Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Самый известный изотоп, используемый сегодня для датирования, — углерод-14 ( 14C). Этот изотоп необычен во многих отношениях и отличается от других материнских изотопов по ряду важных аспектов. Имея чрезвычайно короткий период полураспада — всего в 5730 лет, он непригоден для датирования чего-либо старше примерно 60 000 лет (поэтому его применение в геологии ограничено), и за 4,5 млрд лет на Земле не осталось первичного 14С. Этот изотоп имеет космогенное происхождение и постоянно образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей — потока высокоэнергетических заряженных частиц, прилетающих из далекого космоса. Считается, что основным источником космических лучей являются вспышки сверхновых — так астрономы называют грандиозные, феерические взрывы старых массивных звезд в конце эволюционного цикла (в процессе чего происходит выброс элементов и изотопов, впоследствии становящихся строительным материалом для новых планет). Именно для того, чтобы предотвратить негативное долгосрочное воздействие этой естественной космической радиации, для пилотов и стюардесс вводятся ограничения на годовое количество дальнемагистральных рейсов на большой высоте.

Углерод-14 образуется в результате столкновения атомов азота-14 ( 14N) в верхних слоях атмосферы с прилетающими из космоса высокоэнергетическими частицами, которые выбивают из ядра азота протон. Часть образовавшегося в результате изотопа 14C опускается на поверхность Земли и в процессе фотосинтеза поглощается растениями и водорослями, откуда, в свою очередь, в виде органических соединений попадает в питающиеся ими организмы, такие как грибы, все виды животных и люди в том числе. Пока растение или животное живет, дышит, фотосинтезирует или ест, относительное содержание находящихся внутри него изотопов углерода (стабильных 12C и 13C и радиоактивного 14C) соответствует их содержанию в окружающей среде. Но, когда организм умирает, углеродный обмен с внешней средой прекращается, и с этого момента количество стабильных изотопов углерода остается неизменным, тогда как радиоактивный 14C постепенно распадается, и его содержание в останках уменьшается. В отличие от других методов изотопного датирования, в которых для определения возраста образца используется соотношение дочерних и материнских изотопов, радиоуглеродный возраст рассчитывается на основе активности присутствующего радиоуглерода — она определяется как число распадов в единицу времени на грамм углерода. Это объясняется просто: изотоп 14C распадается с образованием азота 14N — газа, который быстро улетучивается из образца.

Радиоуглеродный анализ является важнейшим инструментом в археологических и исторических исследованиях и может быть использован для датирования широкого спектра образцов, содержащих биогенный углерод, включая дерево, кости, слоновую кость, семена, раковины, лен, хлопок, бумагу, торф и многое другое. Можно датировать даже океанскую воду благодаря содержанию в ней небольшого количества растворенного углекислого газа. Так, радиоуглеродный анализ показал, что возраст воды в глубинных слоях в северной части Тихого океана составляет около 1500 лет [19] Gebbie, G., and Huybers, P., 2012. The mean age of ocean waters inferred fromradiocarbon observations: Sensitivity to surface sources and accounting for mixing histories. Journal of Physical Oceanography , 42, 291–305. doi:10.1175/JPO-D-11–043.1 — это означает, что эти воды не взаимодействовали с атмосферой со времен рождения пророка Мухаммеда.

Однако, по сравнению с методами определения геологического возраста, радиоуглеродному методу присуща относительно большая неопределенность, связанная с варьированием скорости образования 14C в верхних слоях атмосферы с течением времени, что зависит от ряда факторов, в том числе от флуктуаций геомагнитного поля, которое частично защищает нашу планету от бомбардировки космическими лучами. Чтобы откалибровать радиоуглеродные датировки с учетом этого варьирования, ученые обращаются к незатейливому, но весьма надежному хронометру — годовым кольцам на деревьях: благодаря тому, что в каждом году только внешняя часть дерева активно обменивается углеродом с окружающей средой, каждое кольцо имеет свой радиоуглеродный возраст. Соотнося данные по самым старым кольцам в живых деревьях с данными по самым молодым кольцам в древних деревьях, сохранившихся в болотах, а также найденных в местах археологических раскопок, ученые сумели продлить эту дендрохронологическую летопись на 10 000 лет в прошлое и теперь используют ее для уточнения радиоуглеродного анализа. Кольца роста в кораллах (состоящих из кальцита, CaCO 3) дают менее точные исторические данные по 14C, чем кольца деревьев, но позволяют откалибровать радиоуглеродные датировки еще дальше в прошлое. Тем не менее неопределенность для датировок на основе 14C остается довольно высокой — порядка сотен и даже тысяч лет (от 5 до 10 % фактического возраста).