Соображения о радиоуглеродном датировании

Вариация в ¹⁴
С / ¹²
Соотношение С в разных частях углеродообменного резервуара означает, что простой расчет возраста образца на основе количества ¹⁴
C, который он содержит, часто дает неправильный результат. Есть еще несколько возможных источников ошибок, которые необходимо учитывать. Ошибки бывают четырех основных типов:

• Вариации в ¹⁴
  С / ¹²
  Соотношение углерода в атмосфере как географически, так и во времени.
• Изотопное фракционирование
• Вариации в ¹⁴
  С / ¹²
  Соотношение С в разных частях водоема
• Загрязнение

Атмосферные изменения

В первые годы использования этой техники было понятно, что она зависит от атмосферных условий. ¹⁴
С / ¹²
Соотношение C оставалось неизменным в течение предыдущих нескольких тысяч лет. Чтобы проверить точность метода, было протестировано несколько артефактов, датированных другими методами; Результаты тестирования находились в разумном соответствии с истинным возрастом объектов. Однако в 1958 году Хессель де Врис смог продемонстрировать, что ¹⁴
С / ¹²
Соотношение C со временем изменилось в результате тестирования образцов древесины известного возраста и показало значительное отклонение от ожидаемого соотношения. Это несоответствие, часто называемое эффектом де Фриза, было разрешено путем изучения годичных колец . Сравнение перекрывающихся серий годичных колец позволило построить непрерывную последовательность данных годичных колец, охватывающую 8000 лет. (С тех пор ряд данных о годичных кольцах был расширен до 13 900 лет.) Радиоуглеродное датирование древесины по самим древесным кольцам обеспечило необходимую проверку атмосферных воздействий. ¹⁴
С / ¹²
Соотношение C : с образцом известной даты и измерением значения N (количества атомов ¹⁴
C, оставшийся в образце), уравнение углеродного датирования позволяет рассчитать N ₀ – количество атомов ¹⁴
C в образце в момент формирования древесного кольца – и, следовательно, ¹⁴
С / ¹²
Соотношение C в атмосфере в то время. Вооружившись результатами радиоуглеродного датирования годичных колец, стало возможным построить калибровочные кривые, предназначенные для исправления ошибок, вызванных изменением во времени колец деревьев. ¹⁴
С / ¹²
С. Коэффициент Эти кривые описаны более подробно ниже .

Существуют три основные причины таких различий в исторических событиях. ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент C : колебания скорости, с которой ¹⁴
Создан C , изменения, вызванные оледенением, и изменения, вызванные деятельностью человека.

Вариации в ¹⁴
С Производство

В серии колец деревьев можно увидеть две разные тенденции. Во-первых, существует долговременное колебание с периодом около 9000 лет, из-за которого радиоуглеродные даты оказываются старше истинных дат за последние 2000 лет и слишком молодыми до этого. Известные колебания напряженности магнитного поля Земли вполне совпадают с этим колебанием: космические лучи отклоняются магнитными полями, поэтому при наличии более слабого магнитного поля более ¹⁴
C Образуется , что приводит к более молодому кажущемуся возрасту образцов этих периодов. И наоборот, более сильное магнитное поле приводит к снижению ¹⁴
Производство C и более старший видимый возраст. Считается, что вторичное колебание вызвано изменениями активности солнечных пятен, которая имеет два отдельных периода: более долгосрочное 200-летнее колебание и более короткий 11-летний цикл. Солнечные пятна вызывают изменения в магнитном поле Солнечной системы и соответствующие изменения в потоке космических лучей и, следовательно, в производстве ¹⁴
С. ​

Существует два типа геофизических событий, которые могут повлиять на ¹⁴
Производство углерода : геомагнитные инверсии и отклонения полярности . При инверсии геомагнитного поля геомагнитное поле Земли ослабевает и остается слабым в течение тысяч лет во время перехода к противоположной магнитной полярности, а затем восстанавливает силу по мере завершения инверсии. Изменение полярности, которое может быть как глобальным, так и локальным, представляет собой кратковременную версию геомагнитного разворота. Местная экскурсия не окажет существенного влияния на производство 14C. Во время либо геомагнитного разворота, либо глобального отклонения полярности, ¹⁴
Производство углерода увеличивается в период, когда геомагнитное поле слабое. Однако совершенно очевидно, что за последние 50 000 лет не было никаких геомагнитных инверсий или глобальных отклонений полярности.

Поскольку магнитное поле Земли меняется в зависимости от широты, скорость ¹⁴
Производство углерода также меняется в зависимости от широты, но атмосферное перемешивание происходит достаточно быстро, поэтому эти изменения составляют менее 0,5% глобальной концентрации. Это близко к пределу обнаруживаемости в большинстве лет. но эффект можно ясно увидеть в годичных кольцах, например, в 1963 году, когда ¹⁴
Уровень углерода от ядерных испытаний резко вырос в течение года. Широтное изменение в ¹⁴
В тот год C был намного больше обычного, и годичные кольца на разных широтах демонстрируют соответствующие различия в своих размерах. ¹⁴
С. Содержание

¹⁴
C также может производиться на уровне земли, прежде всего за счет космических лучей, проникающих в атмосферу до земной поверхности, а также за счет спонтанного деления встречающегося в природе урана. Эти источники нейтронов производят только ¹⁴
С из расчета 1 х 10 ⁻⁴ атомов на грамм в секунду, чего недостаточно, чтобы оказать существенное влияние на датировку. На больших высотах поток нейтронов может быть существенно выше, Кроме того, деревья на большей высоте с большей вероятностью будут поражены молнией, которая производит нейтроны. Однако эксперименты, в которых образцы древесины были облучены нейтронами, показывают, что влияние на ¹⁴
Содержание углерода незначительно, хотя для очень старых деревьев (например, некоторых щетинистых сосен ), растущих на высоте, можно заметить некоторый эффект.

Влияние климатических циклов

Поскольку растворимость CO
₂ содержание воды увеличивается с понижением температуры, ледниковые периоды привели бы к более быстрому поглощению атмосферного CO.
₂ у океанов. Кроме того, любой углерод, хранящийся в ледниках, будет истощен в ¹⁴
C в течение жизни ледника; когда ледник растает по мере потепления климата, обедненный углерод будет высвобожден, что уменьшит глобальное загрязнение окружающей среды. ¹⁴
С / ¹²
С. Коэффициент Изменения климата также вызовут изменения в биосфере: более теплые периоды приведут к увеличению количества растений и животных. Влияние этих факторов на радиоуглеродное датирование неизвестно.

Последствия человеческой деятельности

подпись = Атмосфера ¹⁴
C для северного и южного полушарий, что показывает процентное превышение уровня над уровнем до взрыва. Договор о частичном запрещении ядерных испытаний вступил в силу 10 октября 1963 года.

Уголь и нефть начали сжигать в больших количествах в 1800-х годах. И уголь, и нефть достаточно стары и содержат мало обнаруживаемых веществ. ¹⁴
C и, как следствие, CO
₂ выпущен существенно разбавил атмосферность ¹⁴
С / ¹²
С. Коэффициент Таким образом, датировка объекта началом 20 века дает кажущуюся дату старше истинной. По той же причине, ¹⁴
Концентрации углерода в окрестностях крупных городов ниже, чем в среднем в атмосфере. Этот эффект ископаемого топлива (также известный как эффект Зюсса, в честь Ганса Зюсса , который впервые сообщил о нем в 1955 году) составит всего лишь 0,2% сокращения выбросов. ¹⁴
Активность углерода , если бы дополнительный углерод из ископаемого топлива был распределен по всему углеродообменному резервуару, но из-за длительной задержки смешивания с глубинами океана фактический эффект снижается на 3%.

Гораздо больший эффект дают наземные ядерные испытания, в результате которых было выброшено большое количество нейтронов и созданы ¹⁴
С. ​Примерно с 1950 по 1963 год, когда атмосферные ядерные испытания были запрещены, по оценкам, несколько тонн ¹⁴
C были созданы. Если все это дополнительно ¹⁴
Если бы С немедленно распространился по всему углеродообменному резервуару, это привело бы к увеличению ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент C составил всего лишь несколько процентов, но немедленный эффект заключался в почти удвоении количества ¹⁴
С в атмосфере, причем пиковый уровень пришелся примерно на 1965 год. С тех пор уровень упал, поскольку «бомбовый углерод» (как его иногда называют) просачивается в остальную часть резервуара.

Изотопное фракционирование

Фотосинтез — это основной процесс, посредством которого углерод перемещается из атмосферы в живые существа. Существуют два разных процесса фотосинтеза: путь C3 и путь C4 . Около 90% всей растительной жизни использует процесс C3; Остальные заводы либо используют C4, либо являются заводами CAM , которые могут использовать либо C3, либо C4 в зависимости от условий окружающей среды. Оба пути фотосинтеза C3 и C4 отдают предпочтение более легкому углероду, причем ¹²
C усваивается немного легче, чем ¹³
C , который, в свою очередь, легче усваивается, чем ¹⁴
С. ​Дифференциальное поглощение трех изотопов углерода приводит к ¹³
С / ¹²
С и ¹⁴
С / ¹²
Соотношения углерода в растениях отличаются от соотношений в атмосфере. Этот эффект известен как изотопное фракционирование.

Чтобы определить степень фракционирования, происходящего в данном растении, количества обоих ¹²
С и ¹³
C измеряются, и полученные ¹³
С / ¹²
Затем соотношение C сравнивается со стандартным соотношением, известным как PDB. ( ¹³
С / ¹²
Коэффициент C используется потому, что его гораздо легче измерить, чем ¹⁴
С / ¹²
C и соотношение ¹⁴
С / ¹²
Из него можно легко получить соотношение C. ) Полученное значение, известное как δ ¹³ C , рассчитывается следующим образом:

${\ce {\delta ^{13}C}}=\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{{\ce {sample}}}}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{{\ce {PDB}}}}}-1\right)\times 1000$ ‰

где знак ‰ ( промил ) указывает на тысячные части. Поскольку стандарт PDB содержит необычно высокую долю ¹³
С , наиболее измеренное δ ¹³ Значения C отрицательны. Значения для растений C3 обычно варьируются от -30 ‰ до -22 ‰, в среднем -27 ‰; для растений C4 диапазон составляет от -15 ‰ до -9 ‰, а среднее значение составляет -13 ‰. Атмосферный CO
₂ имеет δ ¹³ C -8‰.

Овцы на пляже в Норт-Роналдсей . Зимой эти овцы едят морские водоросли, у которых более высокое значение δ. ¹³ Содержание C выше, чем в траве; образцы от этих овец имеют δ ¹³ Значение C около −13‰, что намного выше, чем у овец, питающихся травами.

Для морских организмов детали реакций фотосинтеза изучены хуже. Измеренное δ ¹³ Значения C для морского планктона колеблются от -31 ‰ до -10 ‰; большинство из них лежит между -22 ‰ и -17 ‰. δ ​ ¹³ Значения C для морских фотосинтезирующих организмов также зависят от температуры. При более высоких температурах CO
₂ плохо растворяется в воде, а значит, меньше CO.
₂ доступны для реакций фотосинтеза. В этих условиях фракционирование снижается, а при температуре выше 14 °С δ ¹³ Значения C соответственно выше и достигают −13‰. При более низких температурах CO
₂ становится более растворимым и, следовательно, более доступным для морских организмов; фракционирование увеличивается и δ ¹³ Значения C могут достигать -32 ‰.

δ ​ ¹³ Значение C для животных зависит от их рациона. Животное, питающееся пищей с высоким δ ¹³ C Значения будут иметь более высокое δ ¹³ C, чем тот, кто ест пищу с более низким δ ¹³ С. Значения Собственные биохимические процессы животного также могут влиять на результаты: например, и костные минералы, и костный коллаген обычно имеют более высокую концентрацию ¹³
C, чем содержится в рационе животных, хотя и по другим биохимическим причинам. Обогащение кости ¹³
C также подразумевает, что выделяемый материал истощается в ¹³
C относительно диеты.

С ¹³
C составляет около 1% углерода в образце, ¹³
С / ¹²
Соотношение C можно точно измерить с помощью масс-спектрометрии . Типичные значения δ ¹³ C были обнаружены экспериментально для многих растений, а также для различных частей животных, таких как костный коллаген , но при датировании данного образца лучше определить δ ¹³ Значение C для этого образца напрямую, чем полагаться на опубликованные значения. Истощение ¹³
С относительно ¹²
C пропорционален разнице атомных масс двух изотопов, поэтому, как только δ ¹³ Значение C известно, истощение ¹⁴
C можно вычислить: это будет вдвое больше истощения ¹³
С. ​

Углеродный обмен между атмосферным CO
₂ и карбонат на поверхности океана также подвергаются фракционированию, при этом ¹⁴
C в атмосфере более вероятен, чем ¹²
C раствориться в океане. Результатом является общее увеличение ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент углерода в океане 1,5% по отношению к ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент C в атмосфере. Это увеличение ¹⁴
Концентрация C почти точно компенсирует уменьшение, вызванное подъемом воды (содержащей старые, а значит, и ¹⁴
обедненный углерод, углерод) из глубин океана, так что прямые измерения ¹⁴
Излучение C аналогично измерениям для остальной части биосферы. Поправка на изотопное фракционирование, как это делается для всех радиоуглеродных дат, чтобы обеспечить сравнение результатов из разных частей биосферы, дает видимый возраст поверхностных вод океана около 400 лет.

Эффекты резервуара

Первоначальная гипотеза обменного резервуара Либби предполагала, что ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент углерода в обменном резервуаре постоянен во всем мире, но с тех пор было обнаружено, что существует несколько причин изменения соотношения в резервуаре.

Морской эффект

СО ​
₂ в атмосфере переносится в океан путем растворения в поверхностных водах в виде ионов карбоната и бикарбоната; в то же время ионы карбоната в воде возвращаются в воздух в виде CO.
₂ . Этот процесс обмена приносит ¹⁴
C из атмосферы в поверхностные воды океана, но ¹⁴
Внесенному таким образом С требуется много времени, чтобы проникнуть через весь объем океана. Самые глубокие части океана очень медленно смешиваются с поверхностными водами, причем перемешивание, как известно, неравномерно. Основным механизмом вывода глубокой воды на поверхность является апвеллинг. Апвеллинг чаще встречается в регионах, расположенных ближе к экватору; на него также влияют другие факторы, такие как топография местного дна и береговой линии океана, климат и характер ветра. В целом смешивание глубинных и поверхностных вод занимает гораздо больше времени, чем смешивание атмосферного CO.
₂ с поверхностными водами, и в результате вода из некоторых глубоководных районов океана имеет кажущийся радиоуглеродный возраст в несколько тысяч лет. В результате апвеллинга эта «старая» вода смешивается с поверхностными водами, в результате чего возраст поверхностных вод составляет около нескольких сотен лет (с поправкой на фракционирование). Этот эффект неоднороден — средний эффект составляет около 440 лет, но имеются локальные отклонения в несколько сотен лет для территорий, географически близких друг к другу. Этот эффект также распространяется на морские организмы, такие как ракушки, и морские млекопитающие, такие как киты и тюлени, радиоуглеродный возраст которых оценивается в сотни лет. Эти эффекты морских резервуаров различаются как во времени, так и географически; например, есть свидетельства того, что во время Младшего дриаса , периода холодных климатических условий около 12 000 лет назад, кажущаяся разница между возрастом поверхностных вод и современной атмосферой увеличилась с 400 до 600 лет примерно до 900 лет, пока климат не изменился. снова потеплело.

Эффект жесткой воды

Если углерод в пресной воде частично усваивается из состаренного углерода, например, из горных пород, то результатом будет снижение содержания углерода в пресной воде. ¹⁴
С / ¹²
Соотношение С в воде. Например, реки, протекающие по известняку , который в основном состоит из карбоната кальция , приобретут ионы карбоната. Точно так же грунтовые воды могут содержать углерод, полученный из горных пород, через которые он прошел. Эти породы обычно настолько стары, что уже не содержат никаких измеримых веществ. ¹⁴
C , поэтому этот углерод снижает ¹⁴
С / ¹²
Соотношение углерода в воде, в которую он попадает, что может привести к видимому возрасту в тысячи лет как для затронутой воды, так и для растений и пресноводных организмов, которые в ней живут. Это известно как эффект жесткой воды , поскольку он часто связан с ионами кальция, характерными для жесткой воды; однако могут быть и другие источники углерода, оказывающие тот же эффект, например, гумус . Эффект не обязательно ограничивается пресноводными видами: в устье реки сток может повлиять на морские организмы. Это также может повлиять на наземных улиток, которые питаются в районах с высоким содержанием мела, хотя для наземных растений в почве с высоким содержанием карбонатов не обнаружено измеримого эффекта — похоже, что почти весь углерод для этих растений образуется в результате фотосинтеза. и не из почвы.

Невозможно определить эффект эффекта, определив жесткость воды: состарившийся углерод не обязательно сразу же попадает в пораженные растения и животные, и задержка влияет на их видимый возраст. Эффект очень изменчив, и общего смещения, которое можно было бы применить, не существует; Обычный способ определить величину эффекта — измерить видимое смещение возраста современной выборки.

Вулканы

Извержения вулканов выбрасывают в воздух большое количество углерода. Углерод имеет геологическое происхождение и не обнаруживается. ¹⁴
С , поэтому ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент углерода в окрестностях вулкана понижен по сравнению с прилегающими территориями. Спящие вулканы также могут выделять старый углерод. Растения, фотосинтезирующие этот углерод, также имеют более низкий уровень ¹⁴
С / ¹²
Соотношения C : например, растения на греческом острове Санторини , недалеко от вулкана, имеют возраст до тысячи лет. Эти последствия трудно предсказать — город Акротири на Санторини был разрушен в результате извержения вулкана тысячи лет назад, но радиоуглеродный анализ объектов, обнаруженных на руинах города, показывает удивительно близкое совпадение с датами, полученными другими способами. Если даты Акротири подтвердятся, это будет указывать на то, что вулканическое воздействие в данном случае было минимальным.

Эффект полушария

В северном и южном полушариях существуют системы атмосферной циркуляции , которые настолько независимы друг от друга, что между ними существует заметная задержка во времени. Атмосферный ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент C ниже в южном полушарии, с очевидным дополнительным возрастом на 30 лет по результатам радиоуглеродного анализа с юга по сравнению с севером. Вероятно, это связано с тем, что большая площадь поверхности океана в южном полушарии означает, что между океаном и атмосферой происходит больший обмен углерода, чем на севере. Поскольку поверхность океана обеднена ¹⁴
C из-за морского эффекта, ¹⁴
C удаляется из южной атмосферы быстрее, чем из северной.

Островной эффект

Было высказано предположение, что может существовать «эффект острова» по аналогии с механизмом, который, как считается, объясняет эффект полушария: поскольку острова окружены водой, обмен углерода между водой и атмосферой может уменьшить ¹⁴
С / ¹²
Коэффициент C на острове. Однако внутри полушария атмосферное перемешивание происходит достаточно быстро, поэтому такого эффекта не существует: две калибровочные кривые, собранные в лабораториях Сиэтла и Белфаста, с результатами, полученными для североамериканских и ирландских деревьев соответственно, находятся в близком согласии вместо ирландских образцов. выглядит старше, как это было бы в случае островного эффекта.

Загрязнение

Любое добавление углерода в образец другого возраста приведет к неточной дате измерения. Загрязнение современным углеродом приводит к тому, что образец кажется моложе, чем он есть на самом деле: эффект сильнее для более старых образцов. Если образец, которому на самом деле 17 000 лет, загрязнен так, что 1% образца на самом деле представляет собой современный углерод, он окажется на 600 лет моложе; для образца возрастом 34 000 лет такое же количество загрязнения вызовет ошибку в 4 000 лет. Загрязнение старым углеродом, без остатков ¹⁴
C вызывает ошибку в другом направлении, которая не зависит от возраста: образец, загрязненный 1% старого углерода, будет выглядеть примерно на 80 лет старше, чем он есть на самом деле, независимо от даты образца.

Загрязнение может произойти, если образец соприкасается с материалами, содержащими углерод, или упаковывается в них. Вата, сигаретный пепел, бумажные этикетки, тканевые пакеты и некоторые консервирующие химикаты, такие как поливинилацетат, могут быть источниками современного углерода. Этикетки следует наклеивать снаружи контейнера, а не помещать внутрь пакета или флакона с образцом. Вместо ваты в качестве упаковочного материала допускается использование стекловаты. По возможности образцы следует упаковывать в стеклянные флаконы или алюминиевую фольгу; полиэтиленовые пакеты также допустимы, но некоторые виды пластика, например ПВХ, могут загрязнять пробу. Загрязнение также может произойти до отбора пробы: гуминовые кислоты или карбонаты из почвы могут попадать в пробу, а для некоторых типов проб, например, ракушек, существует возможность обмена углерода между пробой и окружающей средой, что приводит к истощению запасов пробы. ¹⁴
С. Содержание

Ссылки

• Эйткен, MJ (1990). Научно-обоснованное датирование в археологии . Лондон: Лонгман. ISBN  978-0-582-49309-4 .
• Боуман, Шеридан (1995) [1990]. Радиоуглеродное датирование . Лондон: Издательство Британского музея. ISBN  978-0-7141-2047-8 .
• Берк, Хизер; Смит, Клэр; Циммерман, Ларри Дж. (2009). Полевой справочник археолога (североамериканское издание). Лэнхэм, Мэриленд: АльтаМира Пресс. ISBN  978-0-7591-0882-0 .
• Кронин, Томас М. (2010). Палеоклиматы: понимание изменения климата в прошлом и настоящем . Нью-Йорк: Издательство Колумбийского университета. ISBN  978-0-231-14494-0 .
• Шилар, Ян (2004). «Применение радионуклидов окружающей среды в радиохронологии: Радиоуглерод». В Тыкве Ричард; Берг, Дитер (ред.). Техногенная и естественная радиоактивность в загрязнении окружающей среды и радиохронология . Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. стр. 150–179. ISBN  978-1-4020-1860-2 .
• Либби, Уиллард Ф. (1965) [1952]. Радиоуглеродное датирование (2-е (1955 г.) изд.). Чикаго: Феникс.
• Маслин, Марк А.; Суонн, Джордж Э.А. (2006). «Изотопы в морских отложениях». В Ленг, Мелани Дж. (ред.). Изотопы в палеоэкологических исследованиях . Дордрехт: Спрингер. стр. 227–290. ISBN  978-1-4020-2503-7 .
• Рассказов Сергей В.; Брандт Сергей Борисович; Брандт, Иван С. (2009). Радиогенные изотопы в геологических процессах . Дордрехт: Спрингер. ISBN  978-90-481-2998-0 .
• Шёнингер, Маргарет Дж. (2010). «Реконструкция диеты и экология с использованием соотношений стабильных изотопов». В Ларсене, Кларк Спенсер (ред.). Компаньон биологической антропологии . Оксфорд: Блэквелл. стр. 445–464. ISBN  978-1-4051-8900-2 .
• Зюсс, HE (1970). «Калибровка радиоуглеродной шкалы времени от 5200 г. до н.э. до наших дней». В Олссоне, Ингрид У. (ред.). Радиоуглеродные вариации и абсолютная хронология . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. стр. 303–311.