не менялась;
- - радиоуглерод, земной атмосферы облучался нейтронами, «разбавлялся» стабильным углеродом всегда одинаково;
- - удельная активность углерода в атмосфере не зависит от долготы и широты местности и её высоты над уровнем моря;
- - содержание радиоуглерода в живых организмах было таким же, как и в атмосфере на протяжении обозримой истории. Если одно из принятых допущений окажется неверным, (а если сразу несколько) то результаты радиоуглеродного метода вообще могут стать иллюзорными.
- Исследователь А. Скляров о применении радиоуглеродного анализа пишет так: «Ненавязчивое желание» лабораторий радиоуглеродных исследований заранее получить от историков и археологов «ориентировочный возраст образца» порождено тщательно скрываемой погрешностью самого метода и носит характер «от лукавого» .
- Таким образом, для хотя бы ориентировочной датировки археологам приходится параллельно применять другие методы, прибегая к простому сравнению результатов, исходя из того, какая датировка лучше подходит для той или иной находки или всего археологического комплекса. Понятно, что точность датировок в этом случае оставляет желать лучшего.
Туринская плащаница: позитив и негатив
Исследование фрагментов Туринской плащаницы - один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода датировки объекта исследований.
Радиоуглеродный анализ датировал плащаницу периодом XI - XIII вв. Скептики считают такой результат подтверждением того, что плащаница - средневековая подделка. Сторонники же подлинности реликвии считают полученные данные результатом загрязнения плащаницы углеродом при пожаре в XVI в.
Понятно, чтобы объявить тот или иной артефакт достоянием какой-то працивилизации, необходимо установить его возраст, определив точную дату создания предмета. Однако современные археологи и историки способны это сделать лишь в очень редких случаях. Подавляющее большинство археологических находок датируются приблизительно. Радиоуглеродный метод датировки в археологи Для датировки найденных предметов применяются несколько методов, но, к сожалению, каждый из них не свободен от недостатков, особенно применительно к поискам следов прадревних культур. Радиоуглеродный метод: - Образование радиоуглерода 14С - Распад 14С - Условие равновесия для живых организмов и неравновесие для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне радиоуглеродный…
Обзор
Радиоуглеродный анализ изменил наше представление о последних 50.000 лет. Профессор Уиллард Либби впервые продемонстрировал его в 1949 году, за что позже был удостоен Нобелевской премии.
Метод датировки
Суть радиоуглеродного анализа состоит в сравнении трех различных изотопов углерода. Изотопы конкретного элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Это означает, что при большой химической схожести они обладают разными массами.
Общая масса изотопа обозначается числовым индексом. В то время как более легкие изотопы 12 С и 13 С стабильны, самый тяжелый изотоп 14 C (радиоуглерод) радиоактивен. Его ядро настолько велико, что оно является нестабильным.
С течением времени 14 C - основа радиоуглеродного анализа - распадается на азот 14 N. Большая часть углерода-14 создается в верхних слоях атмосферы, где нейтроны, которые образуются под действием космических лучей, вступают в реакцию с атомами 14 N.
Затем он окисляется в 14 СО 2 , проникает в атмосферу и смешивается с 12 CO 2 и 13 CO 2 . Углекислый газ используется растениями в процессе фотосинтеза, а оттуда проходит через пищевую цепь. Поэтому всякое растение и животное в этой цепи (включая людей) будет иметь равное количество 14 С по сравнению с 12 С в атмосфере (отношение 14 С: 12 С).
Ограничения метода
Когда живые существа умирают, ткань больше не заменяется, а радиоактивный распад 14 C становится явным. Через 55 тысяч лет 14 C распадается настолько, что его остатки уже невозможно измерить.
Что такое радиоуглеродный анализ? может быть использован в качестве «часов», так как он не зависит от физических (например, температуры) и химических (например, содержания воды) условий. За 5730 лет распадается половина 14 C, содержащаяся в образце.
Поэтому, если известно соотношение 14 C: 12 C в момент смерти и сегодняшнее соотношение, то можно вычислить, сколько времени прошло. К сожалению, определить их не так просто.
Радиоуглеродный анализ: погрешность
Количество 14 С в атмосфере, следовательно, в растениях и животных, не всегда было постоянным. Например, оно варьируется в зависимости от того, сколько космических лучей достигает Земли. Это зависит от солнечной активности и магнитного поля нашей планеты.
К счастью, можно измерить эти колебания в образцах, датированных другими методами. Можно подсчитать годичные кольца деревьев и изменение в них содержания радиоуглерода. Из этих данных можно построить «калибровочную кривую».
В настоящее время ведутся работы по ее расширению и совершенствованию. В 2008 году можно было откалибровать только радиоуглеродные даты до 26000 лет. Сегодня кривая расширена до 50000 лет.
Что можно измерить?
Не все материалы могут быть датированы этим методом. Большинство, если не все, органических соединений позволяют проводить радиоуглеродный анализ. Некоторые неорганические вещества, такие как арагонитовая составляющая раковин, также могут быть датированы, так как при образовании минерала использовался углерод-14.
Материалы, которые были датированы с момента создания метода, включают дерево, ветки, семена, кости, раковины, кожу, торф, ил, почву, волосы, керамику, пыльцу, настенные рисунки, кораллы, остатки крови, ткани, бумагу, пергамент, смолы и воду.
Радиоуглеродный невозможен, если в нем не содержится углерод-14. Исключение составляют изделия из железа, при изготовлении которых используется уголь.
Двойной счет
Из-за этого осложнения радиоуглеродные даты представлены двояко. Некалиброванные замеры подаются числом лет до 1950 года (BP). Калиброванные даты также представлены как до н. э., так и после, а также с помощью единицы calBP (калиброванная до настоящего времени, до 1950 года). Это «наилучшая оценка» фактического возраста образца, но необходимо иметь возможность вернуться к старым данным и откалибровать их, поскольку новые исследования постоянно обновляют калибровочную кривую.
Количество и качество
Вторая трудность состоит в крайне низкой распространенности 14 С. Только 0,0000000001% углерода в современной атмосфере представляет собой 14 C, что причиняет невероятные сложности для измерений и делает его чрезвычайно чувствительным к загрязнениям.
В первые годы радиоуглеродный анализ продуктов распада требовал огромных образцов (например, половины бедренной кости человека). Многие лаборатории теперь используют масс-спектрометр с ускорителем (AMS), который может обнаруживать и измерять присутствие различных изотопов, а также подсчитать количество отдельных атомов углерода-14.
Этот метод требует менее 1 г костной ткани, но лишь немногие страны могут позволить себе больше, чем один или два AMS, стоимость которых превышает 500 тыс. $. Например, Австралия имеет лишь 2 таких прибора, которые способны производить радиоуглеродный анализ, и они недостижимы для большей части развивающегося мира.
Чистота - залог точности
Кроме того, образцы должны быть тщательно очищены от загрязнений углерода из клея и почвы. Это особенно важно для очень старых материалов. Если 1 % элемента в пробе возрастом 50 тыс. лет будет происходить из современного загрязнителя, она будет датирована как сорокатысячелетняя.
По этой причине исследователи постоянно разрабатывают новые методы эффективной очистки материалов. Они могут оказать существенное влияние на результат, который дает радиоуглеродный анализ. Точность метода существенно возросла с развитием нового способа очистки активированным углем ABOx-SC. Это позволило, например, отдалить дату прибытия первых людей в Австралию более чем на 10 тыс. лет.
Радиоуглеродный анализ: критика
Метод, доказывающий, что с момента возникновения Земли прошло гораздо больше 10 тыс. лет, упомянутых в Библии, неоднократно подвергался критике креационистов. Например, они утверждают, что за 50 тыс. лет в образцах не должно остаться углерода-14, но в угле, нефти и природном газе, возраст которых, предположительно составляет миллионы лет, содержатся измеримые количества этого изотопа, что подтверждает радиоуглеродный анализ. при этом больше фоновой радиации, от которой невозможно избавиться в лаборатории. Т. е. образец, в котором не содержится ни одного атома радиоактивного углерода, покажет дату в 50 тыс. лет. Однако этот факт не ставит под сомнение датировку объектов и тем более не свидетельствует о том, что нефть, уголь и природный газ моложе этого возраста.
Также креационисты отмечают некоторые странности радиоуглеродного анализа. Например, датировка пресноводных моллюсков определила их возраст, как превышающий 2000 лет, что, по их мнению, дискредитирует данный метод. На самом деле установлено, что моллюски получают большую часть углерода из известняка и гумуса, содержание 14 C в которых очень низкое, так как эти минералы очень старые и не имеют доступа к углероду воздуха. Радиоуглеродный анализ, точность которого в этом случае можно подвергнуть сомнению, в остальном соответствует действительности. Древесина, например, такой проблемы не имеет, т. к. растения получают углерод прямо из воздуха, который содержит полную дозу 14 C.
Другим аргументом, направленным против метода, является тот факт, что деревья способны образовывать за один год более одного кольца. Это действительно так, но чаще случается так, что они вообще не формируют годичных колец. Остистая сосна, на основе которой проведено большинство измерений, имеет на 5 % колец меньше, чем ее фактический возраст.
Установление даты
Радиоуглеродный анализ - это не только метод, но и захватывающие открытия в нашем прошлом и настоящем. Метод позволил археологам расположить находки в хронологическом порядке без необходимости наличия письменных записей или монет.
В 19 и начале 20 века невероятно терпеливые и осторожные археологи связывали керамику и каменные орудия различных географических районов путем поиска сходства в форме и узорах. Затем, используя идею о том, что стили объектов эволюционировали и становились все более сложными с течением времени, они могли их разместить по порядку.
Таким образом, большие купольные гробницы (известный как толосы) в Греции считались предшественниками подобных структуры на шотландском острове Мейсхау. Это поддерживало идею о том, что классические цивилизации Греции и Рима были в центре всех инноваций.
Однако в результате проведения радиоуглеродных анализов выяснилось, что шотландские гробницы были на тысячи лет старше, чем греческие. Северные варвары были способны проектировать сложные структуры, аналогичные классическим.
Другими известными проектами было отнесение Туринской плащаницы к средневековому периоду, датировка свитков Мертвого моря временем Христа, и несколько спорная периодизация рисунков в возрастом 38 000 calBP (около 32 000 ВР), на тысячи лет раньше, чем ожидалось.
Радиоуглеродный анализ также применялся при определении времени вымирания мамонтов и внес свой вклад в споры по поводу того, встречались ли современные люди и неандертальцы или нет.
Изотоп 14 С используется не только для определения возраста. Метод радиоуглеродного анализа позволяет исследовать циркуляцию океана и проследить движение лекарств по всему телу, но это тема другой статьи.
Исследователи измерили содержание углерода-14 в деревьях, растущих на юге Иордании, определили их возраст и сравнили полученные датировки со стандартной шкалой метода. В результате они обнаружили расхождения в среднем на 19 лет. Относительно небольшая неточность, тем не менее, может существенно сказаться на археологических исследованиях раннебиблейской эпохи и палеоэкологических реконструкциях. Результаты изложены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Радиоуглеродный анализ - один из основных методов датировки растений и археологических предметов с содержанием органического материала. Ученые уже давно его используют, поэтому сейчас уже выработаны стандартные шкалы для Северного и Южного полушарий, которые называются калибровочными кривыми. Они представляют собой зависимость календарного и радиоуглеродного возрастов. Эти кривые достаточно близки к прямой линии, но отражают вариации соотношения изотопов в различные эпохи.
«Мы начали проверять предположения, на которых покоится вся область радиоуглеродного датирования, - говорит ведущий автор работы Стюарт Мэннинг из Корнеллского университета в США. - Из атмосферных измерений последних 50 лет мы знаем, что содержание изотопов углерода меняется в течение года, а также понимаем, что в различных точках Северного полушария растения зачастую активно растут в разное время. Мы хотели выяснить, насколько сильно колеблется зависимость [точности радиоуглеродного датирования] от исследуемой [географической] области, и может ли это повлиять на археологическую датировку».
Материалом для исследования стали растущие на юге Иордании деревья, возраст которых известен ученым. Авторы измеряли возраст их годовых колец при помощи радиоуглеродного метода и обнаружили сдвиг на 19 лет относительно стандартной калибровочной кривой Северного полушария. В результате, утверждают ученые, многие работы по истории этого региона, который также включает современную территорию Израиля, могут опираться на неверные предположения. Например, имеет смысл перепроверить датировки раннебиблейских событий, так как использованные во многих работах калибровочные кривые просто не подходят для данной области.
Авторы применили результаты к нескольким опубликованным ранее хронологическим таблицам и выяснили, что даже небольшой сдвиг датировок может привести к изменению календарных дат, что необходимо учитывать при решении спорных вопросов истории, археологии и климата прошлого. «Наша работа должна стать началом пересмотра и переосмысления временной шкалы археологии и ранней истории южного Леванта в течение раннего библейского периода», - подытоживает Мэннинг.
Понравился материал? в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
