Хороший совет может дать только действительно незаинтересованный человек
02140 Украина, г. Киев, ул. Руденко, 6а, оф. 1, каб. 1
тел.: 044 536-4-666; 067 2-316-316
expert@inconsulting.com.ua

Радиоуглеродное датирование C14

Радиоуглеродный метод, разработанный более 60 лет назад и отмеченный Нобелевской премией, первоначально использовался для определения возраста археологических и геологических объектов, но вскоре сфера его применения существенно расширилась. Метод доказал свою универсальность и с большим успехом продолжает применяться в науке, технике, медицине и других областях человеческой деятельности.

Историческая справка

Радиоуглеродный метод оказывает существенное влияние на развитие разных областей науки - от ядерной физики до криминалистики, но в первую очередь геологии и археологии. В марте 1949 г. была опубликована статья, в которой обосновывался принцип работы данного метода. Его авторы - учёные из Университета Чикаго (США) Уиллард Ф. Либби, Эрнст С. Андерсон и Джеймс Р. Арнольд - показали, что могут определить возраст геологических или исторических событий, которые имели место не только сотни и первые тысячи лет назад, но и вплоть до 40-50 тыс. лет назад. При этом предложенный метод обладал достаточно высокой точностью и был совершенно независим от других технологий, применявшихся в то время в науках. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании.

Первые радиоуглеродные датировки были получены Уиллардом Либби (Willard Libby) в 1949 году в Чикагском Университете (University of Chicago). Следует подчеркнуть, что это стало возможным благодаря многолетним усилиям довольно большого коллектива, работавшего под руководством У. Либби в различных областях науки. Так, возможность превращения атмосферного азота при его бомбардировке нейтронами в изотоп углерода 14C была предсказана теоретически ещё в середине 30-ых годов XX века. В лабораторных условиях такая реакция была проведена в 1940 году, примерно в это же время в верхних слоях атмосферы были зарегистрированы нейтроны, рождающиеся под воздействием космического излучения. Таким образом, один из основных принципов радиоуглеродного датирования – 14C образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей – был сформулирован уже к началу сороковых годов XX века. Дальнейшие работы в этом направлении были прерваны Второй мировой войной, во время которой У. Либби участвовал в Манхэттенском проекте. После войны был измерен период полураспада радиоуглерода и разработаны методы определения его активности в тканях растений и животных. Дело в том, что соотношение 14C с остальными изотопами углерода в атмосфере составляет всего лишь один из 1012 атомов. Соответственно и активность, обусловленная радиоуглеродом, тоже очень низка.

Сразу после первых работ У.Ф. Либби и его коллег Американская антропологическая ассоциация и Геологическое общество США создали специальную комиссию для оценки первых результатов радиоуглеродного датирования, которая в 1951 г. пришла к выводу о надёжности полученных данных и их соответствии существующей научной парадигме. Научное сообщество с энтузиазмом восприняло новый исследовательский подход и стало активно использовать его при изучении прошлого Земли и человечества; на многие годы метод стал ведущим в определении возраста тех или иных объектов. С середины 1950-х годов радиоуглеродный метод распространился по всему миру.

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14С-дат. Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа 14С в атмосфере, гидросфере и биосфере не оставалось постоянным (как полагали поначалу У.Ф. Либби и его коллеги), а изменялось под воздействием ряда внешних условий, главное из которых – колебания в недавнем геологическом прошлом активности космических лучей, продуцирующих радиоуглерод. Следовательно, зависимость между 14С и календарным возрастом не является линейной. Влияние этого фактора, осложняющего перевод радиоуглеродного возраста в астрономические (календарные) даты, в настоящее время преодолено для отрезка времени от наших дней до 20 000 лет назад; успешно ведутся работы по составлению графиков пересчёта 14С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 14С лет).

Основы радиоуглеродного метода

Радиоуглеродное датирование C14 схемаВ природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – 12С и 13С и одного радиоактивного – 14С, или радиоуглерода. Изотоп 14С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей. В течение нескольких лет "новорождённый" 14С наряду со стабильными изотопами 12С и 13С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере. Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей его средой (например, дерево получает углерод в виде углекислого газа из атмосферы в результате фотосинтеза), содержание 14С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией данного изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться, так как уже нет притока "свежего" 14С извне. Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа 14С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество 14С в организме по отношению к стабильным изотопам 12С и 13С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание 14С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции.

Иными словами, находя в природе и на поселениях древнего человека остатки растений и животных, а также некоторые другие вещества, содержащие углерод, можно с помощью радиоуглеродного метода определить, сколько времени прошло с момента прекращения жизни организма, то есть установить возраст данных объектов. А это, в свою очередь, значит, что можно ответить на извечный вопрос геологов и археологов: как давно существовал данный организм или древнее поселение?

Известно, что химический элемент углерод входит в состав практически всей живой материи, а также во многие вещества из разряда неживых (то есть созданных без участия живых организмов). Таким образом, радиоуглеродный метод поистине универсален. С его помощью определяется возраст целого ряда объектов, которые можно условно разделить на следующие группы: "геологические" – карбонатные осадки океанов и пресноводных водоёмов, ледяные керны, метеориты; "биологические" – древесина и древесный уголь, семена, плоды и веточки растений, торф, почвенный гумус, пыльцевые зёрна, остатки насекомых и рыб, кости, рога, бивни, зубы, волосы, кожа и шкура позвоночных животных и человека, копролиты; "антропогенные" – жжёные кости, керамика, кричный металл, пригоревшие остатки пищи, следы крови на древних орудиях, ткани, папирус, пергамент и бумага. В некоторых случаях, например, для изучения колебаний содержания 14С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких "экзотических" объектах, как вина, виски и коньяки.

Применение радиоуглеродного метода

Археология и четвертичная геология были и остаются главными областями использования радиоуглеродного метода. В археологии применение независимого способа определения возраста стало поистине революционным и в значительной степени изменило существовавшие археологические концепции. Проводить серьёзные археологические работы без применения радиоуглеродного датирования в настоящее время невозможно. Теперь наряду с анализом "рутинных" объектов, к которым можно отнести древесину, древесный уголь и кости, всё чаще проводится определение возраста таких непригодных в недалёком прошлом материалов, как отдельные семена и плоды растений, текстиль, жирные кислоты (липиды) в древней керамике и сама керамика, остатки крови на каменных орудиях, наскальная живопись.

Известные датировки

Наибольшей известностью пользуется Туринская плащаница. Широко известно, что датировки проводились на ускорительных масс-спектрометрах в трёх известнейших лабораториях (в Оксфорде, Цюрихе и Туссоне), получивших сходные результаты: с вероятностью 95 % материал плащаницы был сделан в интервале от 1260 до 1390 года. Значительно менее известно, что наряду с образцами плащаницы, в лабораториях анализировались три других образца тканей (плащ Людовика IX, сделанный между 1240 и 1270 гг, саван из египетского погребения, сотканный около 1100 года, и ткань, укутывавшая египетскую мумию, датируемую приблизительно 200 годом). Во всех трёх случаях полученные в лабораториях датировки совпали с исходными данными.

Исследование остатков "Ноева ковчега" на горе Арарат показало возраст всего 1200-1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии.

Среди наиболее известных артефактов, возраст которых был определён радиоуглеродным методом, следует упомянуть Кумранские свитки и несколько ранних рукописей Корана. Во всех этих случаях датировки подтвердили аутентичность документов.

Большую известность приобрёл Тирольский ледяной человек или Эци, мумия, обнаруженная в леднике на севере Италии в 1991 году. Идеальная сохранность мумии позволила провести множество исследований, касающихся антропологических и исторических вопросов. Радиоуглеродное датирование показало, что Эци жил 3300 — 3000 лет до н. э. Отметим, что в вечной мерзлоте Сибири и Аляски было найдено несколько почти целых мумий мамонтов, бизонов, лошадей и даже один суслик. Все эти находки сразу же становились объектами комплексного изучения зоологов, ботаников, генетиков и, конечно же, специалистов в области радиоуглеродного датирования.

Важно привести и пример другого рода, когда предметом датирования становится не отдельный артефакт или уникальная находка, а крупномасштабное событие. Таким было извержение вулкана на острове Терра или Санторини. Возможно, что отголоски этого извержения попали в Библию под видом казней египетских. Традиционно, это событие относится к 1500 году до н. э. Однако анализ многочисленных (более 150) радиоуглеродных датировок разнообразных материалов из восточного Средиземноморья, ассоциированных со следами извержения и вызванного им цунами, включая и ветвь оливы, погребённую непосредственно пеплом, отодвигает дату более чем на сто лет назад, в конец XVII века до н. э.

Основные ограничения метода

Основные ограничения метода обусловлены происхождением датируемых материалов и временным диапазоном, в котором он действует. Любой радиометрический метод определения возраста работает как часы. Представьте себе, что вы заводите механические часы, с этого момента, покуда не кончится завод, они будут показывать правильное время. В случае радиоуглеродного датирования нам нужен материал, который до некоторого времени обменивается углеродом с окружающей средой. Необходимо, чтобы после определённого момента этот обмен прекратился, тогда естественный распад 14C будет мерой времени, прошедшего с момента прекращения обмена. Идеально подходят под эти условия все живые организмы: до момента гибели концентрация радиоуглерода в них соответствует концентрации этого изотопа в атмосфере. Потом обмен прекращается, и часы начинают работать. Таким образом, радиоуглеродная датировка определяет время гибели организма, и это тоже одно из ограничений метода — представьте себе артефакт, сделанный из чего-то, имеющего растительное (например, ткань или дерево) или животное (скажем, кость) происхождение и передававшийся из поколения в поколение. Радиоуглеродная датировка покажет время гибели растения или животного, а не время сооружения памятника, в котором этот артефакт был найден. Эту особенность метода хорошо понимают эксперты-искусствоведы, для которых датировка доски или холста не служит окончательным подтверждением подлинности иконы или картины.

Помимо объектов органического мира только немногие довольно экзотические материалы могут быть использованы для радиоуглеродного датирования. Например, при строительстве домов и крепостей широко использовалась негашёная известь (CaO). Соединясь с водой и атмосферным углекислым газом она превращается в карбонат кальция, прочно скрепляя камни. В этом случае обмен с атмосферным углекислым газом прекращается после затвердения строительного раствора, что позволяет определить время возведения данного строения.

Что касается временного диапазона, то "завод" радиометрических часов кончается после 13 периодов полураспада данного изотопа, что в случае радиоуглеродного метода составляет около 70 тысяч лет. Следует отметить, что каким бы способом не измерялось содержание 14C, для образцов возрастом менее 300 лет неопределённость измерений будет довольно велика, поэтому в таких случаях этот метод как правило не используется. Исключение составляют образцы, относящиеся ко второй половине XX века. В результате наземных ядерных испытаний содержание 14C в атмосфере увеличилось почти вдвое. Это позволяет отличить, скажем, вино или виски 1963 года от более молодых аналогов.

Материал пригодный для радиоуглеродного анализа

Методические основы радиоуглеродного датирования заключаются в том, что 14C образуется в верхних слоях атмосферы и сразу же включается в состав молекул углекислого газа. Следовательно, можно определить возраст только тех объектов, которые так или иначе связаны с атмосферным CO2. Прежде всего, это любые живые организмы. Растения и многие бактерии в процессе фотосинтеза строят из атмосферного углекислого газа сложные органические молекулы, которые служат основой жизни для всех прочих организмов. Это значит, что можно датировать собственно углерод любого живого существа. Следует, однако, учитывать, что за тысячелетия, прошедшие со времени захоронения данного образца когда-то живой материи, весь его углерод мог заместится другими элементами или полностью разложиться. Это нередко происходит с древними объектами. Понятно, что в таких случаях датировка невозможна.

Биогенный углерод сохраняется в озёрных и болотных отложениях, в пещерах и речных наносах, в археологических памятниках, даже в пустынном загаре – тонкой плёнке, покрывающей поверхность камней. Возраст некоторых объектов неорганического мира также можно определить путём радиоуглеродного датирования.

В образцах льда из антарктических и гренландских ледников содержатся пузырьки воздуха, захваченные в момент замерзания воды. Этот воздух соответствует составу атмосферы в момент образования льда. Сейчас активно проводятся разнообразные исследования газов из таких пузырьков. Они уже принесли много интересных результатов. Здесь же упомянем, что возраст некоторых образцов был успешно определён путём датирования углекислого газа. Таким же образом, т. е. измерением активности радиоуглерода CO2, можно определять возраст грунтовых и океанических вод. Это позволило реконструировать изменения количества осадков, выпадавших в Сахаре, исследовать скорость обмена углекислым газом между атмосферой и океаном и т. д.

Содержание углерода в различных биологических объектах сильно колеблется. Например, датировки древесины проводятся в основном по целлюлозе, а костных остатков по коллагену. При этом целлюлоза составляет около 40 % массы древесины, тогда как коллаген – около 20 % массы костей. Во-вторых, сохранность материала зависит от климатических факторов и условий захоронения объекта. Остатки растений и животных, обнаруженные в вечной мерзлоте или в насыщенных водой отложениях, содержат гораздо больше углерода, чем сходные объекты из, скажем, почв средней полосы России. Наконец, в каждой лаборатории свои требования к количеству датируемого материала, так как используемые приборы разные.

По материалам интервью Я.В. Кузьмина и Б. Ф. Хасанова.

Для получения бесплатной консультации Вы можете воспользоваться On-line консультацией или позвонить Нам. Для получения информации о стоимости услуг перейдите в раздел Тарифы или оформите Заявку на услуги.