Соображения относительно радиоуглеродного датирования

Этой статье нужно больше ссылок на другие статьи, чтобы помочь интегрировать ее в энциклопедию . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив ссылки, которые соответствуют контексту в существующем тексте. ( Февраль 2025 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

This article's lead section may be too short to adequately summarize the key points. Please consider expanding the lead to provide an accessible overview of all important aspects of the article. The reason given is: The current lede dives straight into technical details. Need to insert an orientation first paragraph saying what "radiocarbon dating" is and then what "carbon exchange reservoir" means. (February 2025)

Изменение в¹⁴
С /¹²
Соотношение C в различных частях резервуара углеродного обмена означает, что простой расчет возраста образца на основе количества¹⁴
C, который он содержит, часто будет давать неверный результат. Есть несколько других возможных источников ошибок, которые необходимо учитывать. Ошибки бывают четырех общих типов:

• Вариации в¹⁴
  С /¹²
  Соотношение углерода в атмосфере , как в географическом, так и в динамике по времени.
• Фракционирование изотопов
• Вариации в¹⁴
  С /¹²
  Соотношение С в различных частях водохранилища.
• Загрязнение

В первые годы использования этой технологии было понятно, что она зависит от атмосферных условий.¹⁴
С /¹²
отношение C оставалось неизменным на протяжении нескольких тысяч лет. Для проверки точности метода были протестированы несколько артефактов, которые можно было датировать другими методами; результаты тестирования находились в разумном соответствии с истинным возрастом объектов. Однако в 1958 году Хессель де Врис смог продемонстрировать, что¹⁴
С /¹²
Коэффициент C менялся с течением времени, путем тестирования образцов древесины известного возраста и показывая, что имелось значительное отклонение от ожидаемого коэффициента. Это несоответствие, часто называемое эффектом де Фриза, было разрешено путем изучения годичных колец . ^{[1] [2]} Сравнение перекрывающихся серий годичных колец позволило построить непрерывную последовательность данных годичных колец, которая охватывала 8000 лет. ^[1] (С тех пор серия данных годичных колец была расширена до 13 900 лет.) ^[3] Радиоуглеродное датирование древесины по самим годичным кольцам обеспечило необходимую проверку атмосферного¹⁴
С /¹²
Коэффициент C : с образцом известной даты и измерением значения N (числа атомов¹⁴
С, оставшийся в образце), уравнение радиоуглеродного датирования позволяет рассчитать N ₀ – число атомов¹⁴
C в образце во время формирования годичного кольца дерева – и, следовательно,¹⁴
С /¹²
Соотношение углерода в атмосфере в то время. ^[1] Вооружившись результатами углеродного датирования колец деревьев, стало возможным построить калибровочные кривые, предназначенные для исправления ошибок, вызванных изменением со временем¹⁴
С /¹²
Коэффициент C. ^[4] Эти кривые более подробно описаны ниже .

Существуют три основные причины этих различий в исторических данных:¹⁴
С /¹²
Коэффициент C : колебания скорости, с которой¹⁴
C создается, изменения, вызванные оледенением, и изменения, вызванные деятельностью человека. ^[1]

В серии годичных колец можно увидеть две различные тенденции. Во-первых, существует долгосрочное колебание с периодом около 9000 лет, что приводит к тому, что радиоуглеродные даты оказываются старше истинных дат за последние 2000 лет и слишком молодыми до этого. Известные колебания силы магнитного поля Земли довольно хорошо совпадают с этим колебанием: космические лучи отклоняются магнитными полями, поэтому, когда магнитное поле слабее, больше¹⁴
C производится, что приводит к более молодому видимому возрасту образцов из этих периодов. И наоборот, более сильное магнитное поле приводит к более низкому¹⁴
Производство C и более старый видимый возраст. Вторичное колебание, как полагают, вызвано изменениями в 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 производстве¹⁴
С. ^[1 ]

Существует два вида геофизических событий, которые могут повлиять¹⁴
Производство C : геомагнитные инверсии и смены полярности . При геомагнитной инверсии 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. Смена полярности, которая может быть как глобальной, так и локальной, является более кратковременной версией геомагнитной инверсии. Локальная смена полярности не окажет существенного влияния¹⁴
Производство C. Во время геомагнитной инверсии или глобальной смены полярности,¹⁴
Производство C увеличивается в период, когда геомагнитное поле слабое. Однако совершенно очевидно, что за последние 50 000 лет не было никаких геомагнитных инверсий или глобальных смен полярности. ^[5]

Поскольку магнитное поле Земли меняется в зависимости от широты, скорость¹⁴
Производство углерода также меняется в зависимости от широты, но атмосферное перемешивание происходит достаточно быстро, поэтому эти изменения составляют менее 0,5% от глобального^[1] Это близко к пределу обнаружения в большинстве лет, ^[6] но эффект можно ясно увидеть в кольцах деревьев таких лет, как 1963, когда¹⁴
Уровень С от ядерных испытаний резко возрос в течение года. ^[7] Широтные колебания¹⁴
В тот год уровень C был намного выше нормы, и годичные кольца деревьев с разных широт показывают соответствующие изменения в их¹⁴
Содержание C. ^[7]

¹⁴
C может также производиться на уровне земли, в первую очередь космическими лучами, которые проникают в атмосферу до поверхности земли, а также спонтанным делением природного урана. Эти источники нейтронов производят только¹⁴
C со скоростью 1 x 10−4 ^атомов на грамм в секунду, что недостаточно для существенного влияния на датирование. ^{[7] [8]} На больших высотах поток нейтронов может быть существенно выше, ^{[9] [примечание 1]} и, кроме того, деревья на большей высоте с большей вероятностью будут поражены молнией, которая производит нейтроны. Однако эксперименты, в которых образцы древесины облучались нейтронами, показывают, что влияние на¹⁴
Содержание углерода незначительно, хотя для очень старых деревьев (например, некоторых сосны остистой ), растущих на высоте, некоторый эффект можно заметить. ^[9]

Поскольку растворимость CO
₂в воде увеличивается с более низкими температурами, ледниковые периоды могли привести к более быстрому поглощению атмосферного CO
₂океанами. Кроме того, любой углерод, хранящийся в ледниках, будет истощен¹⁴
C в течение жизни ледника; когда ледник растает из-за потепления климата, истощенный углерод высвободится, что приведет к снижению глобального¹⁴
С /¹²
Коэффициент C. Изменения климата также могут вызвать изменения в биосфере, при этом более теплые периоды приведут к большему количеству растений и животных. Влияние этих факторов на радиоуглеродное датирование неизвестно. ^[1]

Уголь и нефть начали сжигать в больших количествах в 1800-х годах. И уголь, и нефть достаточно старые, чтобы содержать мало обнаруживаемых¹⁴
C и, как следствие, CO
₂выброшенный значительно разбавил атмосферу¹⁴
С /¹²
Коэффициент C. Датирование объекта началом 20-го века, следовательно, дает кажущуюся дату, которая старше истинной. По той же причине,¹⁴
Концентрации C в окрестностях крупных городов ниже среднего атмосферного значения. Этот эффект ископаемого топлива (также известный как эффект Зюсса, по имени Ганса Зюсса , который впервые сообщил о нем в 1955 году) составил бы всего лишь 0,2% снижения¹⁴
Активность углерода , если бы дополнительный углерод из ископаемого топлива был распределен по всему резервуару обмена углерода, но из-за длительной задержки смешивания с глубинами океана фактический эффект составляет 3%-ное снижение. ^{[1] [11]}

Гораздо больший эффект возникает при проведении наземных ядерных испытаний, в ходе которых высвобождается большое количество нейтронов и создается¹⁴
C. Примерно с 1950 по 1963 год, когда были запрещены испытания ядерного оружия в атмосфере, по оценкам, несколько тонн¹⁴
Были созданы C. Если бы все эти дополнительные¹⁴
Если бы С немедленно распространился по всему резервуару обмена углерода, это привело бы к увеличению¹⁴
С /¹²
Коэффициент C составил всего несколько процентов, но немедленный эффект состоял в том, что количество¹⁴
C в атмосфере, пик которого пришелся примерно на 1965 год. С тех пор уровень снизился, поскольку «бомба углерода» (как его иногда называют) просачивается в остальную часть резервуара. ^{[1] [11] [12]}

Фотосинтез — это основной процесс, посредством которого углерод перемещается из атмосферы в живые существа. Существуют два различных процесса фотосинтеза: путь C3 и путь C4 . Около 90% всей растительной жизни используют процесс C3; остальные растения либо используют C4, либо являются растениями CAM , которые могут использовать либо C3, либо C4 в зависимости от условий окружающей среды. Оба пути фотосинтеза C3 и C4 показывают предпочтение более легкому углероду, с¹²
С усваивается немного легче, чем¹³
С , который в свою очередь легче усваивается, чем¹⁴
C. Дифференциальное поглощение трех изотопов углерода приводит к¹³
С /¹²
С и¹⁴
С /¹²
Соотношения С в растениях, которые отличаются от соотношений в атмосфере. Этот эффект известен как изотопное фракционирование. ^{[9] [13]}

Чтобы определить степень фракционирования, происходящего на данном предприятии, необходимо определить количество обоих¹²
С и¹³
C измеряются, и в результате¹³
С /¹²
Затем коэффициент C сравнивается со стандартным коэффициентом, известным как PDB. (¹³
С /¹²
Коэффициент C используется, потому что его гораздо легче измерить, чем¹⁴
С /¹²
Коэффициент C и¹⁴
С /¹²
Из него можно легко вывести соотношение C. ) Полученное значение, известное как δ ¹³ C , рассчитывается следующим образом: ^[9]

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

где знак ‰ ( промилле ) указывает на части на тысячу. ^[9] Поскольку стандарт PDB содержит необычно высокую долю¹³
C , ^{[примечание 2]} наиболее измеренный δ ¹³ CЗначения отрицательные. Значения для растений C3 обычно находятся в диапазоне от −30‰ до −22‰, со средним значением −27‰; для растений C4 диапазон составляет от −15‰ до −9‰, а среднее значение составляет −13‰. ^[13] Атмосферный CO
₂имеет δ ¹³ C−8‰. ^[9]

Для морских организмов детали реакций фотосинтеза изучены меньше. Измеренный δ ¹³ CЗначения для морского планктона варьируются от −31‰ до −10‰; большинство лежит между −22‰ и −17‰. δ ¹³ CЗначения для морских фотосинтезирующих организмов также зависят от температуры. При более высоких температурах CO
₂плохо растворяется в воде, что означает меньшее содержание CO
₂доступны для фотосинтетических реакций. В этих условиях фракционирование снижается, и при температуре выше 14 °C δ ¹³ Cзначения соответственно выше, достигая −13‰. При более низких температурах CO
₂становится более растворимым и, следовательно, более доступным для морских организмов; фракционирование увеличивается и δ ¹³ Cзначения могут быть такими низкими, как −32‰. ^[13]

δ ¹³ C​Значение для животных зависит от их рациона. Животное, которое ест пищу с высоким δ ¹³ Cзначения будут иметь более высокий δ ¹³ Cчем тот, кто ест пищу с более низким δ ¹³ C^[9] Собственные биохимические процессы животного также могут влиять на результаты: например, как минералы костей, так и коллаген костей обычно имеют более высокую концентрацию¹³
С, чем содержится в рационе животного, хотя и по другим биохимическим причинам. Обогащение костей¹³
C также подразумевает, что выделяемый материал истощается¹³
C относительно диеты. ^[15]

С¹³
C составляет около 1% углерода в образце,¹³
С /¹²
Коэффициент C можно точно измерить с помощью масс-спектрометрии . ^[16] Типичные значения δ ¹³ Cбыли обнаружены экспериментально для многих растений, а также для различных частей животных, таких как костный коллаген , но при датировании данного образца лучше определить δ ¹³ Cзначение для этого образца напрямую, чем полагаться на опубликованные значения. ^[9] Истощение¹³
С относительно¹²
С пропорционален разнице атомных масс двух изотопов, поэтому, как только δ ¹³ Cзначение известно, истощение для¹⁴
C можно рассчитать: это будет в два раза больше истощения¹³
С. ^[16 ]

Углеродный обмен между атмосферным CO
₂и карбонат на поверхности океана также подвергается фракционированию, при этом¹⁴
С в атмосфере более вероятно, чем¹²
C растворяется в океане. Результатом является общее увеличение¹⁴
С /¹²
Коэффициент С в океане 1,5% по отношению к¹⁴
С /¹²
Коэффициент C в атмосфере. Это увеличение¹⁴
Концентрация C почти полностью компенсирует уменьшение, вызванное подъемом воды (содержащей старые, а следовательно, и¹⁴
С обедненным углеродом) из глубин океана, так что прямые измерения¹⁴
Излучение С похоже на измерения для остальной части биосферы. Коррекция на изотопное фракционирование, как это делается для всех радиоуглеродных дат, чтобы можно было сравнивать результаты из разных частей биосферы, дает видимый возраст около 400 лет для поверхностной воды океана. ^[16]

Первоначальная гипотеза обменного резервуара Либби предполагала, что¹⁴
С /¹²
Соотношение C в обменном резервуаре постоянно во всем мире, ^[17] но с тех пор было обнаружено, что существует несколько причин изменения этого соотношения в пределах резервуара. ^[18]

СО​
₂в атмосфере переносится в океан, растворяясь в поверхностных водах в виде карбонатных и бикарбонатных ионов; в то же время карбонатные ионы в воде возвращаются в воздух в виде CO
₂. ^[17] Этот процесс обмена приносит¹⁴
С из атмосферы в поверхностные воды океана, но¹⁴
Таким образом, введенному C требуется много времени, чтобы просочиться через весь объем океана. Самые глубокие части океана очень медленно смешиваются с поверхностными водами, и смешивание, как известно, неравномерно. Основным механизмом, который выводит глубинные воды на поверхность, является подъем глубинных вод. Подъем глубинных вод чаще встречается в регионах, расположенных ближе к экватору; на него также влияют другие факторы, такие как рельеф дна местного океана и береговых линий, климат и ветровые режимы. В целом, смешивание глубинных и поверхностных вод занимает гораздо больше времени, чем смешивание атмосферного CO
₂с поверхностными водами, и в результате вода из некоторых глубоких районов океана имеет кажущийся радиоуглеродный возраст в несколько тысяч лет. Подъем смешивает эту «старую» воду с поверхностной водой, давая поверхностной воде кажущийся возраст около нескольких сотен лет (после поправки на фракционирование). ^[18] Этот эффект не является однородным — средний эффект составляет около 440 лет, но есть локальные отклонения в несколько сотен лет для областей, которые географически близки друг к другу. ^{[18] [19]} Эффект также применим к морским организмам, таким как ракушки, и морским млекопитающим, таким как киты и тюлени, которые имеют радиоуглеродный возраст, который, по-видимому, составляет сотни лет. ^[18] Эти эффекты морских резервуаров изменяются со временем, а также географически; например, есть свидетельства того, что во время позднего дриаса , периода холодных климатических условий около 12 000 лет назад, кажущаяся разница между возрастом поверхностных вод и современной атмосферы увеличилась с 400–600 лет до примерно 900 лет, пока климат снова не потеплел. ^[19]

Если углерод в пресной воде частично получен из старого углерода, например, из горных пород, то результатом будет снижение¹⁴
С /¹²
Соотношение C в воде. Например, реки, протекающие по известняку , который в основном состоит из карбоната кальция , приобретут карбонатные ионы. Аналогично, грунтовые воды могут содержать углерод, полученный из пород, через которые они прошли. Эти породы обычно настолько старые, что они больше не содержат измеримых¹⁴
C , поэтому этот углерод снижает¹⁴
С /¹²
Соотношение C в воде, в которую она попадает, что может привести к кажущемуся возрасту в тысячи лет как для затронутой воды, так и для растений и пресноводных организмов, которые в ней живут. ^[16] Это известно как эффект жесткой воды , потому что он часто связан с ионами кальция, которые характерны для жесткой воды; однако могут быть и другие источники углерода, которые оказывают тот же эффект, такие как гумус . Эффект не обязательно ограничивается пресноводными видами — в устье реки отток может повлиять на морские организмы. Он также может повлиять на наземных улиток, которые питаются в районах с высоким содержанием мела, хотя никакого измеримого эффекта не было обнаружено для наземных растений в почве с высоким содержанием карбоната — похоже, что почти весь углерод для этих растений получается из фотосинтеза, а не из почвы. ^[18]

Невозможно вывести эффект эффекта, определив жесткость воды: старый углерод не обязательно сразу же включается в растения и животных, которые подвергаются воздействию, и задержка влияет на их видимый возраст. Эффект очень изменчив, и нет общего смещения, которое можно было бы применить; обычный способ определения размера эффекта — измерить видимое смещение возраста современного образца. ^[18]

Вулканические извержения выбрасывают в воздух большие объемы углерода. Углерод имеет геологическое происхождение и не имеет обнаруживаемых¹⁴
С , поэтому¹⁴
С /¹²
Коэффициент C вблизи вулкана понижен относительно окружающих территорий. Спящие вулканы также могут выделять старый углерод. Растения, которые фотосинтезируют этот углерод, также имеют более низкий¹⁴
С /¹²
Коэффициенты C : например, растения на греческом острове Санторини , недалеко от вулкана, имеют видимый возраст до тысячи лет. Эти эффекты трудно предсказать — город Акротири на Санторини был разрушен извержением вулкана тысячи лет назад, но радиоуглеродные датировки объектов, извлеченных из руин города, показывают удивительно близкое соответствие с датами, полученными другими способами. Если даты для Акротири подтвердятся, это будет означать, что вулканический эффект в этом случае был минимальным. ^[18]

В северном и южном полушариях системы циркуляции атмосферы достаточно независимы друг от друга, поэтому между ними существует заметная задержка во времени смешивания. Атмосферная¹⁴
С /¹²
Коэффициент C ниже в южном полушарии, с очевидным дополнительным возрастом в 30 лет для результатов радиоуглеродного анализа с юга по сравнению с севером. Это, вероятно, потому, что большая площадь поверхности океана в южном полушарии означает, что между океаном и атмосферой происходит больший обмен углеродом, чем на севере. Поскольку поверхность океана истощена в¹⁴
C из-за морского эффекта,¹⁴
Из южной атмосферы С удаляется быстрее, чем из северной. ^[18]

Было высказано предположение о том, что может существовать «островной эффект» по аналогии с механизмом, который, как считается, объясняет эффект полушария: поскольку острова окружены водой, обмен углеродом между водой и атмосферой может уменьшить¹⁴
С /¹²
Соотношение C на острове. Однако в пределах полушария атмосферное перемешивание, по-видимому, происходит достаточно быстро, чтобы такого эффекта не наблюдалось: две калибровочные кривые, собранные в лабораториях Сиэтла и Белфаста с результатами по североамериканским и ирландским деревьям соответственно, находятся в близком соответствии, в то время как ирландские образцы кажутся более старыми, как это было бы в случае островного эффекта. ^[18]

Любое добавление углерода к образцу другого возраста приведет к тому, что измеренная дата будет неточной. Загрязнение современным углеродом приводит к тому, что образец кажется моложе, чем он есть на самом деле: эффект сильнее для старых образцов. Если образец, которому на самом деле 17 000 лет, загрязнен так, что 1% образца на самом деле является современным углеродом, он будет казаться на 600 лет моложе; для образца, которому 34 000 лет, такое же количество загрязнения приведет к ошибке в 4000 лет. Загрязнение старым углеродом, без остатка¹⁴
C , вызывает ошибку в другом направлении, которая не зависит от возраста — образец, загрязненный 1% старого углерода, будет казаться примерно на 80 лет старше, чем он есть на самом деле, независимо от даты образца. ^[20]

Загрязнение может произойти, если образец контактирует с материалами, содержащими углерод, или упакован в них. Вата, сигаретный пепел, бумажные этикетки, тканевые мешки и некоторые консервирующие химикаты, такие как поливинилацетат, могут быть источниками современного углерода. ^[21] Этикетки следует прикреплять к внешней стороне контейнера, а не помещать внутрь мешка или флакона с образцом. Стекловата приемлема в качестве упаковочного материала вместо ваты. ^[22] Образцы следует упаковывать в стеклянные флаконы или алюминиевую фольгу, если это возможно; ^{[21] [23]} полиэтиленовые пакеты также приемлемы, но некоторые виды пластика, такие как ПВХ, могут загрязнять образец. ^[22] Загрязнение также может произойти до того, как образец будет собран: гуминовые кислоты или карбонат из почвы могут выщелачиваться в образец, а для некоторых типов образцов, таких как ракушки, существует вероятность обмена углеродом между образцом и окружающей средой, что истощает¹⁴
Содержание C. ^[21]

• Эйткен, М. Дж. (1990). Научно обоснованное датирование в археологии . Лондон: Longman. ISBN 978-0-582-49309-4.
• Боуман, Шеридан (1995) [1990]. Радиоуглеродное датирование . Лондон: British Museum Press. ISBN 978-0-7141-2047-8.
• Берк, Хизер; Смит, Клэр; Циммерман, Ларри Дж. (2009). Полевой справочник археолога (североамериканское издание). Ланхэм, Мэриленд: AltaMira Press. ISBN 978-0-7591-0882-0.
• Кронин, Томас М. (2010). Палеоклиматы: понимание изменений климата в прошлом и настоящем . Нью-Йорк: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14494-0.
• Шилар, Ян (2004). «Применение радионуклидов окружающей среды в радиохронологии: радиоуглерод». В Тыква, Ричард; Берг, Дитер (ред.). Искусственная и естественная радиоактивность в загрязнении окружающей среды и радиохронологии . Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. стр.  150–179 . ISBN 978-1-4020-1860-2.
• Либби, Уиллард Ф. (1965) [1952]. Радиоуглеродное датирование (2-е (1955) изд.). Чикаго: Финикс.
• Маслин, Марк А.; Сванн, Джордж EA (2006). «Изотопы в морских отложениях». В Ленг, Мелани Дж. (ред.). Изотопы в палеоэкологических исследованиях . Дордрехт: Springer. 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.
• Шенингер, Маргарет Дж. (2010). «Реконструкция диеты и экология с использованием стабильных изотопных соотношений». В Larsen, Clark Spencer (ред.). A Companion to Biological Anthropology . Oxford: Blackwell. стр.  445–464 . ISBN 978-1-4051-8900-2.
• Suess, HE (1970). «Калибровка радиоуглеродной шкалы времени по сосне щетинистой с 5200 г. до н. э. до настоящего времени». В Olsson, Ingrid U. (ред.). Радиоуглеродные вариации и абсолютная хронология . Нью-Йорк: John Wiley & Sons. стр.  303–311 .