Радиоуглеродное датирование — Википедия

Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация

Радиоуглеро́дное дати́рование — разновидность метода радиоизотопного датирования, применяемая для определения возраста органических останков путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода. Метод радиоуглеродного датирования предложен Уиллардом Либби в 1946 году, за что ему была присуждена Нобелевская премия по химии 1960 года. Метод основан на том, что живые организмы поглощают вместе с пищей и нерадиоактивный, и радиоактивный углерод, который постоянно вырабатывается в атмосфере из-за воздействия космических лучей на атмосферный азот. После гибели животного или растения обмен углеродом с окружающей средой прекращается, 14C в останках постепенно распадается, и по его остаточной удельной активности можно оценить время гибели организма. Для уточнения возраста необходимо использовать калибровочные кривые. В 2020 году были приняты новые версии калибровочных кривых для Северного полушария (IntCal20)[1], Южного полушария (SHCal20)[2] и морских образцов (Marine20)[3], которые позволяют датировать образцы возрастом до 55 000 лет[4][5].

Физические основания[править | править код]

Основная статья: Углерод-14
1: Образование радиоуглерода 14C.
2: Распад 14C.
3: Условие равновесия для живых организмов и неравновесия для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне

Углерод, будучи одним из основных элементов в составе биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов 12C (98,89 %) и 13C (1,11 %) и радиоактивного 14C, который присутствует в следовых количествах (около 10−10 %). Изотоп 14C постоянно образуется в основном в верхних слоях атмосферы на высоте 12—15 км при столкновении вторичных нейтронов от космических лучей с ядрами атмосферного азота:

В среднем в год в атмосфере Земли образуется около 7,5 кг радиоуглерода при общем его количестве ~75 тонн.

Образование радиоуглерода вследствие естественной радиоактивности на поверхности Земли пренебрежимо мало.

Радиоизотоп углерода 14C испытывает β−-распад с периодом полураспада T1/2 = 5,70 ± 0,03 тыс. лет[6], постоянная распада λ = 1,216·10−4 год−1:

Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

Удельная активность углерода в живых организмах, обменивающихся углеродом с атмосферным резервуаром, соответствует атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет 13,56 ± 0,07 распада в минуту на грамм углерода. С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14C) постепенно распадается, в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и определив их текущее соотношение в биологическом материале масс-спектрометрическим методом или измерив активность методами дозиметрии, можно установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Использование[править | править код]

Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания предварительно очищенного фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образцов. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий сцинтиллятор. В последнее время для очень малых содержаний 14C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14C. На 2020 год предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом — около 55 000 лет[5], то есть около 10 периодов полураспада. За это время содержание 14C уменьшается почти в 1000 раз (до около 1 распада в час на грамм углерода).

Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродсодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Для датирования из образцов химическими методами выделяют наименее подверженные загрязнению компоненты. При радиоуглеродном анализе растительных остатков используется целлюлоза, а при датировании костей, рогов и других животных остатков выделяется коллаген. Возможно также датирование по остаткам жирных кислот, таких как пальмитиновая и стеариновая, например, керамики[7][8]. Погрешность метода на 2019 год находится в пределах от 24 лет (образцы начала XV века) до 1600 лет (образцы ~47 тысячелетия до н. э.)[9].

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов Туринской плащаницы, проведённое в 1988 году, одновременно в нескольких лабораториях слепым методом. Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом XI—XIII веков. Скептики считают такой результат подтверждением того, что плащаница — средневековая подделка. Сторонники же подлинности реликвии считают полученные данные результатом загрязнения плащаницы углеродом при пожаре и последующей стирке в кипящем масле в XVI веке.

Калибровка и точность метода[править | править код]

Калибровочная кривая 1998 года, использовавшаяся при радиоуглеродном датировании (Stuiver et al. 1998[10])
Уточнённая калибровочная кривая 2020 года IntCal20 для диапазона 0—55 000 лет до настоящего времени в северном полушарии.[11]
Пик углерода-14 в 774 году н. э. Цветными точками показаны измерения деревьев. Чёрная линия — смоделированные данные

Исходные предположения Либби, на которых строится метод радиоуглеродного датирования, заключаются в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. Однако, как было установлено в дальнейшем, эти предположения справедливы лишь приблизительно. Содержание изотопа 14C в атмосфере зависит от многих факторов, таких как:

  • интенсивность космических лучей и активности Солнца;
  • широта местности;
  • состояние атмосферы и магнитосферы;
  • вулканическая деятельность (углерод, содержащийся в вулканических выбросах, «древний», практически не содержащий 14C);
  • круговорот углекислого газа в природе;
  • проведение атмосферных ядерных испытаний, создавших в 1950—1960-х годах существенный выброс (около 0,5 тонны) радиоуглерода в атмосферу (бомбовый эффект);
  • сжигание большого количества ископаемых топлив (углерод, содержащийся в нефти, природном газе и угле — «древний», практически не содержащий 14C) — так называемый эффект Зюсса[en], возникший с началом промышленной революции в XIX веке.

Два последних фактора делают невозможным проведение точных радиоуглеродных датировок у образцов XX века.

Кроме того, исследования показали, что из-за разницы в атомных массах изотопов углерода химические реакции и процессы в живых организмах идут с немного разными скоростями, что нарушает естественное соотношение изотопов (так называемый эффект изотопного фракционирования)[12]. Ещё один важный эффект (резервуарный эффект) — замедленное достижение радиоуглеродного равновесия в Мировом океане из-за его медленного[13] обмена углеродом с атмосферным резервуаром — приводит, если не учитывать поправок, к кажущемуся увеличению возраста остатков морских организмов, а также тех сухопутных организмов, чья диета в основном состояла из морской пищи. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влиянием этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах, было достигнуто не сразу. Таким образом, использование радиоуглеродного метода без учёта этих эффектов и вносимых ими поправок способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетия), что часто происходило на ранних этапах развития метода, до 1970-х годов.

Радиоуглеродное датирование требует большой осторожности при выборе и подготовке образцов. В 2014 году Томас Хайэм с соавторами предположили, что опубликованные даты неандертальских артефактов ошибочны из-за загрязнения образцов «молодым углеродом»[14][15].

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также специфику накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, возраст которых заведомо известен. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология. Процедура соединения радиоуглеродного и дендрохронологического датирования получила название wiggle matching[en] (метод согласования вариаций или метод стыковки флуктуаций) и позволяет получить более узкий диапазон, чем даёт калибровочная кривая, попадающая на плато (см. например гальштатское плато[en])[16]. Отчётливый изотопный след от солнечной бури 993/994 года[en] был обнаружен в архивах годовых колец со всего мира[17] (см. События Мияке). Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Сейчас в качестве стандартной калибровочной кривой используется IntCal, первая версия которой опубликована в 1998 году (см. рис.)[10]. Следующие уточнённые версии калибровочной кривой, используемой для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, опубликованы в 2004, 2009[18] и 2013 году. Калибровочная кривая IntCal13 построена отдельно для северного и южного (SHCal13) полушарий, она охватывает последние 50 000 лет и получена на основании тысяч измерений точно датируемых древесных колец деревьев (последние 12 000 лет), годовых приростов кораллов и отложений фораминифер. Сравнение отложений на дне японского озера Суйгецу за период с 12 000 до 40 тысяч лет назад с информацией, полученной дендрохронологами при анализе древесных колец, привело к внесению поправок, сдвинувших данные в прошлое на 300—400 лет[19][20]. Калибровка для морских объектов выполняется по отдельной кривой Marine13, поскольку скорость обмена углерода в морском резервуаре медленнее атмосферного.

В своём современном виде благодаря созданию калибровочных шкал IntCal20, SHCal20 и Marine20 на историческом интервале (от десятков лет до 55 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

По состоянию на 2019 год предельная точность радиоуглеродного датирования составляет 15 лет (два стандартных отклонения, доверительная вероятность 95 %), при этом для большинства временных периодов за последние три тысячи лет погрешность измерения, обусловленная погрешностями калибровочной кривой, составит не менее 50 лет, а за последние десять тысяч лет — не менее 100 лет. Меньшая погрешность достигается в периоды, когда содержание 14С в атмосфере относительно быстро изменяется (крутые участки калибровочной кривой), тогда как на пологих участках калибровочной кривой чувствительность метода хуже. Погрешность зависит также от состояния образцов и от в химического окружения, в котором они находились. При профессиональной экспертизе радиоуглеродным методом эксперт обычно указывает доверительный интервал, в рамках которого находится погрешность определяемого возраста конкретного образца[9].

Следует отметить, что в определении радиоуглеродного возраста с использованием калибровочной кривой используется условный «период полураспада Либби» для 14C, равный по соглашению 5568 годам. Он отличается от периода полураспада 5,70 ± 0,03 тыс. лет, усреднённого по наиболее точным лабораторным измерениям и цитируемого в ядерно-физических базах данных[6]. Это соглашение принято в 1962 году, чтобы сохранить совместимость с ранними работами. Отличие условного периода полураспада от действительного уже учтено в калибровочных кривых, так что получаемый по ним калиброванный радиоуглеродный возраст согласован с абсолютной астрономической шкалой времени (но это не так для условного «некалиброванного» или «конвенционального» возраста, входного параметра калибровочной кривой)[21].

Критика метода[править | править код]

Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, в околонаучных публикациях и в Интернете встречается критика этого метода, ставящая под сомнение правомерность его применения для датирования исторических артефактов (в особенности более позднего периода). Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками «научного креационизма», «Новой хронологии» и других псевдонаучных концепций. Некоторые примеры возражений против радиоуглеродного датирования приведены в разделе Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко. Обычно такая критика радиоуглеродного анализа основывается на самых ранних научных публикациях, отражавших состояние методологии в 1960-х годах, и на непонимании основ метода и особенностей калибровки[22].

Влияние выброса ископаемого углерода[править | править код]

В 2015 году Х. Грейвен (Имперский колледж Лондона) подсчитал[23], что дальнейшее сжигание ископаемого топлива в существующем темпе из-за эмиссии в атмосферу «древнего» углерода приведёт к неотличимости по радиоуглеродному методу современных образцов от более древних[24][25] (хотя на образцы, возникшие до индустриализации и не обменивающиеся углеродом с атмосферой, этот эффект, разумеется, не влияет). В настоящее время выброс в атмосферу ископаемого углерода приводит к кажущемуся «старению» атмосферного углерода примерно на 30 лет в год[23].

См. также[править | править код]

Литература[править | править код]

  • Герасимов И. П. Радиоуглеродные исследования Радиометрической лаборатории Института географии АН СССР: Сообщ. 1-5: // Бюллетень Комиссии по изучению четвертичного периода. Сообщ. 1: 1975. № 44. С. 154—159; Сообщ. 2: 1976. № 46. С. 185—189; Сообщ. 3: 1979. № 49. С. 179—187; Сообщ. 4: 1980. № 50. С. 206—213; Сообщ. 5: 1983. № 52. С. 205—211.
  • Вагнер Г. А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории: Учебник. — М.: Техносфера, 2006. — 534 с. — ISBN 5-94836-037-7.
  • Короновский Н. В. Общая геология: Учебник. — 2-е изд. — М.: Издательство «КДУ», 2010. — С. 122—124. — 526 с. — ISBN 978-5-98227-682-7.
  • Том Хайэм. Мир до нас. Новый взгляд на происхождение человека = Tom Higham. The World Before Us: How Science is Revealing a New Story of Our Human Origins. — М.: Альпина нон-фикшн, 2024. — С. 396. — ISBN 978-5-00139-672-7.
  • Currie L. The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II (англ.) // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.. — 2004. — Vol. 109. — P. 185—217..

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Reimer P. J. et al. The IntCal20 Northern Hemisphere Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 cal kBP) (англ.) // Radiocarbon. — 2020. — Vol. 62, no. 4. — P. 725—757. — ISSN 0033-8222. — doi:10.1017/RDC.2020.41. [исправить]
  2. ↑ Hogg A. G. et al. SHCal20 Southern Hemisphere Calibration, 0–55,000 Years cal BP (англ.) // Radiocarbon. — 2020. — Vol. 62, no. 4. — P. 759—778. — ISSN 0033-8222. — doi:10.1017/RDC.2020.59. [исправить]
  3. ↑ Heaton T. J. et al. Marine20—The Marine Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55,000 cal BP) (англ.) // Radiocarbon. — 2020. — Vol. 62, no. 4. — P. 779—820. — ISSN 0033-8222. — doi:10.1017/RDC.2020.68. [исправить]
  4. ↑ van der Plicht J. et al. Recent developments in calibration for archaeological and environmental samples (англ.) // Radiocarbon. — 2020. — P. 1—23. — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755. — doi:10.1017/RDC.2020.22.
  5. ↑ 1 2 Кузьмин Я. В. Новая калибровочная шкала радиоуглеродных дат IntCal20 и ее возможности (11 сентября 2020). Дата обращения: 17 апреля 2022. Архивировано 2 марта 2021 года.
  6. ↑ 1 2 Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.Открытый доступ
  7. ↑ Casanova E. et al. Accurate compound-specific 14C dating of archaeological pottery vessels (англ.) // Nature. — 2020. — Vol. 580. — P. 506—510.
  8. ↑ Археология в 2020 году: десять интересных событий (обзор подготовил Е. Антонов) // Наука и жизнь. — 2021. — № 2. — С. 13.
  9. ↑ 1 2 Svetlik I. et al. The Best possible Time resolution: How precise could a Radiocarbon dating method be? (англ.) // Radiocarbon. — 2019. — Vol. 61, iss. 6. — P. 1729–1740. — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755. — doi:10.1017/RDC.2019.134. Архивировано 29 января 2022 года. Открытый доступ
  10. ↑ 1 2 Stuiver M., Reimer P. J., Braziunas T. F. High-precision radiocarbon age calibration for terrestrial and marine samples (англ.) // Radiocarbon. — 1998. — Vol. 40, iss. 3. — P. 1127—1151. Архивировано 12 июня 2022 года. Открытый доступ
  11. ↑ Heaton T. J. et al. The IntCal20 Approach to Radiocarbon Calibration Curve Construction: A New Methodology Using Bayesian Splines and Errors-in-Variables (англ.) // Radiocarbon. — 2020. — Vol. 62, iss. 4. — P. 821—863. — doi:10.1017/RDC.2020.46. Архивировано 5 ноября 2020 года. Открытый доступ
  12. ↑ Г. А. Вагнер, с. 164.
  13. ↑ Характерное время гомогенизации углерода в океанах порядка 1000 лет.
  14. ↑ Higham, T.; et al. (2014). «The timing and spatiotemporal patterning of Neanderthal disappearance». Nature. 512 (7514): 306—309. Bibcode:2014Natur.512..306H. doi:10.1038/nature13621. PMID 25143113. S2CID 205239973.
  15. ↑ Хайэм, 2024, с. 35.
  16. ↑ Как улучшить точность радиоуглеродного анализа? Дата обращения: 25 февраля 2023. Архивировано 25 февраля 2023 года.
  17. ↑ Margot Kuitems et al. Evidence for European presence in the Americas in ad 1021 Архивная копия от 7 ноября 2021 на Wayback Machine // Nature, 20 October 2021
  18. ↑ IntCal09 Supplemental Data. Дата обращения: 27 марта 2010. Архивировано из оригинала 16 февраля 2010 года.
  19. ↑ Новая хронология от Суйгецу. Дата обращения: 27 октября 2012. Архивировано 4 февраля 2022 года.
  20. ↑ Bronk Ramsey C. et al. A Complete Terrestrial Radiocarbon Record for 11.2 to 52.8 kyr B.P. (англ.) // Science. — Vol. 338. — Iss. 6105. — P. 370—374. — doi:10.1126/science.1226660. Архивировано 24 сентября 2015 года.
  21. ↑ Bowman S. Radiocarbon Dating (англ.). — London: British Museum Press, 1995. — ISBN 978-0-7141-2047-8.
  22. ↑ Левченко В. О «радиоуглероде глазами Фоменко» и «научных» основах Новой Хронологии: полемические заметки Архивная копия от 18 июня 2010 на Wayback Machine
  23. ↑ 1 2 Graven Heather D. Impact of fossil fuel emissions on atmospheric radiocarbon and various applications of radiocarbon over this century // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2015. — 20 июля (т. 112, № 31). — С. 9542—9545. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.1504467112. [исправить]
  24. ↑ [1]. Архивировано 6 августа 2015 года.
  25. ↑ [2]. Архивировано 27 июля 2015 года.

Ссылки[править | править код]

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Радиоуглеродное_датирование&oldid=135483051