Семьдесят лет назад американский химик Уиллард Либби изобрел оригинальный метод для датирования органических материалов. Его техника, известная как датирование углерода, произвела революцию в области археологии.
Связанный контент
- Изменение климата может сломать углеродные знакомства
Теперь исследователи могли точно рассчитать возраст любого объекта, изготовленного из органических материалов, наблюдая, сколько осталось определенной формы углерода, а затем вычисляя в обратном направлении, чтобы определить, когда погибло растение или животное, из которого получен материал. Эта техника, получившая Нобелевскую премию Либби в 1960 году, позволила исследователям датировать татуировки на древних мумиях, установить, что в британской библиотеке хранится один из старейших в мире Коранов, и выяснить, что большая часть приобретенной слоновой кости происходит от слонов, убитых в течение последних трех лет. года.
Сегодня количество двуокиси углерода, которую люди закачивают в атмосферу Земли, угрожает исказить точность этой техники для будущих археологов, которые смотрят в наше время. Это потому, что ископаемое топливо может сдвинуть эпоху радиоуглерода новых органических материалов сегодня, что делает их трудно отличимыми от древних. К счастью, исследование, опубликованное вчера в журнале Environmental Research Letters, предлагает способ сохранить работу Либби и оживить эту важную технику датирования: просто взглянуть на другой изотоп углерода.
Изотоп - это форма элемента с определенным числом нейтронов, которые являются субатомными частицами, обнаруженными в ядре атома, который не имеет заряда. Хотя число протонов и электронов в атоме определяет, что это за элемент, число нейтронов может широко варьироваться между различными атомами одного и того же элемента. Почти 99 процентов всего углерода на Земле - это углерод-12, то есть каждый атом имеет 12 нейтронов в своем ядре. Рубашка, которую вы носите, углекислый газ, который вы вдыхаете, а также животные и растения, которые вы едите, в основном состоят из углерода-12.
Углерод-12 является стабильным изотопом, то есть его количество в любом материале остается неизменным год за годом, столетие за столетием. Революционная методика радиоуглеродного датирования Либби вместо этого смотрела на гораздо более редкий изотоп углерода: углерод-14. В отличие от углерода-12, этот изотоп углерода нестабилен, и его атомы распадаются на изотоп азота в течение тысячелетий. Новый углерод-14 производится с постоянной скоростью в верхних слоях атмосферы Земли, однако, когда солнечные лучи падают на атомы азота.
Радиоуглеродное датирование использует этот контраст между стабильным и нестабильным изотопом углерода. В течение своей жизни растение постоянно поглощает углерод из атмосферы посредством фотосинтеза. Животные, в свою очередь, потребляют этот углерод, когда едят растения, и углерод распространяется по пищевому циклу. Этот углерод содержит устойчивое соотношение углерода-12 и углерода-14.
Когда эти растения и животные умирают, они перестают поглощать углерод. С этого момента количество углерода-14 в материалах, оставшихся от растения или животного, будет со временем уменьшаться, в то время как количество углерода-12 останется неизменным. Для радиоуглеродного датирования органического материала ученый может измерить соотношение оставшегося углерода-14 к неизмененному углероду-12, чтобы увидеть, сколько времени прошло с тех пор, как источник материала умер. Передовые технологии позволили точным датам радиоуглерода достичь всего за несколько десятилетий.
Углеродное датирование - отличный способ для археологов использовать естественные способы распада атомов. К сожалению, люди на грани того, чтобы все испортить.
Медленный, устойчивый процесс образования углерода-14 в верхних слоях атмосферы в последние века был затуманен людьми, выбрасывающими углерод из ископаемого топлива в воздух. Поскольку ископаемое топливо насчитывает миллионы лет, в нем больше нет измеримого количества углерода-14. Таким образом, когда миллионы тонн углерода-12 выбрасываются в атмосферу, устойчивое соотношение этих двух изотопов нарушается. В исследовании, опубликованном в прошлом году, лондонский физик из Имперского колледжа Хизер Грейвен указала, как эти дополнительные выбросы углерода искажают радиоуглеродные датировки.
К 2050 году новые образцы органического материала будут иметь ту же дату радиоуглерода, что и образцы 1000 лет назад, говорит Питер Келер, ведущий автор нового исследования и физик из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера. Продолжающиеся выбросы углекислого газа при сжигании ископаемого топлива еще больше повлияют на соотношение. «Через пару десятилетий мы не сможем различить, какой возраст радиоуглерода мы выберем или углерод может быть из прошлого или будущего», - говорит Келер.
Вдохновленный исследованиями Грейвена, Келер обратил свое внимание на другой естественный стабильный изотоп углерода: углерод-13. Хотя углерод-13 составляет чуть более 1 процента атмосферы Земли, растения поглощают его более крупные и тяжелые атомы с гораздо меньшей скоростью, чем углерод-12 во время фотосинтеза. Таким образом, углерод-13 содержится в очень низких количествах в ископаемом топливе, производимом растениями и животными, которые их едят. Другими словами, сжигание этих ископаемых видов топлива также снижает уровень углерода-13 в атмосфере.
Измеряя, искажены ли эти уровни углерода-13 в радиоуглеродном объекте, будущие ученые смогут узнать, не были ли уровни углерода-14 объекта искажены выбросами ископаемого топлива. Более низкий, чем ожидалось, уровень углерода-13 в объекте будет служить красным флагом, что его радиоуглеродной дате нельзя доверять. Затем исследователи могут игнорировать дату и попробовать другие способы датирования объекта.
«Вы ясно видите, что, если вы оказываете влияние на Углерод-14, который может дать вам довольно проблематичную возрастную характеристику, у вас также есть эта подпись в Углероде-13», - сказал Келер. «Таким образом, вы можете использовать Углерод-13, чтобы различать, затронут ли радиоуглерод и, следовательно, неправильный или нет».
Келер признает, что его техника не подойдет для материалов, извлеченных из глубоководных районов океана, где углерод медленно обменивается с остальной атмосферой, но он считает, что это поможет будущим археологам разобраться с остатками нашего загрязняющего века.
Палеоклиматолог Королевского университета Паула Реймер отмечает, что измерение углерода-13 часто не требуется, поскольку археологи обычно могут использовать осадочный слой, в котором был обнаружен объект, чтобы перепроверить его возраст. Но для объектов, обнаруженных в областях, где слои Земли нечеткие или не могут быть правильно датированы, эта техника может служить дополнительной проверкой. Работа Келера «дает некоторую уверенность в том, что [радиоуглеродное датирование] останется полезным для отдельных образцов в будущем», - говорит Реймер.
Примечание редактора: эта статья была обновлена и теперь включает в себя членство Питера Келера.
