Jak działa metoda datowania radiowęglowego i czy jest niezawodna?

Datowanie radiowęglowe jest jednym z najbardziej znanych archeologiczne techniki datowania dostępne dla naukowców, a wiele osób z ogółu społeczeństwa przynajmniej o tym słyszało. Istnieje jednak wiele nieporozumień na temat działania radiowęglowodoru i niezawodności techniki.

Datowanie radiowęglowe zostało wynalezione w latach 50. XX wieku przez amerykańskiego chemika Willarda F. Libby i kilku jego studentów z University of Chicago: w 1960 roku otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za wynalazek. Była to pierwsza absolutna metoda naukowa, jaką kiedykolwiek wynaleziono: technika ta była pierwszą, która pozwoliła badaczowi ustalić, jak dawno temu obiekt organiczny zmarł, czy jest w kontekst albo nie. Nieśmiała datownik na obiekcie, jest to wciąż najlepsza i najdokładniejsza z opracowanych technik randkowych.

Wszystkie żywe istoty wymieniają gaz Węgiel 14 (C14) z otaczającą je atmosferą - zwierzęta i rośliny wymieniają węgiel 14 z atmosferą, ryby i koralowce wymieniają węgiel z rozpuszczonym C14 w wodzie. W ciągu życia zwierzęcia lub rośliny ilość C14 jest idealnie zrównoważona z ilością otaczającego ją środowiska. Kiedy organizm umiera, równowaga zostaje zerwana. C14 w martwym organizmie powoli rozkłada się w znanym tempie: jego „okres półtrwania”.

Okres półtrwania izotop tak jak C14 to czas, który zajmuje jego połowa: w C14, co 5730 lat, połowa tego już nie ma. Tak więc, jeśli zmierzysz ilość C14 w martwym organizmie, możesz dowiedzieć się, jak dawno przestał on wymieniać węgiel z atmosferą. Biorąc pod uwagę stosunkowo nieskazitelne okoliczności, laboratorium radiowęglowe może dokładnie zmierzyć ilość radiowęglowca w martwym organizmie jeszcze 50 000 lat temu; po tym nie ma już C14 do zmierzenia.

Jest jednak problem. Węgiel w atmosferze zmienia się wraz z siłą pole magnetyczne ziemi i aktywność słoneczna. Musisz wiedzieć, jaki był wówczas poziom węgla atmosferycznego („zbiornik” radiowęglowy) śmierci organizmu, aby móc obliczyć, ile czasu minęło od organizmu zmarły. To, czego potrzebujesz, to linijka, rzetelna mapa do zbiornika: innymi słowy, organiczny zestaw obiektów, które ty może bezpiecznie przyporządkować datę, zmierzyć zawartość C14, a tym samym ustanowić zbiornik podstawowy w danym roku.

Na szczęście mamy organiczny obiekt, który co roku śledzi węgiel w atmosferze: kręgi na pniu drzewa. Drzewa utrzymują równowagę węgla 14 w swoich pierścieniach wzrostu - a drzewa wytwarzają pierścień za każdym razem, gdy żyją. Chociaż nie mamy żadnych 50-letnich drzew, mamy nakładające się zestawy pierścieni drzewnych do 12.594 lat. Innymi słowy, mamy dość solidny sposób na kalibrację surowych dat radiowęglowych dla ostatnich 12 594 lat przeszłości naszej planety.

Ale wcześniej dostępne są tylko fragmentaryczne dane, co bardzo utrudnia ostateczne datowanie czegoś starszego niż 13 000 lat. Wiarygodne szacunki są możliwe, ale przy dużych współczynnikach +/-.

Jak można sobie wyobrazić, od odkrycia Libby naukowcy próbują odkryć inne obiekty organiczne, które można bezpiecznie datować bezpiecznie. Inne zbadane zbiory danych organicznych obejmowały zmienne (warstwy w skale osadowej, które były układane co roku i zawierają materiały organiczne, koralowce głębinowe, speleotemy (złoża jaskiniowe) i wulkaniczne tefry; ale występują problemy z każdą z tych metod. Złoża i zmienne w jaskiniach mogą potencjalnie obejmować stary węgiel glebowy, a do tej pory istnieją nierozwiązane problemy z wahaniami ilości C14 w koralowce oceaniczne.

Począwszy od lat 90. koalicja naukowców prowadzona przez Paulę J. Reimer of Centrum Klimatu, Środowiska i Chronologii CHRONO, na Queen's University Belfast, zaczął budować obszerny zestaw danych i narzędzie do kalibracji, które po raz pierwszy nazwali CALIB. Od tego czasu CALIB, obecnie przemianowany na IntCal, został kilkakrotnie udoskonalony. IntCal łączy i wzmacnia dane z pierścieni drzew, rdzeni lodowych, tefry, koralowców i speleotemów, aby wymyślić znacznie ulepszony zestaw kalibracyjny dla dat c14 od 12 000 do 50 000 lat temu. Ostatnie krzywe zostały ratyfikowane w 21 Międzynarodowa Konferencja Radiowęglowa w lipcu 2012 r.

W ciągu ostatnich kilku lat nowym potencjalnym źródłem dalszej rafinacji krzywych radiowęglowych jest jezioro Suigetsu w Japonii. Corocznie formowane osady jeziora Suigetsu zawierają szczegółowe informacje o zmianach środowiskowych w ciągu ostatnich 50 000 lata, które zdaniem specjalisty ds. radiowęglowych PJ Reimer będą równie dobre, a być może lepsze, niż rdzenie próbek Lodowiec Grenlandii.

Badacze Bronk-Ramsay i in. zgłoś 808 dat AMS na podstawie zmiennych osadów zmierzonych przez trzy różne laboratoria radiowęglowe. Daty i odpowiadające im zmiany środowiskowe zapowiadają bezpośrednie korelacje między innymi kluczowymi zapisami klimatycznymi, umożliwiając badaczom takim jak Reimer dokładną kalibrację datowań radiowęglowych od 12 500 do praktycznego limitu datowania c14 52,800.

Reimer i współpracownicy zwracają uwagę, że IntCal13 jest najnowszym zestawem kalibracyjnym i należy się spodziewać dalszych udoskonaleń. Na przykład podczas kalibracji IntCal09 odkryli dowody na to, że podczas młodszych Dryas (12.550–12.900 BP) zamknięcie lub przynajmniej gwałtowne ograniczenie formacji głębokich wód Północnego Atlantyku, co z pewnością było odzwierciedleniem zmian klimatu; musieli wyrzucić dane z tego okresu z Północnego Atlantyku i użyć innego zestawu danych. To powinno przynieść ciekawe rezultaty w przyszłości.

• _{Bronk Ramsey C, Staff RA, Bryant CL, Brock F, Kitagawa H, Van der Plicht J, Schlolaut G, Marshall MH, Brauer A, Lamb HF i in. 2012. Kompletny rekord naziemnej radiowęglowej dla 11,2 do 52,8 kyr B.P. Science 338: 370-374.}
• _{Reimer PJ. 2012. Nauki o atmosferze. Udoskonalenie skali czasowej radiowęglowej. Nauka 338(6105):337-338.}
• _{Reimer PJ, Bard E, Bayliss A, Beck JW, Blackwell PG, Bronk Ramsey C, Buck CE, Cheng H, Edwards RL, Friedrich M i in. 2013. Krzywe kalibracji wieku radiowęglowego IntCal13 i Marine13 0–50 000 lat cal BP. Radiowęglowy 55(4):1869–1887.}
• _{Reimer P, Baillie M, Bard E, Bayliss A, Beck J, Blackwell PG, Bronk Ramsey C, Buck C, Burr G, Edwards R i in. 2009. Krzywe kalibracji wieku radiowęglowego IntCal09 i Marine09, BP 0-50 000 lat.Radiowęglowy 51(4):1111-1150.}
• _{Stuiver M i Reimer PJ. 1993. Rozszerzona baza danych C14 i poprawiony program kalibracji wieku Calib 3.0 c14. Radiowęglowy 35(1):215-230.}