Радиоуглеродное датирование

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

Радиоуглеро́дный ана́лиз — разновидность радиоизотопной датировки, применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа ¹⁴C по отношению к стабильным изотопам углерода. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960).

Физические основания

Основная статья: Углерод-14

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

Углерод, являющийся одной из основных составляющих 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:

$n+\mathrm {^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm {^{14}_{6}C} +p.$

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 подвержен β-распаду с периодом полураспада T_1/2 = 5730±40 лет:

$\mathrm {^{14}_{6}C} \rightarrow \mathrm {^{14}_{7}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.$

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 соответствует атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет примерно 0,3 распада в секунду 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.

Применение

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 2010 год предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, то есть около 10 периодов полураспада ¹⁴C. За это время содержание ¹⁴C уменьшается примерно в 1000 раз (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 углеродосодержащими 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. Погрешность метода в настоящее время находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

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 века. 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

Калибровочная кривая 1998 года, использовавшаяся при радиоуглеродном датировании (Stuiver et al. 1998)

Уточнённая калибровочная кривая 2013 года IntCal13 для диапазона 0—50000 лет до настоящего времени, северное полушарие (Reimer et al. 2013)

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-х—60-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, возникший с началом промышленной революции в 19 веке.

Два последних фактора делают невозможным проведение точных радиоуглеродных датировок у образцов 20-го 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). Ещё один важный эффект (резервуарный эффект) — замедленное достижение радиоуглеродного равновесия в Мировом океане из-за его медленного 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.

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, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология. 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.). Следующие уточнённые версии калибровочной кривой, используемой для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, опубликованы в 2004, 2009 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. Калибровка для морских объектов выполняется по отдельной кривой Marine13, поскольку скорость обмена углерода в морском резервуаре медленнее атмосферного.

Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60—70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

Критика метода

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 методы его применения для датирования исторических артефактов (в особенности более позднего периода). Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками креационизма, «Новой хронологии» и т.п. 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, отражающих состояние методологии в 1960-х годах и на непонимании основ метода и особенностей калибровки.

В 2015 году учёные из Имперского колледжа Лондона подсчитали, что дальнейшее использование углеводородов сведёт на нет радиоуглеродный метод.

См. также

• Оптическое датирование
• Термолюминесцентное датирование

Литература

• Вагнер Г. А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории. — М.: Техносфера, 2006.

Ссылки

• Е. Н. Черных, Н. Б. Черных. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
• Методика отбора проб для радиоуглеродного и дендрохронологического анализа. Учебное пособие
• В.Левченко. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.
• В. А. Дергачев. Радиоуглеродный хронометр зеркало.
• Новый метод радиоуглеродного датирования артефактов не уничтожает
• Программа для калибровки радиоуглеродного возраста OxCal
• Б. Ф. Хасанов. О радиоуглеродном методе датирования
• L. Currie «The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II». J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109 (2004) 185—217.