Радиоуглеродный метод. Критика радиоуглеродного метода датирования. Радиоуглерод в живых организмах

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.

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 о Земле и в археологии. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании. Признанием важности этого открытия явилось присуждение У.Ф. Либби в 1960 г. Нобелевской премии по химии.

В данной статье даётся краткая информация об открытии и становлении метода, его физических основах; затем следует обзор применения радиоуглеродного метода в различных областях науки и технологий, его влияния на систему научных знаний XX в. в целом. Существует обширная литература, посвящённая радиоуглеродному методу (см., например: ), поэтому в статье автор ссылается лишь на самые общие и исчерпывающие источники.

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.

Были у нового метода и противники. Так, археологи В. Милойчич и С. Яманоучи считали, что радиоуглеродные даты доисторических памятников Европы и Японии слишком удревнены, однако развитие археологических знаний в этих регионах подтвердило правильность радиоуглеродного метода . Одновременно с накоплением фактического материала, то есть радиоуглеродных дат, шло постоянное совершенствование методических основ, заложенных основоположниками метода, и к концу 1970-х годов были сформулированы базовые положения радиоуглеродного метода с учётом новых данных .

Основы радиоуглеродного метода

В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – 12 С и 13 С и одного радиоактивного – 14 С, или радиоуглерода. Изотоп 14 С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей (рис. 1, уровень «образование»). В течение нескольких лет «новорождённый» 14 С наряду со стабильными изотопами 12 С и 13 С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере (см. рис. 1, уровень «распределение»). 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 14 С 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» 14 С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа 14 С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество 14 С в организме по отношению к стабильным изотопам 12 С и 13 С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание 14 С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции. Такова суть модели, созданной У.Ф. Либби с соавторами. Несмотря на то, что в своём развитии радиоуглеродный метод прошёл через ряд значительных обновлений, по выражению К. Ренфрю – «революций» , его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день .

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? Радиоуглеродный метод позволяет установить возраст углеродсодержащих веществ вплоть до 47 000 14 С лет, что соответствует астрономическому возрасту около 50 000 лет .

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 14 С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.

Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура

Первым коллективом, начавшим разрабатывать радиоуглеродный метод, была группа У.Ф. Либби в Чикаго. С начала 1950-х годов количество лабораторий в США, Канаде, Европе и Японии намного выросло, и в конце 1970-х их было уже более 100 (рис. 2: по , с дополнениями); в настоящее время их насчитывается около 140 на всех континентах. Всего в мире во второй половине XX в. работало 250 установок измерения содержания 14 С. В конце 1970-х годов появились первые лаборатории, использующие ускорительную масс-спектрометрию (УМС), сейчас их уже 40. Список радиоуглеродных лабораторий регулярно обновляется и публикуется в главном издании по данной тематике – международном журнале «Radiocarbon» (в открытом доступе: www.radiocarbon.org).

Первая радиоуглеродная лаборатория в нашей стране была организована в 1956 г. при Радиевом институте АН СССР и Ленинградском отделении Института археологии АН СССР (ныне Институт истории материальной культуры РАН); вдохновителями её создания были И.Е. Старик и С.И. Руденко.

В настоящее время в России реально работают 7 лабораторий : в Москве – в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; в Санкт-Петербурге – в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; в Новосибирске – в Институте геологии и минералогии СО РАН.

Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем 14 С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.

УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ . Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С? (включающие и изотоп 14 С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов 14 С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.

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 (в основном методом УМС) 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. Общее количество полученных радиоуглеродным методом дат для археологических памятников в мире составляет сегодня, видимо, несколько сотен тысяч ; к началу 1960-х было не более 2400 .

Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах . Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы , рукописей Мёртвого моря , наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании , древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием . Широкие возможности открыл радиоуглеродный метод археологам и дендрохронологам, которые теперь могут «привязать» свои данные к абсолютной шкале времени с помощью так называемого «сопоставления флуктуаций». В данном случае флуктуации есть резкие изменения содержания изотопа 14 С в течение последних 10–12 тыс. лет, которые могут быть идентифицированы и сопоставлены с зафиксированными на международно признанной кривой пиками .

В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Ещё на заре радиоуглеродного метода один из первых образцов, предположительно из Древнего Египта, оказался современной копией . Хрестоматийным примером является датирование пилтдаунского «человека» из Англии (ожидаемый возраст – не менее 75 000 лет, реальный – 500–600 лет) и остатков «Ноева ковчега» на горе Арарат (их возраст составил всего 1200–1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии) .

В четвертичной геологии и палеогеографии радиоуглеродный метод применяется так же широко, как и в археологии. С его помощью установлены хронологические параметры основных тёплых и холодных эпох за последние 40–50 тыс. лет , особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: ). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: ), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири , датирование извержений вулканов Камчатки ; хронология ледникового века северо-запада Европейской России и севера Евразии в целом .

Радиоуглеродный метод стал важнейшим инструментом в изучении процесса вымирания крупных млекопитающих (так называемой мегафауны) в конце новейшего геологического периода – плейстоцена (от 2.6 млн. до 10 тыс. лет назад). На основе массового радиоуглеродного датирования ископаемых остатков мамонтов, шерстистых носорогов и ряда других видов животных удалось установить время и место их окончательного вымирания . Одним из важнейших достижений стало определение возраста костей и бивней мамонтов о. Врангеля (Северо-Восточная Сибирь): останки оказались удивительно «молодыми» – от 9000 до 3700 лет назад ; на сегодня это самые поздние мамонты на Земле. Не менее интересны результаты радиоуглеродного датирования костей ископаемого гигантского оленя с рогами размахом до 4 м: его последние представители обитали на Южном Урале и в Зауралье вплоть до 6900 лет назад . В последнее время c помощью прямого УМС-датирования скорлупы яиц азиатского страуса получены данные о его существовании в Восточной и Центральной Азии до 8000 лет назад .

Широко используется радиоуглеродный метод в геофизике, океанологии, биологии, медицине и многих других науках. Измерения содержания 14 С в морской воде прочно вошли в практику океанологических исследований (это позволяет выявить закономерности циркуляции вод Мирового океана) и в изучение грунтовых вод суши и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания 14 С в таких объектах, как метеориты и ледники . Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. .

Большую роль играет измерение активности изотопа 14 С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» 14 С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа 14 С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность 14 С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. , появился даже термин «послебомбовый 14 С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов ; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий . На феномене искусственного обогащения атмосферы 14 С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп 14 С является своеобразной «меткой» (см., например: ). С помощью измерения активности 14 С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистике – для выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание 14 С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) . Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14 С-дат . Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа 14 С 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 (см. рис. 1). Следовательно, зависимость между 14 С 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 14 С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 14 С лет) .

Перспективы радиоуглеродного метода

Имеется много примеров влияния 14 С-метода на развитие научного знания и пересмотр ряда положений. Так, именно на основании результатов 14 С-датирования разрезов позднеплейстоценовых и голоценовых отложений удалось построить надёжную хронологическую основу для истории климата и природной среды Земли в целом, что крайне важно при прогнозировании климатических изменений в будущем.

Яркой иллюстрацией влияния радиоуглеродного метода на современные науку и культуру является определение возраста одной из самых известных христианских реликвий – Туринской плащаницы (которая, по преданию, служила погребальным покровом Иисуса Христа). Он оказался равен около 690 14 С лет, что соответствует 1260–1390 гг. н.э. . Очевидно, что в этом случае Туринская плащаница не имеет ничего общего с эпохой жизни Христа, которая, по библейской хронологии, датируется около 1–35 гг. н.э. Критика вывода о «молодом возрасте» плащаницы (с попыткой его опровергнуть) была предпринята группой Д.А. Кузнецова , однако детальное изучение описанных ими процессов не нашло подтверждения . Таким образом, результаты датирования Туринской плащаницы можно рассматривать как научно достоверные, а необходимость подтверждения или уточнения с помощью радиоуглеродного метода возраста важных объектов искусства, истории и религии (картины, гравюры, рукописи, плащаницы, кости и мощи святых и т.п.) стала после этого очевидной .

Другой весьма показательный пример – прямое определение возраста древних людей путём 14 С-датирования их костей. Предпринятые за последние 15–20 лет в этом направлении работы с остатками неандертальцев (Homo neanderthalensis) и людей современного типа (Homo sapiens sapiens) в Европе, Северной Америке и Азии показали, что в ряде случаев возраст костей гораздо «моложе» того, который был получен по археологическим или антропологическим данным . Тем не менее для большинства объектов полученные 14 С-даты вполне совпадают с ожидаемыми результатами.

Открытость и свободный доступ к информации – один из основных принципов работы сообщества специалистов, использующих 14 С-метод. Так, постоянно проводятся межлабораторные сверки радиоуглеродного возраста специально отобранных образцов. Идёт работа по совершенствованию процедуры калибровки 14 С-дат, которая зависит прежде всего от степени достоверности исходных данных. В последние годы получены результаты, которые позволяют надеяться, что вскоре будет возможна надёжная калибровка 14 С-дат вплоть до 50 000 лет назад.

В ближайшее время наиболее перспективным станет использование небольших УМС-установок, требования к эксплуатации которых не такие жёсткие, как для машин с рабочим напряжением 3–6 млн. эВ, а возможности компактного по размерам оборудования весьма велики. Немаловажным фактором оказывается и цена таких небольших (рабочее напряжение 200–500 тыс. эВ) приборов, она в несколько раз ниже стоимости крупных установок. Таким образом, расширяются возможности датировать напрямую очень малые или ценные объекты – произведения искусства, кости палеолитических людей и т.п., список объектов постоянно пополняется. Так, в последние годы УМС-методом устанавливают возраст кальцинированных костей из погребений по обряду кремации ; такие «поля погребений» распространены в Европе и Сибири. К приоритетным направлениям относится и исследование вариаций содержаний изотопа 14 С в атмосфере вплоть до 50 000 лет назад на основе изучения озёрных ленточных отложений (с годичной слоистостью). Это, в частности, позволит проводить корреляцию природных и культурных событий не только для недавнего прошлого человечества, но и для всего позднего палеолита (до 35 000– 40 000 лет назад). Один из наиболее важных аспектов охраны окружающей среды – мониторинг радиоактивного загрязнения – в настоящее время немыслим без измерения активности изотопа 14 С в различных природных и техногенных объектах.

Большой научный и практический потенциал применения радиоуглеродного метода, вероятно, не будет исчерпан и в XXI в. Являясь одним из наиболее универсальных и точных способов определения геологического и археологического возраста, а также будучи чувствительным индикатором загрязнения природной среды радиоактивными материалами и другими углеродсодержащими веществами, радиоуглеродный метод сегодня востребован в самых различных сферах фундаментальной науки и прикладных исследований. Это лишний раз подтверждает прозорливость У.Ф. Либби и его учеников – основоположников нового научного направления.

Первая публикация: Вестник Российской Академии Наук, 2011, том 81, № 2, с. 127–133

Литература:

1. Libby W.F., Anderson E.C., Arnold J.R. Age determination by radiocarbon content: world-wide assay of natural radiocarbon // Science. 1949. V. 109. № 2827. P. 227–228.

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

3. Taylor R.E. Radiocarbon dating // Handbook of Archaeological Science. Chichester: John Wiley & Sons, 2001. P. 23–34.

4. Kuzmin Y.V. Radiocarbon and Old World archaeology: shaping a chronological framework // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 149–172.

5. Stuiver M., Polach H. Discussion: reporting of 14C data // Radiocarbon. 1977. V. 19. № 3. P. 355–363.

6. Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.

7. Дергачёв В.А., Векслер В.С. Применение радиоуглеродного метода для изучения природной среды прошлого. Л.: Изд-во ФТИ АН СССР, 1991.

8. IntCal09: Calibration Issue / Ed. Reimer P.J. // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 4. P. 1111–1186.

9. Waterbolk H.T. Archaeology and radiocarbon dating 1948–1998: a golden alliance // M?moires de la Societ? Pr?historique Fran?aise. 1999. T. 26. P. 11–17.

10. Jull A.J.T. AMS method // Encyclopedia of Quaternary Science. V. 4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007. P. 2911–2918.

11. Taylor R.E. Six decades of radiocarbon dating in New World archaeology // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 1. P. 173–211.

12. Radiocarbon after Four Decades: An Interdisciplinary Perspective / Eds. Taylor R.E., Long A., Kra R.S. New York?Berlin?Heidelberg: Springer-Verlag, 1992.

13. Damon P.E., Donahue D.J., Gore B.H. et al. Radiocarbon dating of the Shroud of Turin // Nature. 1989. V. 337. № 6208. P. 611–615.

14. Jull A.J.T., Donahue D.J., Broshi M., Tov E. Radiocarbon dating of scrolls and linen fragments from the Judean Desert // Radiocarbon. 1995. V. 37. № 1. P. 11–19.

15. Valladas H., Tisn?rat-Laborde N., Cachier H. еt al. Radiocarbon AMS dates for Paleolithic cave paintings // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 977–986.

16. Кузьмин Я.В. Возникновение древнейшей керамики в Восточной Азии (геоархеологический аспект) // Российская археология. 2004. № 2.

17. Hillman G., Hedges R., Moore A., Colledge S., Pettitt P. New evidence of Lateglacial cereal cultivation at Abu Hureyra on the Euphrates // The Holocene. 2001. V. 11. № 4. P. 383–393.

18. Хотинский Н.А. Голоцен Северной Евразии. Опыт трансконтинентальной корреляции этапов развития растительности и климата. М.: Наука, 1977.

19. Encyclopedia of Quaternary Science / Ed. Elias S.A. V. 1–4. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007.

20. Кинд Н.В. Геохронология позднего антропогена по изотопным данным. М.: Наука, 1974.

21. Ложкин А.В. Радиоуглеродное датирование в геохронологических и палеогеографических исследованиях на Северо-Востоке СССР // Региональная геохронология Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1987.

22. Базанова Л.И., Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Сулержицкий Л.Д. Катастрофические извержения Авачинского вулкана (Камчатка) в голоцене: хронология, динамика, геолого-геоморфологический и экологический эффекты, долгосрочный прогноз // Вулканология и сейсмология. 2004. № 6.

23. Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I. et al. Late Quaternary ice sheet history of northern Eurasia // Quaternary Science Reviews. 2004. V. 23. № 11–13. P. 1229–1271.

24. Kuzmin Y.V. The extinction of woolly mammoth (Mammuthus primigenius) and woolly rhinoceros (Coelodonta antiquitatis) in Eurasia: review of chronological and environmental issues // Boreas. 2010. V. 39. № 2. P. 247?261.

25. Вартанян С.Л. Остров Врангеля в конце четвертичного периода: геология и палеогеография. СПб.: Изд-во Ивана Лимбаха, 2007.

26. Stuart A.J., Kosintsev P.A., Higham T.F.G., Lister A.M. Pleistocene to Holocene extinction dynamics in giant deer and woolly mammoth // Nature. 2004. V. 431. № 7009. P. 684–689.

27. Janz L., Elston R.G., Burr G.S. Dating North Asian surface assemblages with ostrich eggshell: implications for palaeoecology and extirpation // Journ. of Archaeological Science. 2009. V. 36. № 9. P. 1982– 1989.

28. Wild E., Golser R., Hille P. et al. First 14C results from archaeological and forensic studies at the Vienna Environmental Research Accelerator // Radiocarbon. 1998. V. 40. № 1. P. 273–281.

29. Geyh M.A. Bomb radiocarbon dating of animal tissues and hair // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2B. P. 723– 730.

30. Kretschmer W., von Grundherr K., Kritzler K. et al. The mystery of the Persian mummy: original or fake? // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223–224. P. 672–675.

31. Zoppi U., Skopec Z., Skopec J. et al. Forensic applications of 14C bomb-pulse dating // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B. 2004. V. 223– 224. P. 770–775.

32. Kouznetsov D.A., Ivanov A.A., Veletsky P.R. Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin // Journ. of Archaeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 109–121.

33. Jull A.J.T., Donahue D.J., Damon P.E. Factors affecting the apparent radiocarbon age of textiles: a comment on «Effects of fi res and biofractionation of carbon isotopes on results of radiocarbon dating of old textiles: the Shroud of Turin», by D.A. Kouznetsov et al. // Journ. of Archeological Science. 1996. V. 23. № 1. P. 157–160.

34. Van Strydonck M., Boudin M., De Mulder G. 14C dating of cremated bones: the issue of sample contamination // Radiocarbon. 2009. V. 51. № 2. P. 553–568.

Исследователи измерили содержание углерода-14 в деревьях, растущих на юге Иордании, определили их возраст и сравнили полученные датировки со стандартной шкалой метода. В результате они обнаружили расхождения в среднем на 19 лет. Относительно небольшая неточность, тем не менее, может существенно сказаться на археологических исследованиях раннебиблейской эпохи и палеоэкологических реконструкциях. Результаты изложены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Радиоуглеродный анализ - один из основных методов датировки растений и археологических предметов с содержанием органического материала. Ученые уже давно его используют, поэтому сейчас уже выработаны стандартные шкалы для Северного и Южного полушарий, которые называются калибровочными кривыми. Они представляют собой зависимость календарного и радиоуглеродного возрастов. Эти кривые достаточно близки к прямой линии, но отражают вариации соотношения изотопов в различные эпохи.

«Мы начали проверять предположения, на которых покоится вся область радиоуглеродного датирования, - говорит ведущий автор работы Стюарт Мэннинг из Корнеллского университета в США. - Из атмосферных измерений последних 50 лет мы знаем, что содержание изотопов углерода меняется в течение года, а также понимаем, что в различных точках Северного полушария растения зачастую активно растут в разное время. Мы хотели выяснить, насколько сильно колеблется зависимость [точности радиоуглеродного датирования] от исследуемой [географической] области, и может ли это повлиять на археологическую датировку».

Материалом для исследования стали растущие на юге Иордании деревья, возраст которых известен ученым. Авторы измеряли возраст их годовых колец при помощи радиоуглеродного метода и обнаружили сдвиг на 19 лет относительно стандартной калибровочной кривой Северного полушария. В результате, утверждают ученые, многие работы по истории этого региона, который также включает современную территорию Израиля, могут опираться на неверные предположения. Например, имеет смысл перепроверить датировки раннебиблейских событий, так как использованные во многих работах калибровочные кривые просто не подходят для данной области.

Авторы применили результаты к нескольким опубликованным ранее хронологическим таблицам и выяснили, что даже небольшой сдвиг датировок может привести к изменению календарных дат, что необходимо учитывать при решении спорных вопросов истории, археологии и климата прошлого. «Наша работа должна стать началом пересмотра и переосмысления временной шкалы археологии и ранней истории южного Леванта в течение раннего библейского периода», - подытоживает Мэннинг.

Понравился материал? в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Физические основания

Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных 12 C и 13 C и радиоактивного 14 C. Изотоп 14 C постоянно образуется в под действием (главным образом, но и излучения от земных источников тоже). Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность 14 C равна примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода, что соответствует изотопному содержанию 14 C около 10 −10 %.

С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14 C) испытывает с 5568±30 лет, в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Применение

Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образца. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий . В последнее время для очень малых содержаний 14 C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14 C. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом - около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада 14 C. За это время содержание 14 C 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 происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. Так, например, описан случай, когда тестовое определение по траве, сорванной в день анализа, дало возраст порядка миллионов лет, из-за того, что трава была сорвана на газоне вблизи автодороги с постоянным сильным движением, и оказалась сильно загрязнена веществами выхлопных газов. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода - исследование фрагментов (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого ), проведённый в году, одновременно в нескольких лабораториях . Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом - веков.

Калибровка

Исходные предположения Либби, на которых строилась идея метода, заключались 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. В настоящее время твёрдо установлено, что все эти предположения могут быть приняты лишь приблизительно. Содержание изотопа 14 C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня космических лучей и активности , и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными материалами (так, например, в настоящее время в образование изотопа 14 C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях в атмосфере в середине века). В последние десятилетия вследствие сжигания ископаемого топлива, в котором 14 C практически отсутствует, атмосферное содержание этого изотопа снижается. Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетий). Кроме того, исследования показали, что некоторые процессы в живых организмах приводят к избыточному накоплению радиоактивного изотопа углерода, что нарушает естественное соотношение изотопов. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.

В результате радиоуглеродные датировки, производившиеся 30-40 лет назад часто оказывались весьма неточными. В частности, проведённая тогда проверка метода по ныне живущим деревьям возрастом в несколько тысяч лет показала значительные отклонения для образцов древесины возрастом свыше 1000 лет.

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики 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 . Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Стандартная кривая, используемая для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, приведена здесь: .

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, высказывается и критика этого метода, ставящая под сомнение как отдельные случаи его применения, так и теоретические основания метода в целом. Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками , и других . Основные возражения против радиоуглеродного датирования приведены в статье .

В настоящее время для определения возраста археологических находок применяются несколько методов, самым достоверным из которых считается радиоуглеродный. Однако даже этот самый надежный метод имеет огромные погрешности. Благодаря анализу полученных данных ученые осознали, что скорость радиоактивного распада не является неизменной, как это считалось ранее, поскольку подвержена влиянию многих сторонних факторов. Это значит, что «атомные часы» сбиваются в зависимости от внешних условий.

Вот лишь некоторые примеры датировок «точнейшего» метода. Датирование по углероду-14 (14 C) показало: только что убитый тюлень умер 1 300 лет назад; скорлупа живых улиток имела возраст 27 000 лет; возраст раковины живого моллюска – 2 300 лет и т. п. В пещере Бельт (Иран) нижележащий слой датирован возрастом примерно 6 000 лет, а вышележащий – 8 500. То есть получается обратная последовательность слоев, что, естественно, невозможно. И подобных примеров множество.

Чем же объяснить такую величину погрешности самого точного метода? Дело в том, что данный анализ производится путем определения в образце соотношения радиоактивного углерода-14 со стабильным углеродом. Считается, что с момента прекращения жизнедеятельности органического материала, «новый» углерод-14 в него не поступает, а имеющийся – постепенно распадается с постоянной скоростью, в то время как стабильный углерод, естественно, остается неизменным. Однако при разных условиях углерод из внешней среды (от всего рядом находящегося, что содержит углерод: вулканических явлений, действия огня и даже высокой температуры, из почвы залегания или из атмосферы) может проникать в исследуемый образец. И тогда картина кардинально меняется!

Рис. Принцип радиоуглеродного метода датирования

Кроме того, никто точно не может знать, как изменялся уровень углерода-14 в атмосфере в течение различных периодов. Но ученые определенно знают, что он менялся, причем значительно. Дендрологические исследования (анализ колец деревьев) показывают, что уровень углерода-14 в земной атмосфере за последние 4 - 5 тысяч лет сильно менялся (такой возраст по кольцам имеют самые древние деревья; точный возраст посчитать не возможно, т.к. годовые кольца со временем просто сливаются, а в ряде случаев за один год может образовываться несколько годичных колец). Но что было раньше – никто не знает, это область догадок. Более того, нельзя быть уверенным, что углерод-14 в кольцах древних деревьев соответствует углероду-14 атмосферы того времени, когда нарастало кольцо. Ведь на протяжении последующих лет эта часть дерева была в прямом контакте с соседними слоями ствола, с питательными веществами, солнечным светом, воздухом и другими внешними факторами, которые не могли не повлиять на содержание углерода.

Таким образом, радиоуглеродному анализу можно доверять с огромной натяжкой и применять его только в качестве одного из подтверждающих факторов возраста находки, но не как основной и определяющий.

В трудах критиков радиоуглеродного метода можно встретить такую цитату: «Шесть уважаемых лабораторий выполнили 18 анализов возраста древесины из Шелфорда в графстве Чешир. Оценки варьируют от 26 000 до 60 000 лет, разброс составляет 34 000 лет» 1 .

Также многие даты, полученные с помощью радиоуглеродного датирования, не совпадают с хронологией, установленной историками и археологами на основании документов и артефактов.

Рассуждая о радиоуглеродном методе датирования, нельзя не обратить внимание еще на несколько моментов. Заявление о значительном возрастедревних находок, сделанное на основании измерения в них количества углерода-14, можно объяснить с помощью Библии. Дело в том, что до потопа, который, по библейским расчетам, произошел приблизительно 4,5 тыс. лет назад, содержание углерода-14 в атмосфере Земли должно было быть минимальным. Согласно Священному Писанию, до потопа над нашей планетой одним из слоев атмосферы был защитный купол из воды 2 . Водяной экран защищал Землю от радиоактивного углерода-14 и вредных космических излучений. Поэтому, как того и следовало ожидать, в допотопных образцах содержание углерода-14 исключительно мало, что воспринимается учеными-материалистами как следствие его распада, в связи с чем они говорят о значительных временных сроках.

Кроме того, углеродный метод датировки даже теоретически не рассчитан на определение возраста, превышающего 50 000 лет. Об этом открыто заявляют сами ученые. Поэтому материалисты никак не могут объяснить, почему в каменном угле, нефти и алмазах также имеется углерод-14. Ведь согласно научным данным, углерод-14 имеет короткий период полураспада (5 730 лет) и просто не может существовать в образцах, датируемых сотнями тысяч лет, не говоря уже о многих миллионах и тем более миллиардах лет. Однако углерод-14 имеется во всех пластах, что подтверждает молодой возраст Земли.

1 Хэнкок Г. Следы богов. М., 2006.

Радиоуглеродный (РУ) метод датирования был изобретён американским химиком Уилардом Либби в 1946 году, в 1960 году Либби стал Нобелевским лауреатом по химии за обоснование этого метода и его применение. РУ-метод заключается в измерении процентного содержания радиоактивного изотопа углерода С14 в органике и расчётах возраста органики на этом основании. Изначально идея Либби опиралась на следующие

гипотезы:

1. С14 образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, затем перемешивается в атмосфере, входя в состав углекислого газа. Предполагалось, что процентное содержание С14 в атмосфере является постоянным и не зависит от времени и места, несмотря на неоднородность самой атмосферы и распад изотопов.
2. Скорость радиоактивного распада является постоянной величиной, измеряемой периодом полураспада в 5568 лет (предполагается, что за это время половина изотопов С14 превращается в С12).
3. Животные и растительные организмы строят свои тела из углекислоты, добываемой из атмосферы, и при этом живые клетки содержат тот же процент изотопа С14, что находится в атмосфере.
4. По смерти организма, его клетки выходят из цикла углеродного обмена, поэтому изотопы углерода С14 по экспоненциальному закону радиоактивного распада превращаются в стабильный изотоп С12. Что и позволяет расчитать время, прошедшее со времени смерти организма. Это время называется «радиоуглеродным возрастом».

У этой теории, по мере накопления материала, стали появляться контрпримеры: недавно умершие организмы внезапно получались очень древними, или напротив - могли содержали столь огромное количество изотопа, что получали отрицательный РУ-возраст. Некоторые заведомо древние предметы имели молодой РУ-возраст (такие артефакты объявлялись поздними подделками). В итоге оказалось, что РУ-возраст далеко не всегда совпадает с истинным возрастом, в том случае, когда истинный возраст можно проверить. Но РУ-метод применяется в основном для датирования органических предметов неизвестного возраста, тем самым эти даты могут и не иметь независимой проверки. Получаемые парадоксы можно объяснить следующими недостатками теории Либби (эти и иные факторы проанализированы в книге М.М. Постникова «Критическое исследование хронологии древнего мира, в 3-х томах»,- М.: Крафт+Леан, 2000, в томе 1, стр. 311-318, написанной в 1978 году):

1) Непостоянство, неравномерность процентного содержания С14 в атмосфере, его неоднородное распределение. Содержание С14 зависит от космического фактора (интенсивность солнечного излучения) и земного (поступление в атмосферу «старого» углерода из-за горения или гниения древней органики, возникновения новых источников радиоактивности, колебаний магнитного поля Земли). Изменение этого параметра на 20% влечёт ошибку в РУ-возрасте почти в 2 тысячи лет.
2) Скорость радиоактивного распада изотопов не является постоянной, - действительно, со времён Либби период полураспада С14 по официальным справочникам «изменился» на сотню лет, то есть,- на пару процентов (этому соответствует изменение РУ-возраста на полторы сотни лет). По всей видимости, значение этого периода значительно (в пределах нескольких процентов) зависит от экспериментов, в которых он определяется. А, возможно, зависит от каких-то внешних условий, полей и сил.
3) Изотопы углерода не являются вполне химически эквивалентными, и поэтому клеточные мембраны могут использовать их избирательно: некоторые абсорбировать С14, некоторые - наоборот, избегать его. Поскольку процентное содержание С14 ничтожно (один атом С14 к 10 миллиардам атомов С12), даже незначительная избирательность клетки в изотопном отношении повлечёт большое изменение РУ-возраста (колебание на 10% приводит к ошибке примерно 600 лет).
4) По смерти организма, его ткани не выходят из углеродного обмена, участвуя в процессах гниения и диффузии.

Со времени Либби физики-радиоуглеродчики научились очень точно определять содержание изотопа в образце, заявляют даже, что они способны пересчитать отдельные атомы изотопа. Разумеется, такой подсчёт возможен только для небольшого образца органической ткани, но в этом случае возникает вопрос - насколько точно этот небольшой образец представляет весь предмет? Насколько однородно содержание изотопа в нём? Ведь ошибки в несколько процентов приводят с столетним изменениям РУ-возраста.

Калибровочная шкала С14.

Признав существенное непостоянство содержание С14 в атмосфере, физики-радиоуглеродчики примерно с 70-х годов стали строить, т.н. «калибровочные шкалы» изотопа С14: по распределению изотопа в кольцах долгоживущих деревьев (американских секвой тысячелетнего возраста) было экстраполировано содержание изотопа в атмосфере за последние несколько тысяч лет. Такая шкала имеет определённый смысл для того региона, где она составлялась, но перенос её в другие регионы, на другие континенты является малообоснованным, и, скорее всего, ошибочным.
Попытки построения аналогичных шкал по короткоживущим деревьям Европы порождает иную проблему: РУ-шкала оказывается привязанной к дендрошкале региона, составленной, как указано выше, ещё менее надёжно. В итоге получается, что РУ-шкалу привязывают к произвольной и ошибочной дендрошкале, а последнюю обосновывают ссылкой на согласие с РУ-шкалой: и слепой ведёт слепого. Такого рода аргументы любят повторять российские археологи из школы Колчина.
Калибровочная шкала С14 испытывает значительную вариацию своих значений. Это привело к тому, что теперь для определения РУ-возраста радиоуглеродчикам необходимо знать интервал поиска необходимой даты, поскольку нужные значения содержания изотопа теперь могут располагаться во всех исторических тысячелетиях. Этот интервал берётся из априорных указаний традиционных историков: историки указывают подозрительный век - радиоуглеродчики выдают историкам «точную» дату, в других веках даты были бы иными. Процесс получения иных датировок на том же материале проиллюстрировал А.М. Тюрин <2>.

Все эти новшества РУ-метода пытаются снять влияние фактора 1), из предыдущих, а прочие - учёту не поддаются. В итоге, получается так, что радиоуглеродные датировки являются не более надёжными или научными, чем датировка «на глазок», по «стилю эпохи», но они используются для создания впечатления о научности традиционной хронологии, созданной средневековыми астрологами и богословами. Иной раз от историков приходится слышать даже заявления о том, что РУ-методом датированы античные монеты! Но даже если бы эти монеты были чугунными и содержали бы достаточное количество углерода, то РУ-датирование должно было бы показать не время изготовления монеты, а возраст руды (многие сотни тысяч лет). Следует думать, что многие ссылки на РУ-датирование являются таким же обманом научного мира.

Литература
1. Постников М.М. «Критическое исследование хронологии древнего мира, в 3-х томах, 1978 года»,- М.: Крафт+Леан, 2000, том 1, стр. 311-318.
2. Статьи А.М. Тюрина в Альманахе НХ №3: