Как ни странно, было время, когда США, Советский Союз и другие страны испытывали ядерное оружие, взрывая его в атмосфере. С 1945 по 1963 год, когда такие испытания были окончательно запрещены международным договором, было взорвано более 500 ядерных бомб, выбросивших радиоактивные осадки, которые распространились по всей планете, причинив вред окружающей среде и здоровью людей.
Например, все, кто родился в США после 1951 года, подверглись воздействию ядерных осадков, и для некоторых это привело к повышенному риску рака щитовидной железы, согласно данным Центров США по контролю и профилактике заболеваний (CDC).
Но для ученых эти радиоактивные осадки также стали важным измерительным инструментом. Испытания вызвали то, что известно какимпульс бомбы 14C из-за скачка концентрации в атмосфере углерода-14, изотопа углерода, который также встречается в природе. Избыток углерода-14 распространился по всей атмосфере Земли, достигнув пика в 1963 году, когда вступил в силу запрет на испытания.
Эта радиоактивность, которая постепенно снижалась с 1960-х годов, была поглощена растениями, животными и людьми, создав своего рода отметку времени, которая позволила исследователям измерять, когда происходят разные вещи - от продолжительности жизни белых акул до рост человеческого коленного хряща и даже клеток головного мозга. Это также позволило судебно-медицинским экспертам оценить возраст и год смерти человеческих останков с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее.
Как работает радиоуглеродный анализ
По словам Томаса Д. Холланда, использование импульса бомбы является шагом вперед по сравнению с обычным радиоуглеродным датированием, в котором используется встречающийся в природе 14C. Он профессор-исследователь и директор Научно-исследовательского и образовательного института судебной медицины в Государственном университете Среднего Теннесси.
«Радиоуглеродное датирование долгое время было опорой археологов», - объясняет Холланд по электронной почте. «Все живые существа поглощают углерод в течение жизни. Это включает в себя наиболее распространенную форму атома - углерод-12 (12C) - а также радиоактивную форму углерод-14 (14C)».
Обе эти изотопные формы существуют в известном соотношении, которое отражается в углероде в органических тканях. Когда организм умирает, он перестает поглощать углерод, и нестабильные атомы углерода-14 начинают распадаться при известном периоде полураспада примерно 5 700 лет. «Это приводит к тому, что отношение нестабильного углерода 14C к стабильному углероду 12C уменьшается с предсказуемой скоростью, - говорит Холланд, - и это уменьшающееся соотношение позволяет с некоторой точностью «датировать» органические вещества».
Большим ограничением радиоуглеродного датирования всегда был диапазон ошибок, по словам Холланда. «Расчетные даты, полученные на основе радиоактивного распада 14C, имеют диапазон ошибок плюс-минус в зависимости от размера и качества образца», - говорит он.«Как правило, диапазоны ошибок для хорошего образца не превышают нескольких сотен лет, что для большинства археологических целей незначительно, что делает радиоуглеродный анализ ценным инструментом в наборе археологических инструментов».
Эта проблема диапазона ошибок, однако, представляет собой реальное ограничение, когда возраст датируемого материала может быть меньше 100 лет - например, человеческие останки, найденные где-то захороненными или извлеченные из озера.
«Скелет, найденный закопанным в лесу, может быть недавней жертвой убийства или первым поселенцем в этом районе», - говорит Холланд. «Традиционное радиоуглеродное датирование может позволить точечную оценку года смерти человека, но если оно сопровождается погрешностью плюс-минус в 200 лет, это делает оценку малополезной - по крайней мере, в судебно-медицинских контекстах».
Это потому, что естественный 14C в атмосфере встречается в относительно постоянном количестве, поскольку космическое излучение, попадающее в атмосферу для создания изотопа, относительно постоянно.
Импульс бомбы изменил радиоуглеродный анализ
Импульс бомбы непостоянен.
«За 13 лет, в течение которых проводились надземные [ядерные бомбы] испытания, относительное количество 14C в атмосфере почти удвоилось по сравнению с нормальным уровнем», - объясняет Холланд. «На продольной диаграмме общее количество 14C, присутствующего в атмосфере, показывает резкий скачок в конце 1963 года, за которым следует постепенное снижение примерно на 4 процента в год по мере того, как «искусственный» 14C, созданный бомбой, поглощается из атмосферы. живыми существами и океаном."
Это означает, что если скелет, найденный в лесу, не показывает присутствия большого количества углерода-14, это довольно хороший признак того, что он датируется до 1950 года. Но если есть доказательства воздействия импульса бомбы, это Судебно-медицинские эксперты могут установить, что кости принадлежат человеку, который умер где-то между 1950 годом и настоящим.
" Кроме того, поскольку график атмосферного 14C показывает резкий восходящий наклон, начиная с первого испытания [ядерной бомбы] в 1950 году, достигая пика в конце 1963 года (когда был подписан договор о запрещении испытаний), а затем Более постепенная кривая поглощения, продолжающаяся в настоящее время, может оказаться возможным «точно настроить» дату смерти для людей, умерших после 1950 года», - говорит Холланд.
Изучая органические ткани с разной скоростью роста и «оборачиваемости», такие как ногти и волосы по отношению к костям, ученые могут оценить, куда на нисходящем склоне импульса бомбы падает образец, и предположить возраст.
"Ткани, которые реконструируются медленно, такие как кость, для обновления которой могут потребоваться годы, будут отражать более высокую концентрацию бомбы 14C, чем ткани, такие как волосы, которые будут отражать 14C, поглощенный ближе к моменту смерти. и, следовательно, ниже на склоне», - говорит Холланд. «Это может привести к оценке года смерти в пределах от одного до пяти лет».
Уровни углерода-14 в ногтях, например, могут помочь ученым определить год смерти с точностью 91%, согласно исследованию 2022 года, опубликованному в Journal of Forensic and Legal Medicine.
Что еще могут датировать ученые с помощью импульса бомбы?
Но импульс бомбы полезен не только для датирования человеческих тел. Туре Э. Серлинг, заведующий кафедрой геологии и геофизики и выдающийся профессор биологических наук, геологии и физики в Университете штата Юта, использовал импульс бомбы в этом исследовании 2016 года о браконьерстве в торговле слоновой костью.
" Мы обнаружили, что большая часть слоновой кости, изъятой таможенниками в этом исследовании, была убита менее чем за три года до конфискации, так что это не были образцы длительного хранения, и, следовательно, почти вся слоновая кость была конфискована (и, предположительно, также в торговле слоновой костью).) был получен от животных, убитых совсем недавно», - объясняет Серлинг по электронной почте. "Это не "старинная слоновая кость" ".
Серлинг отмечает, что один из его коллег из Университета штата Юта, Джеймс Р. Элерингер, использовал 14C для измерения периода времени между сбором листьев коки в Южной Америке и конфискацией изготовленного из них кокаина в США. С. И океанографы использовали 14C, чтобы определить, как океаны поглощают CO2, говорит он.
Главная проблема для ученых заключается в том, что импульс бомбы будет полезен только для отслеживания дат в узком временном окне. «Фактически импульс бомбы иссякнет примерно к 2030 году, и уровни 14C вернутся к уровню до 1950 года», - говорит Холланд. И некоторые исследования показывают, что сжигание ископаемого топлива может только ускорить этот срок.
Интересно
Как сообщала Science в 2021 году, радиоактивные осадки после испытаний ядерных бомб в 1950-х и 1960-х годах обнаруживаются в меде, произведенном в США