Метод радиоуглеродного датирования

Одним из основных химических элементов круговорота веществ в биосфере Земли является углерод, который встречается в виде трех изотопов – ¹²С, ¹³С, ¹⁴С. В атмосфере углерод присутствует в основном в виде углекислого газа (есть и другие соединения, но их уровень незначителен). Львиная доля углерода приходится на изотоп ¹²С. На изотоп ¹³С приходится примерно 0,1%, а доля ¹⁴С – 1,18^.10^-12.

Интересующий нас далее изотоп ¹⁴С, как считается, образуется в верхних слоях атмосферы из азота воздуха под воздействием космических лучей по реакции:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p⁺

Из атмосферного воздуха изотоп ¹⁴С в процессе обмена веществ попадает в биосферу Земли. При этом основным каналом поступления ¹⁴С в живые организмы является фотосинтез растений, а далее – по пищевой цепочке – он попадает в организм животных и человека. Через биосферу и непосредственно из атмосферы (хотя и менее интенсивно) ¹⁴С попадает в почву и воду океанов.

Если изотопы ¹²С и ¹³С являются устойчивыми, то ¹⁴С радиоактивен и с течением времени распадается по реакции:

¹⁴С → ¹⁴N + e^– + n

Данная реакция (как и другие реакции радиоактивного распада) характеризуется следующей зависимостью:

А/А₀ = 2 ^{– t/T}

где А₀ – концентрация ¹⁴С в некотором образце в начальный момент времени; А – концентрация ¹⁴С в момент времени t; Т – период полураспада, равный для радиоуглерода величине 5730±40 лет.

Именно это свойство нестабильности и «склонности» к распаду и используется в радиоуглеродных методах датирования. Если известно начальное содержание ¹⁴С в образце, то, измерив его содержание в текущий момент времени, по вышеприведенной зависимости можно определить возраст образца.

Рис. 124. Кривая радиоактивного распада

Если известно…

Вот тут-то мы и сталкиваемся с первой серьезной проблемой. Дело в том, что вышеприведенная зависимость представляет собой уравнение, в котором помимо периода полураспада реально известна (точнее – ее можно измерить) только текущая концентрация радиоуглерода. То есть мы имеем одно уравнение с двумя неизвестными. А такое уравнение имеет бесконечное число решений…

И это – уже только в теории. На практике же для возможности корректного определения возраста образца, необходимо выполнить целый ряд дополнительных требований. Все же в целом можно свести к трем важным условиям.

Во-первых, должна быть сведена к минимуму ошибка в определении текущей концентрации ¹⁴С в исследуемом образце.

Во-вторых, необходимо знать начальную концентрацию ¹⁴С в образце.

И в-третьих, нужно быть уверенным, что за период, прошедший с начального момента времени, с образцом не происходило процессов, которые могли бы привести к изменению содержания ¹⁴С в образце, помимо процесса радиоактивного распада. Либо быть уверенным, что существующие методы учета влияния таких процессов в достаточной степени корректны.

Проще всего оказалось решить первую задачу. В настоящее время масс-спектрометрические методы позволяют определять содержание ¹⁴С в очень малых образцах (достаточно лишь 10 микрограмм углерода) с высокой степенью точности. Помимо этого успешно применяются методы очистки образцов и углеродного обогащения. Для минимизации ошибок в этих методах используются измерения на контрольных образцах, которые позволяют корректно учесть возможные изменения концентрации ¹⁴С в исследуемых образцах в процессе соответствующих лабораторных процедур.

Несколько сложнее дело обстоит с третьей задачей (чуть нарушим порядок), то есть с задачей учета предыстории образца. Дело в том, что метод радиоуглеродного датирования базируется на предположении, согласно которому смерть живого организма (растения, животного, человека) означает его выход из активного процесса обмена веществ, в процессе которого непрерывно пополняется его «запас» ¹⁴С. Но ведь на самом деле процесс обмена веществ со смертью организма не прекращается: бренные останки в той или иной степени подвержены влиянию со стороны внешней среды, – а следовательно, возможно и нарушение соотношения между содержанием разных изотопов углерода в этих бренных останках.

Здесь был найден «обходной вариант» – задействован метод выделения специфичного для образца соединения (белки, аминокислоты, целлюлоза, хитин и т.п.), минимально подверженного внешним воздействиям в процессе разложения бренных останков...

Рис. 125. Годичные кольца у сосны

Необходимость же знания начальной концентрации ¹⁴С послужила мощным стимулом к решению другой задачи радиоуглеродного метода – определение содержания ¹⁴С в атмосфере в прошлом. И здесь роль «палочки-выручалочки» выпала на дендрохронологию – метод, основанный на исследовании колец деревьев.

Исследователи пришли к выводу, что изотопное соотношение ¹⁴С/¹²С в растениях довольно точно соответствует этому отношению в атмосфере. В частности, внешнее кольцо деревьев как бы «фотографирует» содержание радиоуглерода в атмосфере в год образования этого кольца. А поскольку ранее уже были выстроены довольно длинные дендрошкалы (отражающие зависимость ширины колец от времени), радиоуглеродное исследование колец деревьев позволило создать картину изменений содержания ¹⁴С в атмосфере Земли в прошлом.

Рис. 126. Изменение содержания радиоуглерода в атмосфере

Честно говоря, в справедливости данного утверждения у меня остались серьезные сомнения... Дело в том, что трудно представить реальное живое дерево, ствол которого представляет собой набор абсолютно изолированных друг от друга цилиндрических годовых слоев без какого-либо обмена между слоями. Более того, ведь и внутренние слои продолжают жить, участвуя в процессе обмена веществ в дереве. В частности, по внутренним слоям ежегодно прокачиваются «соки» (жидкая фаза) растения. По всем логическим соображениям, это должно влиять на содержание радиоуглерода и в твердой составляющей древесины, поскольку снизу, из почвы, поступает раствор, обедненный ¹⁴С; а от листьев – обогащенный свежим ¹⁴С, поглощенным из атмосферы уже не в год образования кольца, а позже. И строго говоря, для корректного определения концентрации радиоуглерода именно в год формирования кольца необходимо знать баланс этих потоков.

К сожалению, в многочисленных доступных источниках (а мне пришлось в поисках различных данных «прочесать» более тысячи сайтов на различных языках) данный вопрос, если и затрагивается, то обсуждается лишь «на пальцах» без подкрепления какими-либо эмпирическими данными. А ведь общий вид приведенной на Рис. 126 кривой, с возрастанием концентрации радиоуглерода при удалении вглубь времени, вполне может иметь и иное объяснение, нежели изменение содержания ¹⁴С в самой атмосфере – если в результате баланса упомянутых потоков внутренние слои все-таки получают свежий радиоуглерод, то он, естественно, будет повышать общую концентрацию ¹⁴С в них, «омолаживая» их и создавая иллюзию более высокого содержания радиоуглерода в прошлом.

Но, увы, я здесь вынужден тоже лишь «рассуждать на пальцах»... Поэтому в данном случае остается только принять утверждение об абсолютной изолированности внутренних слоев от атмосферного радиоуглерода в качестве рабочей гипотезы и двинуться далее...

На основании данных об изменении во времени содержания ¹⁴С в атмосфере для практических целей сформированы так называемые калибровочные (поправочные) кривые, позволяющие переводить возраст образцов, определенный радиоуглеродным методом (радиоуглеродный возраст), в действительный возраст.

Рис. 127. Калибровочная кривая

Таким образом, в нынешней практике исследователь: тщательно очищает образец; выделяет из него специфическую (наиболее устойчивую по ¹⁴С) фракцию; измеряет содержание в ней ¹⁴С (в сравнении с ¹²С); корректирует данное значение ¹⁴С на поправочный коэффициент, учитывающий (по контрольным образцам) возможные искажения, возникающие в ходе лабораторных процедур; вычисляет радиоуглеродный возраст образца; и, наконец, с помощью калибровочной кривой переводит радиоуглеродный возраст в «истинный».

Я опускаю здесь еще одну процедуру – поправку на изотопное фракционирование, о котором речь пойдет дальше. И на этом закончу краткое описание современного состояния метода радиоуглеродного датирования, составленное по многочисленной литературе, имеющейся сейчас в печатном и электронном виде.

Перейдем к тому, что предпочитают не афишировать сторонники радиоуглеродного датирования, а именно – к «подводным камням» метода и его реальным погрешностям.