В течение десятилетий специалисты по радиоуглеродному датированию использовали сигнал, получивший название «серебряная подкладка» испытаний атомного оружия, проведенных в 1950-х годах. По мере того, как обломки взрыва поднимались в воздух, частицы радиоактивного углерода-14 попадали в атмосферу. Эти осадки создали так называемый импульс бомбы. Концентрация углерода-14 в атмосфере резко возросла в 1950-х и начале 1960-х годов, после чего последовало постепенное снижение после подписания Договора об ограниченном запрещении ядерных испытаний в 1963 году.
В результате на кривой углерода-14 появился характерный всплеск, который стал благом для области радиоуглеродного датирования. Но эти методы оказались под угрозой в 2021 году, когда выбросы углекислого газа (CO2) при сжигании ископаемого топлива затмили сигнал. Следовательно, исследователям, возможно, придется полагаться на новые или дополнительные методы определения возраста органических материалов.
Углеродные атомные часы
Радиоуглеродное датирование использует тот факт, что углерод встречается в нескольких формах, из которых наиболее распространен углерод-12. Гораздо реже встречается радиоактивный изотоп углерод-14. Углерод-14 образуется при столкновении космического излучения с атмосферой. Затем изотоп опускается на поверхность Земли, где он включается в растения и другие органические вещества.
В тот момент, когда умирает организм, начинают тикать радиоактивные часы. Атомы углерода-14 со временем распадаются, уменьшая концентрацию радиоактивного углерода в тканях. Измеряя количество обоих изотопов, ученые могут определить дату смерти образца. Чем меньше концентрация углерода-14, тем старше образец.
Радиоуглеродное датирование может применяться к образцам возрастом до 50 000 лет. Однако метод теряет точность по мере того, как кто-то исследует далекое прошлое, и результаты часто предполагают несколько возможных возрастов или включают большие неопределенности. Импульс бомбы, с другой стороны, позволил датировать недавние образцы с точностью до одного-двух лет, что является поразительной степенью точности.
«В то время как радиоуглеродное датирование обычно ассоциируется с археологией и объектами из далекого прошлого, импульс бомбы был более уместным для широкого спектра судебно-медицинских сценариев», - пояснила Фиона Брок. Она бывший химик по радиоуглероду в Оксфордском университете и нынешний член Крэнфилдского института судебной медицины в Крэнфилдском университете, где она преподает и консультирует по радиоуглеродному датированию. Исследователи использовали импульс бомбы для идентификации жертв Корейской войны, разоблачения подделок произведений искусства и обнаружения фальшивых вин и виски.
Радиоуглерод уменьшается
По иронии судьбы, это неожиданное преимущество человеческого вмешательства в окружающую среду становится жертвой другого вида вмешательства: сжигания ископаемого топлива. Ископаемое топливо состоит из органического материала, которому миллионы лет - достаточно старого, чтобы весь его углерод-14 разложился. Таким образом, газы, выделяющиеся при сгорании ископаемого топлива, снижают концентрацию углерода-14 в атмосфере. Широкое использование ископаемого топлива частично ответственно за быстрое затухание импульса бомбы после 1963 года.
В 2021 году концентрация углерода-14 в атмосфере впервые с 1950-х годов упала ниже значений, существовавших до взрыва бомбы. Это означает, что органическая ткань, формирующаяся сегодня, имеет ту же концентрацию углерода-14, что и образец 1955 года - проблематичный эффект для исследователей, пытающихся отличить образцы того возраста.
По мере того, как мы продолжаем сжигать ископаемое топливо, проблема будет усугубляться. Через тридцать лет новый органический материал будет иметь ту же концентрацию углерода-14, что и образец из 1050 года. Это означает, что радиоуглеродный анализ не сможет отличить тунику викингов от футболки, только что сошедшей с вешалки в 2050 году.
Потеря импульса бомбы влияет как на исследовательские, так и на криминалистические приложения. Например, «хорошие фальсификаторы могут максимально использовать ситуацию, когда современная краска имеет ту же потенциальную дату, что и историческое произведение искусства, или, по крайней мере, манипулировать ситуацией, чтобы вызвать достаточное сомнение в том, является ли что-то подлинным или подделкой», - говорит Брок..
Спасение радиоуглерода
Импульс бомбы был обречен на затухание в конце концов, поскольку углерод-14 попал в океан или распался, но сжигание ископаемого топлива ускорило его упадок. Однако потеря импульса бомбы не означает конец радиоуглеродного датирования. Другие методы могут дополнять радиоуглеродные данные.
В одном из таких решений используется углерод-13, еще один стабильный изотоп углерода. Как и его радиоактивный брат, углерода-13 мало в ископаемом топливе, поэтому его концентрация в атмосфере уменьшается по мере того, как мы сжигаем уголь, нефть или газ. Измеряя углерод-13 вместе с углеродом-14, исследователи могут определить, датируется ли образец до или после промышленной революции. В качестве альтернативы радиоактивный цезий-137, выброшенный во время испытаний бомбы, может идентифицировать образцы, образовавшиеся после 1963 года.
Петер Кёлер, физик из Института Альфреда Вегенера в Германии, изучающий изотопы углерода и чувствительность климата, считает, что радиоуглеродное датирование будет по-прежнему широко использоваться.
«Нужно руководствоваться здравым смыслом, - говорит Келер. «Образцы измеряются в контексте, и это должно дать достаточно информации, если есть опасность перепутать современное и древнее».
Кэролайн Хаслер - научный обозреватель Eos. Она окончила ETH Zurich и в настоящее время учится на докторскую степень. в Калифорнийском университете в Беркли.