что такое радиоуглеродное датирование
Уиллард Либби и его радиоуглеродный метод
Илья Леенсон,
канд. хим. наук, ст. науч. сотр. химического факультета МГУ
«Троицкий вариант» №3(222), 14 февраля 2017 года
В 1955 году в Женеве проходила Международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Выступление одного из докладчиков началось необычно. Он вышел на трибуну с большим чемоданом, вынул из него старую плетеную обувь и объявил, что ее носил житель Северной Америки 9500 лет назад. Затем извлек из чемодана обломок деревянного весла и сказал, что оно изготовлено в Древнем Египте 3000 лет назад. Каким образом докладчик узнал об этом? Дело в том, что на трибуне стоял разработчик радиоуглеродного метода датировки археологических артефактов, будущий лауреат Нобелевской премии американский физикохимик Фрэнк Уиллард Либби.
Он родился в 1908 году в Гран-Вэлли (штат Колорадо) в семье малограмотного фермера с тремя классами образования. Окончил школу в 1926 году. Мечтал о карьере горного инженера. Но, начав учебу в Калифорнийском университете в Беркли, решил, что химия значительно интереснее. В 1931 году получил степень бакалавра по химии, а через два года стал доктором (PhD). В аспирантуре Либби работал под руководством известного физикохимика Гилберта Нортона Льюиса (1875–1946) и обнаружил, что элемент самарий обладает небольшой радиоактивностью. Оказалось, что один из изотопов самария ( 147 Sm), который считался стабильным, на самом деле распадается, только исключительно медленно (период полураспада — 106 млрд лет). Опыт работы с очень слабой радиоактивностью помог Либби получить в будущем Нобелевскую премию. Но пока его карьера шла обычным путем. Через два года после окончания аспирантуры Либби получил докторскую степень и стал преподавателем. Во время Второй мировой войны он участвовал в Манхэттенском проекте — работал над технологией газовой диффузии для разделения изотопов урана. В конце войны Либби стал профессором химического факультета Чикагского университета и одновременно проводил исследования в университетском Институте ядерных исследований.
Второй герой нашей истории — радиоуглерод. Природный углерод состоит из двух стабильных и одного радиоактивного изотопа. Стабильные — это 12 С (его в природе 99%) и 13 С (1%).
Наша планета подвергается непрерывному облучению космическими частицами. Если бы не атмосфера, пропускающая к земной поверхности лишь небольшую часть космического излучения, жизнь на Земле была бы невозможна, ее поверхность мало чем отличалась бы от поверхности Луны. Из разнообразных ядерных реакций, идущих в верхних слоях атмосферы, нас сейчас интересует захват нейтронов атомами азота, при котором из ядра вылетает один протон и получается углерод-14: 14 N + n → 14 C + р. Каждую секунду над 1 дм 2 земной поверхности образуется в среднем всего 240 атомов 14 С. В результате ежегодно во всей атмосфере появляется примерно 8 кг 14 С. Но столько же и распадается: 14 С радиоактивен; в результате бета-распада снова образуется 14 N. Период полураспада 14 С составляет 5730 лет. Поэтому всего на Земле имеется 60 тонн нуклида 14 С. Для земного шара 60 тонн — капля в море. Так, в атмосферном углекислом газе количество 14 С составляет лишь около тонны, или примерно 10–11% от «обычного» углерода 12 С (с небольшой примесью стабильного 13 С); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде.
Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило Уилларду Фрэнку Либби совершить в конце 1940-х годов выдающееся открытие и в 1960 году получить Нобелевскую премию по химии «За введение метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».
Теоретические основы радиоуглеродного метода датировки довольно просты. Однако для их практического использования пришлось провести очень большую работу, которую нельзя считать законченной и к настоящему времени. Нужно было прежде всего установить, действительно ли содержание 14 С в обычном углероде одинаково во всех живых организмах. С этой целью были изучены многочисленные объекты, в основном образцы древесины из свежесрубленных деревьев в разных местах земного шара, на разных широтах. Оказалось, что содержание 14 С в них одинаково: в каждом грамме углерода, выделенного из живого организма, в течение одной минуты распадается приблизительно 15,3 атома 14 С и выделяется столько же бета-частиц (электронов). Это исключительно слабая радиоактивность.
Возраст образца устанавливают так: если 1 г углерода исследуемого вещества излучает в минуту в среднем 15,3/2 = 7,65 бета-частицы, то такому образцу 5730 лет (прошло время Т), если 3,8 частицы — 11 460 лет (прошло время 2Т) и т. д. По формуле а = а0e –λ t (а0 и а — активности в начальный момент и через время t) можно рассчитать возраст образца при любой его активности: t = (1/λ) ln (a0/a). В случае радиоуглерода 1/λ = 5730/ln2 = 8270 лет. Например, если активность образца старой древесины снизилась (по сравнению со «свежей» древесиной) в 2,17 раза, то возраст такого образца равен t = 8270 × ln2,17 = 8270×0,775 ≈ 6400 лет. Очевидно, что очень важна точность, с которой определяется активность древних образцов. Вот здесь-то и была для Либби одна из главных трудностей. Поскольку активность образцов была значительно меньше радиоактивного фона, необходимо было использовать большие образцы, обеспечить защиту от внешней радиации и очень долгое измерение (иногда в течение многих суток).
Чтобы надежно определить возраст в пределах нескольких тысяч лет, Либби и его сотрудникам необходимо было взять из образца не менее 20 г углерода. Если это были угли из костра древнего человека или поваленные ледником деревья, то здесь проблем не возникало — углерода для исследований было в избытке. Но если образец — уникальное изделие, например старинная картина, то, конечно, никому не придет в голову сжечь значительную ее часть, чтобы установить возраст, хотя теоретически это было возможно (картины писали на холсте, а холст сделан из растительных волокон). Либби проверил точность предлагаемого им метода датирования, измерив радиоактивность образцов красного дерева и пихты, точный возраст которых был установлен путем подсчета годовых колец.
Метод был также проверен на образцах, возраст которых известен из археологических данных. Либби получил блестящее подтверждение своей теории. Среди археологических находок, датированных с помощью метода Либби, были кусочки дерева из гробниц фараонов (возраст от 3900 до 5600 лет); обугленный хлеб из дома в Помпеях, погребенных под вулканическим пеплом в 79 году н. э.; кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона, взятый в Чикагском музее естествознания; кусочки ткани, которыми были перевязаны манускрипты, найденные в районе Мертвого моря (книга Исайи); древесный уголь со стоянки древних людей в Стоунхендже (Англия); кочерыжка кукурузного початка из пещеры в Нью-Мексико и т. п. Либби также установил, что последний ледниковый период в Северной Америке окончился 10 тыс. лет назад, а не 25 тыс. лет, как было ранее подсчитано геологами. Установление времени последних ледниковых периодов на Земле считается главным достижением метода Либби.
Трудности возникали в тех случаях, когда возраст образца превышал несколько десятков тысяч лет; при этом атомов 14 С остается так мало, что их активность трудно с достаточной точностью измерить даже с помощью лучших счетчиков радиации. Проблемы возникают и со слишком «молодыми» образцами, содержание радиоуглерода в которых мало отличается от современного.
Разработка в 1970-е годы метода масс-спектрометрии с использованием ускорителя позволила увеличить чувствительность измерений более чем в тысячу раз. В последние годы в области точных измерений содержания нуклида 14 С были достигнуты такие успехи, что теперь вместо десятков граммов для анализа достаточно всего нескольких миллиграммов, а иногда и долей миллиграмма образца. Правда, для этого используется сложная и дорогостоящая аппаратура.
Для проверки и корректировки метода был проведен анализ годовых колец некоторых деревьев, возраст которых исчисляется тысячами лет (для остистой сосны — более 4900 лет). Дерево спиливать не нужно, достаточно вырезать из него длинный керн небольшого диаметра и взять образец известного (из годовых колец) возраста. (Похожие керны вырезали, например, из ледового щита Антарктиды, чтобы изучить ее историю.)
Поэтому при использовании радиоуглеродного метода делают поправки по калибровочному графику, который учитывает и природные, и антропогенные факторы.
Очень серьезную проблему представляет загрязнение анализируемого образца. При этом случайное попадание «старого» углерода, например в виде мела, в «современный» не так опасно: ошибка в этом случае будет невелика. Такое загрязнение идет с середины XIX века из-за сжигания ископаемого топлива, когда углекислый газ в атмосфере разбавляется «старым», не содержащим 14 С. Это дает отклонение примерно 3%, и его тоже учитывают в расчетах. Но если в старый образец, в котором содержание радиоуглерода за время его существования уменьшилось, скажем, в сто раз, попадет хотя бы 1% примеси «современного» углерода, то общее количество 14 С в образце удвоится, что приведет к огромной ошибке в определении возраста (она будет равна T, т. е. около 5700 лет!). С подобными «загрязнениями» исследуемых объектов приходится иметь дело довольно часто. Например, в штате Орегон (США) в пещере Форт-Рок нашли 300 пар древней обуви. Археологи решили для лучшей сохранности покрыть их слоем шеллачного лака. К счастью, для шести пар лака не хватило, поэтому они остались пригодными для определения возраста радиоуглеродным методом (в лаке есть «свежий» 14 С, который бы смазал всю картину).
Со времен Либби были проведены тысячи измерений радиоуглеродным методом. Случались и курьезы. Когда с помощью радиоуглеродного метода попытались определить возраст травы, растущей возле шоссе с оживленным движением, оказалось, что траве. много тысяч лет! Разгадка здесь довольно проста: трава усваивала углекислый газ, источником которого в значительно степени были выхлопные газы автомобилей. Эти газы получались при сгорании бензина, а бензин был получен из нефти. Нефть же образовалась миллионы лет назад, в ней нуклид 14 С не сохранился. Вот почему содержание 14 С в придорожной траве оказалось сильно заниженным.
Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке
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.
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: [2, с. 157–198; 3]), 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 [4]. 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 [5].
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» [4, p. 149–150], его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день [6, 7].
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 [8].
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 [9, c. 17], 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 [10]. 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 [4]. 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 [3, с. 151].
Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах [4, 11, 12]. Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы [13], рукописей Мёртвого моря [14], наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании [15], древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием [16, 17]. 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 [2, с. 173, 174].
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 [4]. 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) [4].
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 [6], особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: [12, 18]). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: [19, p. 2899–2965]), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири [20, 21], датирование извержений вулканов Камчатки [22]; хронология ледникового века северо-запада Европейской России [6, с. 243–271] и севера Евразии в целом [23].
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 [24]. 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 [25]; 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 [26]. 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 [27].
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 [12] и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания 14 С в таких объектах, как метеориты и ледники [2, 12]. Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. [7, 12].
Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14 С-дат [2]. 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) [8].
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. [13]. 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 [32], однако детальное изучение описанных ими процессов не нашло подтверждения [33]. 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 [4, p. 152–153]. 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 [34]; 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
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.