Radiohiiliajoitus

Radiohiilidattaus on eräänlainen radioisotooppitunnistuksen menetelmä, jota käytetään orgaanisten jäänteiden iän määrittämiseen mittaamalla radioaktiivisen isotoopin 14 C pitoisuutta suhteessa stabiileihin hiilen isotoopeihin . Willard Libby ehdotti radiohiilidatoituksen menetelmää vuonna 1946 , josta hänelle myönnettiin Nobelin kemian palkinto.1960. Menetelmä perustuu siihen, että elävät organismit imevät ruoan kanssa sekä ei-radioaktiivista että radioaktiivista hiiltä, ​​jota ilmakehässä syntyy jatkuvasti kosmisten säteiden vaikutuksesta ilmakehän typpeen. Eläimen tai kasvin kuoleman jälkeen hiilenvaihto ympäristön kanssa lakkaa, jäännösten 14 C hajoaa vähitellen ja sen ominaisaktiivisuuden perusteella voidaan arvioida organismin kuolinaikaa. Iän selkeyttämiseksi on tarpeen käyttää kalibrointikäyriä. Vuonna 2020 otettiin käyttöön uudet versiot pohjoisen pallonpuoliskon (IntCal20) [1] , eteläisen pallonpuoliskon (SHCal20) [2] ja merinäytteiden (Marine20) [3] kalibrointikäyristä , jotka mahdollistavat jopa 55 000 vuotta vanhojen näytteiden ajoituksen [ 4] [5] .

Fyysiset perustat

Hiiltä , ​​joka on yksi biologisten organismien koostumuksen pääalkuaineista, on maapallon ilmakehässä stabiileina isotooppeina 12 C (98,89 %) ja 13 C (1,11 %) sekä radioaktiivisena 14 C:na, jota on läsnä hivenaineina. määriä (noin 10-10  %. 14C - isotooppi muodostuu jatkuvasti pääasiassa ilmakehän ylemmissä kerroksissa 12–15 km : n korkeudessa kosmisten säteiden sekundääristen neutronien törmäyksessä ilmakehän typen ytimiin:

Maapallon ilmakehässä muodostuu keskimäärin noin 7,5 kg radiohiiltä vuodessa, kokonaismäärä noin 75 tonnia .

Luonnollisen radioaktiivisuuden aiheuttama radiohiilen muodostuminen maan pinnalle on vähäistä.

Hiilen 14 C radioisotooppi käy läpi β − hajoamisen puoliintumisajalla T 1/2 = 5,70 ± 0,03 tuhatta vuotta [6] , hajoamisvakio λ = 1,216 10 −4 vuotta −1 :

Radioaktiivisten ja stabiilien hiilen isotooppien suhde ilmakehässä ja biosfäärissä on suunnilleen sama ilmakehän aktiivisesta sekoittumisesta johtuen, koska kaikki elävät organismit ovat jatkuvasti mukana hiilen aineenvaihdunnassa, ottavat vastaan ​​hiiltä ympäristöstä ja isotooppeja. niiden kemiallinen erottamattomuus, osallistuvat biokemiallisiin prosesseihin käytännössä samalla tavalla.

Hiilen ominaisaktiivisuus elävissä organismeissa, jotka vaihtavat hiiltä ilmakehän säiliön kanssa, vastaa radiohiilipitoisuutta ilmakehässä ja on 13,56 ± 0,07 hajoamista minuutissa hiiltä grammaa kohden. Elimistön kuollessa hiilen aineenvaihdunta lakkaa. Sen jälkeen säilyvät vakaat isotoopit, ja radioaktiivinen ( 14 C) hajoaa vähitellen, minkä seurauksena sen pitoisuus jäännöksissä vähenee vähitellen. Tietäen kehon isotooppien pitoisuuden alkusuhteen ja määrittämällä niiden nykyinen suhde biologisessa materiaalissa massaspektrometrisellä menetelmällä tai mittaamalla aktiivisuus dosimetrisillä menetelmillä, voidaan määrittää aika, joka on kulunut organismin kuolemasta. .

Käyttö

Iän määrittämiseksi tutkittavasta näytteestä vapautetaan hiiltä (polttamalla aiemmin puhdistettu fragmentti), mitataan vapautuneelle hiilelle radioaktiivisuus ja tämän perusteella määritetään isotooppisuhde, joka osoittaa näytteen iän. näytteet. Aktiivisuuden mittaamiseen käytettävä hiilinäyte syötetään yleensä kaasuun, joka on täytetty suhteellisella laskurilla , tai nestetuikeeseen . Äskettäin erittäin pienille 14 C :n pitoisuuksille ja/tai hyvin pienille näytemassoille (muutama mg) on ​​käytetty kiihdytinmassaspektrometriaa , jonka avulla voit määrittää suoraan 14 C:n pitoisuuden. Vuodelle 2020 ikäraja näyte, joka voidaan määrittää tarkasti radiohiilidatauksella, on noin 55 000 vuotta [5] eli noin 10 puoliintumisaikaa. Tänä aikana 14 C:n pitoisuus laskee lähes 1000-kertaiseksi (noin 1 hajoamiseen tunnissa per gramma hiiliä).

Esineen iän mittaus radiohiilimenetelmällä on mahdollista vain, jos näytteen isotooppisuhdetta ei ole rikottu sen olemassaolon aikana, eli näyte ei ole kontaminoitunut myöhempää tai aikaisempaa alkuperää olevilla hiiltä sisältävillä materiaaleilla, radioaktiivisia aineita eikä ole altistunut voimakkaille säteilylähteille. Tällaisten saastuneiden näytteiden iän määrittäminen voi johtaa valtaviin virheisiin. Menetelmän kehittämisestä kuluneiden vuosikymmenten aikana on kertynyt runsaasti kokemusta kontaminanttien havaitsemisesta ja niistä otettavien näytteiden puhdistuksesta. Päivämäärää varten vähiten kontaminoituneet komponentit eristetään näytteistä kemiallisin menetelmin. Kasvijäännösten radiohiilidataus käyttää selluloosaa , kun taas luiden, sarvien ja muiden eläinten jäännösten päivämäärä vapauttaa kollageenia . On myös mahdollista päivämäärää rasvahappojäämien, kuten palmitiini- ja steariinijäämien mukaan, esimerkiksi keramiikka [7] [8] . Menetelmän virhe vuodelle 2019 vaihtelee 24 vuodesta (näytteet 1400-luvun alusta) 1600 vuoteen (näytteet ~47 vuosituhatta eKr . ) [9] .

Yksi tunnetuimmista radiohiilimenetelmän käyttötapauksista on vuonna 1988 suoritettu Torinon käärinliinan sirpaleiden tutkimus samanaikaisesti useissa laboratorioissa sokealla menetelmällä . Radiohiilianalyysin avulla oli mahdollista ajoittaa käärinliina 1000-1300 - luvuille . Skeptikot pitävät tätä tulosta vahvistuksena, että käärinliina on keskiaikainen väärennös. Jäännöksen aitouden kannattajat pitävät saatua tietoa tuloksena käärinliinan saastumisesta hiilellä tulipalossa ja sen jälkeen pesusta kiehuvassa öljyssä 1500-luvulla.

Menetelmän kalibrointi ja tarkkuus

Libbyn lähtöoletukset, joihin radiohiilidattausmenetelmä perustuu, ovat, että ilmakehän hiiliisotooppien suhde ei muutu ajassa ja tilassa ja isotooppipitoisuus elävissä organismeissa vastaa täsmälleen ilmakehän tämänhetkistä tilaa. Kuten myöhemmin todettiin, nämä oletukset ovat kuitenkin vain likimääräisiä. 14 C- isotoopin pitoisuus ilmakehässä riippuu monista tekijöistä, kuten:

Kaksi viimeistä tekijää tekevät mahdottomaksi suorittaa 1900-luvun näytteiden tarkkaa radiohiilidajoitusta.

Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet, että hiilen isotooppien atomimassaeroista johtuen kemialliset reaktiot ja prosessit elävissä organismeissa etenevät hieman eri nopeuksilla, mikä rikkoo isotooppien luonnollista suhdetta (ns. isotooppifraktiointivaikutus ) [12] ] . Toinen tärkeä vaikutus ( säiliöilmiö ) on radiohiilitasapainon saavuttamisen viivästyminen Maailman valtamerellä sen hitaasta [13] hiilenvaihdon vuoksi ilmakehän säiliön kanssa, mikä, jos sitä ei korjata, johtaa jäänteiden iän ilmeiseen nousuun. meren eliöitä sekä niitä maaeliöitä, joiden ruokavalio koostui pääasiassa meren ravinnosta. Hiilen aineenvaihduntaan liittyvistä prosesseista luonnossa ja niiden vaikutuksesta biologisten kohteiden isotooppien suhteeseen ei heti päästy. Näin ollen radiohiilimenetelmän käyttö ilman näitä vaikutuksia ja niiden aiheuttamia korjauksia voi aiheuttaa merkittäviä (tuhannen vuosisadan luokkaa olevia) virheitä, joita usein tapahtui menetelmän kehityksen alkuvaiheessa aina 1970-luvulle asti. .

Tällä hetkellä menetelmän oikeaa soveltamista varten on suoritettu perusteellinen kalibrointi, jossa on otettu huomioon isotooppien suhteen muutos eri aikakausille ja maantieteellisille alueille sekä radioaktiivisten isotooppien kertymisen erityispiirteet eläviin olentoihin. ja kasveja. Menetelmän kalibroimiseksi käytetään isotooppisuhteen määritystä kohteille, joiden absoluuttinen päivämäärä tunnetaan. Yksi kalibrointitietojen lähde on dendrokronologia . Erillinen isotooppijälki vuoden 992 aurinkomyrskystä löydettiin vuosirengasarkistoista ympäri maailmaa [14] (katso Miyake Events ). Vertailimme myös näytteiden iän määritystä radiohiilimenetelmällä muiden isotooppitunnistuksen menetelmien tuloksiin. Tällä hetkellä standardikalibrointikäyränä käytetään IntCalia, jonka ensimmäinen versio julkaistiin vuonna 1998 (katso kuva) [10] . Seuraavat tarkistetut versiot kalibrointikäyrästä, jolla näytteen mitattu radiohiiliikää muunnetaan absoluuttiseksi ikään, julkaistiin vuosina 2004, 2009 [15] ja 2013. IntCal13-kalibrointikäyrä piirretään erikseen pohjoiselle ja eteläiselle pallonpuoliskolle (SHCal13), joka kattaa viimeiset 50 000 vuotta ja on johdettu tuhansista tarkasti päivättyjen puurenkaiden (viimeisten 12 000 vuoden ajalta ), vuotuisista korallikasvustoista ja foraminifera - esiintymistä mittauksista . Japanin Suigetsu - järven pohjan sedimenttien vertailu ajalta 12 000–40 tuhatta vuotta sitten dendrokronologien puunrenkaita analysoimalla saamiin tietoihin johti korjauksiin, jotka siirsivät tietoja 300–400 vuotta taaksepäin [ 16] [17] . Offshore-kalibrointi suoritetaan erillisellä Marine13-käyrällä, koska hiilenvaihtonopeus merisäiliössä on hitaampaa kuin ilmakehän.

Nykyaikaisessa muodossaan, koska IntCal20-, SHCal20- ja Marine20-kalibrointiasteikot on luotu historiallisella aikavälillä (kymmeniä vuosista 55 tuhanteen vuoteen menneisyydessä), radiohiilimenetelmää voidaan pitää melko luotettavana ja laadullisesti kalibroituna itsenäisenä menetelmänä. biologista alkuperää olevia esineitä.

Vuodesta 2019 lähtien radiohiilidatoinnin marginaalitarkkuus on 15 vuotta (kaksi keskihajontaa , 95 % luottamus ), kun taas useimmilla ajanjaksoilla viimeisen kolmen tuhannen vuoden aikana kalibrointikäyrän virheistä johtuva mittausvirhe on vähintään 50 vuotta, ja viimeisen kymmenentuhannen vuoden aikana - vähintään 100 vuotta. Pienempi virhe saavutetaan jaksoina, jolloin ilmakehän 14 C:n pitoisuus muuttuu suhteellisen nopeasti (kalibrointikäyrän jyrkät osat), kun taas menetelmän herkkyys on huonompi kalibrointikäyrän tasaisissa osissa. Virhe riippuu myös näytteiden tilasta ja kemiallisesta ympäristöstä, jossa ne sijaitsevat. Radiohiilimenetelmällä tehdyssä ammattitutkimuksessa asiantuntija yleensä ilmoittaa luottamusvälin , jonka sisällä tietyn näytteen määritetyn iän virhe sijaitsee [9] .

On huomattava, että määritettäessä radiohiilen ikää käyttämällä kalibrointikäyrää, käytetään ehdollista "Libbyn puoliintumisaikaa" 14 C:lle, joka on sopimuksen mukaan 5568 vuotta . Se eroaa 5,70 ± 0,03 tuhannen vuoden puoliintumisajasta , joka on laskettu tarkimmille laboratoriomittauksille ja joka on lainattu ydinfysiikan tietokannoista [6] . Tämä yleissopimus hyväksyttiin vuonna 1962 yhteensopivuuden säilyttämiseksi aikaisemman työn kanssa. Ehdollisen puoliintumisajan ja todellisen ero on jo otettu huomioon kalibrointikäyrissä, joten niistä saatu kalibroitu radiohiili-ikä on yhdenmukainen absoluuttisen tähtitieteellisen aika-asteikon kanssa (mutta näin ei ole ehdollisen " kalibroimaton" tai "perinteinen" ikä, kalibrointikäyrän syöttöparametri) [18] .

Kritiikki menetelmää kohtaan

Huolimatta siitä, että radiohiilidattaus on pitkään ollut osa tieteellistä käytäntöä ja sitä käytetään laajalti, tätä menetelmää arvostellaan lähes tieteellisissä julkaisuissa ja Internetissä, mikä kyseenalaistaa sen käytön paikkansapitävyyden historiallisten esineiden (erityisesti myöhempi ajanjakso). Tyypillisesti " tieteellisen kreationismin ", " uuden kronologian " ja muiden pseudotieteellisten käsitteiden kannattajat arvostelevat radiohiilidatointia . Joitakin esimerkkejä vastaväitteistä radiohiiliajoitusta vastaan ​​on annettu Fomenkon uuden kronologian osiossa Luonnontieteellisten menetelmien kritiikki . Tyypillisesti tällainen radiohiilianalyysin kritiikki perustuu aikaisimpiin tieteellisiin julkaisuihin, jotka kuvastavat metodologian tilaa 1960-luvulla, sekä menetelmän perusteiden ja kalibrointiominaisuuksien väärinymmärrykseen [19] .

Fossiilisten hiilidioksidipäästöjen vaikutus

Vuonna 2015 H. Graven ( Imperial College London ) laski [20] , että fossiilisten polttoaineiden palaminen nykyisellä nopeudella, joka johtuu "muinaisen" hiilen päästöistä ilmakehään, johtaa nykyaikaisten näytteiden radiohiilen erottamattomuuteen vanhoista [21] . ] [22 ] (vaikka näytteet, jotka syntyivät ennen teollistumista ja jotka eivät vaihda hiiltä ilmakehän kanssa, tämä vaikutus ei tietenkään vaikuta). Tällä hetkellä fossiilisen hiilen vapautuminen ilmakehään johtaa ilmakehän hiilen näennäiseen "vanhenemiseen" noin 30 vuodella vuodessa [20] .

Katso myös

Kirjallisuus

Muistiinpanot

  1. ↑ Reimer PJ et ai. The IntCal20 Northern Hemisphere Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 cal kBP)  (englanti)  // Radiocarbon. - 2020. - Vol. 62 , nro. 4 . - s. 725-757 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.41 .
  2. ↑ Hogg A.G. et ai. SHCal20 eteläisen pallonpuoliskon kalibrointi, 0–55 000 vuotta cal BP   // Radiocarbon . - 2020. - Vol. 62 , nro. 4 . - s. 759-778 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.59 .
  3. ↑ Heaton TJ et ai. Marine20—The Marine Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 000 cal BP  )  // Radiocarbon. - 2020. - Vol. 62 , nro. 4 . - s. 779-820 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.68 .
  4. ↑ van der Plicht J. et ai. Viimeaikainen kehitys arkeologisten ja ympäristönäytteiden kalibroinnissa  (englanniksi)  // Radiocarbon. - 2020. - s. 1-23 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2020.22 .
  5. ↑ 1 2 Kuzmin Ya. V. Uusi radiohiilipäivämäärien kalibrointiasteikko IntCal20 ja sen mahdollisuudet (11.09.2020). Haettu 17. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 2. maaliskuuta 2021.
  6. ↑ 1 2 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Nubase2020 -arvio ydinominaisuuksista  // Chinese Physics  C. - 2021. - Vol. 45 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .Avoin pääsy
  7. ↑ Casanova E. et ai. Arkeologisten keramiikka  -astioiden tarkka yhdistekohtainen 14 C-ajanjakso (englanniksi)  // Luonto . - 2020. - Vol. 580 . - s. 506-510 .
  8. ↑ Arkeologia vuonna 2020: kymmenen mielenkiintoista tapahtumaa (katsauksen laatinut E. Antonov) // Tiede ja elämä . - 2021. - Nro 2 . - S. 13 .
  9. ↑ 1 2 Svetlik I. et al. Paras mahdollinen aikaresoluutio: Kuinka tarkka radiohiilidatausmenetelmä voisi olla?  (englanti)  // Radiocarbon. - 2019. - Vol. 61 , iss. 6 . - P. 1729-1740 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2019.134 . Arkistoitu alkuperäisestä 29. tammikuuta 2022. Avoin pääsy
  10. ↑ 1 2 Stuiver M., Reimer PJ, Braziunas TF Erittäin tarkka radiohiilen ikäkalibrointi maanpäällisille ja merellisille näytteille  (englanti)  // Radiocarbon. - 1998. - Voi. 40 , iss. 3 . - s. 1127-1151 . Avoin pääsy
  11. ↑ Heaton TJ et ai. IntCal20-lähestymistapa radiohiilikalibrointikäyrän rakentamiseen: uusi menetelmä Bayesin splinein ja muuttujien virheiden avulla   // Radiocarbon . - 2020. - Vol. 62 , iss. 4 . - s. 821-863 . - doi : 10.1017/RDC.2020.46 . Avoin pääsy
  12. ↑ G. A. Wagner , s. 164.
  13. ↑ Hiilen homogenisoitumisaika valtamerissä on noin 1000 vuotta.
  14. ↑ Margot Kuitems et ai. Todisteet eurooppalaisesta läsnäolosta Amerikassa mainoksessa 1021 Arkistoitu 7. marraskuuta 2021 Wayback Machinessa // Nature, 20. lokakuuta 2021
  15. ↑ IntCal09-lisätiedot (downlink) . Käyttöpäivä: 27. maaliskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2010. 
  16. ↑ Uusi kronologia Suigetsulta . Haettu 27. lokakuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 4. helmikuuta 2022.
  17. ↑ Bronk Ramsey C. et ai. Täydellinen maanpäällinen radiohiiliennätys 11,2 - 52,8 kyr BP:lle   // Tiede . — Voi. 338.- Iss. 6105 . - s. 370-374. - doi : 10.1126/tiede.1226660 .
  18. ↑ Bowman S. Radiocarbon Dating  . - Lontoo: British Museum Press, 1995. - ISBN 978-0-7141-2047-8 .
  19. ↑ Levchenko V. Tietoja "radiohiilestä Fomenkon silmin" ja uuden kronologian "tieteellisestä" perustasta: poleemisia muistiinpanoja. Arkistokopio 18. kesäkuuta 2010 Wayback Machinessa
  20. ↑ 1 2 Graven Heather D. Fossiilisten polttoaineiden päästöjen vaikutus ilmakehän radiohiiliin ja radiohiilen erilaisiin sovelluksiin tällä vuosisadalla  // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2015. - 20. heinäkuuta ( nide 112 , nro 31 ). - S. 9542-9545 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1504467112 .
  21. ↑ [1] . Arkistoitu alkuperäisestä 6. elokuuta 2015.
  22. ↑ [2] . Arkistoitu alkuperäisestä 27. heinäkuuta 2015.

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa