Datowanie radiowęglowe -
Radiocarbon dating

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

.

za swoją pracę w 1960 roku.

w atmosferze, które około 1965 r. osiągnęło maksimum prawie dwukrotnie wyższe niż w atmosferze przed próbami jądrowymi.

w różnych regionach.

Tło

Historia

, który przebywał wówczas w Berkeley, dowiedział się o badaniach Korffa i wpadł na pomysł, że możliwe byłoby użycie węgla radioaktywnego do datowania.

z 1947 r., w którym autorzy skomentowali, że ich wyniki sugerowały możliwość datowania materiałów zawierających węgiel pochodzenia organicznego.

Libby i James Arnold przystąpili do testowania teorii datowania radiowęglowego, analizując próbki o znanym wieku. Na przykład dwie próbki pobrane z grobowców dwóch egipskich królów, Zosera i Snofru , niezależnie datowane na 2625 pne plus minus 75 lat, zostały datowane przez pomiar radiowęglowy na średnio 2800 pne plus minus 250 lat. Wyniki te zostały opublikowane w Science w grudniu 1949 roku. W ciągu 11 lat od ich ogłoszenia na całym świecie powstało ponad 20 laboratoriów datowania radiowęglowego. W 1960 roku Libby otrzymała za tę pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii .

Dane fizyczne i chemiczne

jest tworzone:

gdzie n oznacza neutron , a p oznacza proton .

).

.

to:

.

Zasady

zostanie.

Równanie rządzące rozpadem izotopu promieniotwórczego to:

to 8267 lat, więc powyższe równanie można przepisać jako:

, wieku próbki, przy użyciu powyższego równania.

pozostanie; jedna czwarta pozostanie po 11460 latach; ósma po 17 190 latach; i tak dalej.

nie zmienił się w czasie.

w atmosferze z biegiem czasu.

Zbiornik wymiany węgla

w równowadze z atmosferą.

niższy niż w biosferze.

Rozważania dotyczące randek

, które zawiera, często daje błędny wynik. Istnieje kilka innych możliwych źródeł błędów, które należy wziąć pod uwagę. Błędy są czterech ogólnych typów:

  • frakcjonowanie izotopowe;
  • zanieczyszczenie.

Zmienność atmosferyczna

.

, gdyby dodatkowy węgiel z paliw kopalnych został rozprowadzony w całym zbiorniku wymiany węgla, ale z powodu długiego opóźnienia w mieszaniu się z głębinami oceanicznymi, rzeczywisty efekt to 3% redukcja.

lub „węgiel bombowy” (jak to się czasem nazywa) przenika do reszty zbiornika.

Frakcjonowanie izotopowe

w roślinach różniące się od stosunków w atmosferze. Efekt ten jest znany jako frakcjonowanie izotopowe.

, oblicza się w następujący sposób:

?
wartości są ujemne.

Owce North Ronaldsay na plaży w North Ronaldsay . Zimą owce te jedzą wodorosty, które mają wyższą temperaturę
δ
13 Czawartość niż trawa; próbki z tych owiec mają
δ
13 C wartość około -13‰, która jest znacznie wyższa niż w przypadku owiec żywiących się trawami.
Materiał Typowy
δ
13 C zakres WPB 0‰ Plankton morski −22‰ do -17‰ Rośliny C3 -30‰ do -22‰ Rośliny C4 -15‰ do -9‰ -8‰ od −32‰ do −13‰ w stosunku do diety.

wartość dla tej próbki bezpośrednio, niż polegać na opublikowanych wartościach.

jest podobne do pomiarów w pozostałej części biosfery. Korekta o frakcjonowanie izotopowe, tak jak w przypadku wszystkich dat radiowęglowych, aby umożliwić porównanie wyników z różnych części biosfery, daje pozorny wiek wód powierzchniowych oceanu na około 400 lat.

Efekty zbiornika

w zbiorniku wymiany jest stały na całym świecie, ale od tego czasu odkryto, że istnieje kilka przyczyn zmienności stosunku w zbiorniku.

Efekt morski

z wodami powierzchniowymi, w wyniku czego woda z niektórych obszarów głębin oceanicznych ma pozorny wiek radiowęglowy kilku tysięcy lat. Upwelling miesza tę „starą” wodę z wodą powierzchniową, nadając wodzie powierzchniowej pozorny wiek około kilkuset lat (po skorygowaniu o frakcjonowanie). Efekt ten nie jest jednolity – średni efekt wynosi około 400 lat, ale występują lokalne odchylenia rzędu kilkuset lat dla obszarów geograficznie bliskich sobie. Odchylenia te można uwzględnić podczas kalibracji, a użytkownicy oprogramowania takiego jak CALIB mogą wprowadzić jako dane wejściowe odpowiednią poprawkę dla lokalizacji swoich próbek. Efekt dotyczy również organizmów morskich, takich jak muszle, i ssaków morskich, takich jak wieloryby i foki, których wiek radiowęglowy wydaje się mieć setki lat.

Efekt półkuli

jest usuwany z atmosfery południowej szybciej niż na północy. Efekt wzmacnia silny upwelling wokół Antarktydy.

Inne efekty

, mogą dawać podobne wyniki, a także zmniejszać widoczny wiek, jeśli pochodzą z nowszego pochodzenia niż próbka. Efekt jest bardzo zróżnicowany i nie ma ogólnego przesunięcia, które można zastosować; Zwykle potrzebne są dodatkowe badania, aby określić wielkość offsetu, na przykład przez porównanie wieku radiowęglowego osadzonej muszli słodkowodnej z powiązanym materiałem organicznym.

miały pozorny wiek, który wahał się od 250 do 3320 lat.

Zanieczyszczenie

, powoduje błąd w drugą stronę, niezależnie od wieku – próbka zanieczyszczona 1% starym węglem będzie wyglądała na około 80 lat starsza niż jest w rzeczywistości, niezależnie od daty pobrania próbki.

Próbki

może to oznaczać konwersję do postaci gazowej, ciekłej lub stałej, w zależności od stosowanej techniki pomiarowej. Zanim to będzie możliwe, próbka musi zostać poddana obróbce w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń i niepożądanych składników. Obejmuje to usuwanie widocznych zanieczyszczeń, takich jak korzonki, które mogły przeniknąć do próbki od momentu jej pochówku. Do usuwania zanieczyszczeń kwasem humusowym i węglanami można stosować płukanie alkaliczne i kwasowe, ale należy zachować ostrożność, aby uniknąć usunięcia części próbki, która zawiera badany węgiel.

Rozważania materialne

  • Powszechne jest redukowanie próbki drewna tylko do składnika celulozowego przed badaniem, ale ponieważ może to zmniejszyć objętość próbki do 20% jej pierwotnej wielkości, często przeprowadza się również badanie całego drewna. Węgiel drzewny jest często testowany, ale prawdopodobnie będzie wymagał leczenia w celu usunięcia zanieczyszczeń.
  • Można przetestować niespaloną kość; do tej pory zwykle używa się kolagenu , frakcji białka, która pozostaje po wypłukaniu materiału strukturalnego kości. Hydroksyprolina , jeden z aminokwasów składowych kości, była kiedyś uważana za wiarygodny wskaźnik, ponieważ nie wiedziano, że występuje z wyjątkiem kości, ale od tego czasu została wykryta w wodach gruntowych.
  • W przypadku kości spalonej testowalność zależy od warunków, w jakich kość została spalona. Jeśli kość została podgrzana w warunkach redukujących , to (i związana z nią materia organiczna) mogły ulec zwęgleniu. W takim przypadku próbka jest często użyteczna.
  • Muszle zarówno organizmów morskich, jak i lądowych składają się prawie wyłącznie z węglanu wapnia, w postaci aragonitu lub kalcytu , lub jakiejś ich mieszaniny. Węglan wapnia jest bardzo podatny na rozpuszczanie i rekrystalizację; rekrystalizowany materiał będzie zawierał węgiel ze środowiska próbki, który może być pochodzenia geologicznego. Jeśli testowanie rekrystalizowanej powłoki jest nieuniknione, czasami możliwe jest zidentyfikowanie oryginalnego materiału powłoki na podstawie sekwencji testów. Możliwe jest również badanie konchioliny , organicznego białka znajdującego się w skorupce, ale stanowi ono zaledwie 1-2% materiału skorupy.
  • Gleba zawiera materiał organiczny, ale ze względu na prawdopodobieństwo zanieczyszczenia kwasem humusowym nowszego pochodzenia bardzo trudno jest uzyskać zadowalające datowanie radiowęglowe. Zaleca się przesianie gleby pod kątem fragmentów pochodzenia organicznego i datowanie fragmentów metodami tolerującymi małe rozmiary próbek.
  • Inne materiały, które zostały z powodzeniem datowane, to kość słoniowa, papier, tkaniny, pojedyncze nasiona i ziarna, słoma z cegieł mułowych oraz zwęglone resztki jedzenia znalezione w ceramice.

Przygotowanie i rozmiar

w starym materiale i wydłuża maksymalny wiek, który można wiarygodnie zgłosić.

może być również używany.

Ilość materiału potrzebnego do badania zależy od rodzaju próbki i zastosowanej technologii. Istnieją dwa rodzaje technologii testowania: detektory rejestrujące radioaktywność, znane jako liczniki beta, oraz akceleratorowe spektrometry masowe. W przypadku liczników beta zazwyczaj wymagana jest próbka ważąca co najmniej 10 gramów (0,35 uncji). Akceleratorowa spektrometria masowa jest znacznie bardziej czuła i można użyć próbek zawierających zaledwie 0,5 miligrama węgla.

Pomiar i wyniki

można dokładnie przeliczyć na siebie. Przez pewien czas metody zliczania beta były dokładniejsze niż AMS, ale AMS jest teraz dokładniejszy i stał się preferowaną metodą pomiarów radiowęglowych. Oprócz zwiększonej dokładności, AMS ma dwie inne istotne zalety w porównaniu do zliczania beta: może przeprowadzać dokładne testy na próbkach znacznie za małych do zliczania beta i jest znacznie szybszy – dokładność 1% można osiągnąć w ciągu kilku minut dzięki AMS, co jest znacznie szybszy niż byłoby to możliwe w przypadku starszej technologii.

Liczenie beta

są tak słabe, że połowa jest zatrzymana przez aluminium o grubości 0,01 mm.

te rejestrują zdarzenia poza licznikiem, a każde zdarzenie rejestrowane jednocześnie w liczniku i poza licznikiem jest uważane za zdarzenie obce i jest ignorowane.

, ponieważ wchodzą w interakcję ze środkiem fluorescencyjnym dodanym do benzenu. Podobnie jak liczniki gazu, liczniki scyntylacyjne cieczy wymagają liczników osłonowych i przeciwzbiegowych.

. Ponadto mierzy się próbkę o standardowej aktywności, aby zapewnić punkt odniesienia do porównania.

Akceleratorowa spektrometria masowa

Uproszczony schematyczny układ akceleratorowego spektrometru mas używanego do zliczania izotopów węgla do datowania węglem
ze ślepej próby procesowej mierzy ilość zanieczyszczeń wprowadzonych podczas przygotowywania próbki. Pomiary te są wykorzystywane do późniejszego obliczenia wieku próbki.

Obliczenia

Obliczenia, które należy wykonać na podstawie wykonanych pomiarów, zależą od zastosowanej technologii, ponieważ liczniki beta mierzą radioaktywność próbki, podczas gdy AMS określa stosunek trzech różnych izotopów węgla w próbce.

Aby określić wiek próbki, której aktywność zmierzono za pomocą zliczania beta, należy znaleźć stosunek jej aktywności do aktywności wzorca. Aby to ustalić, mierzy się ślepą próbkę (starego lub martwego węgla) i mierzy się próbkę o znanej aktywności. Dodatkowe próbki umożliwiają wykrywanie i korygowanie błędów, takich jak promieniowanie tła i błędy systematyczne w układzie laboratoryjnym. Najpopularniejszym standardowym materiałem próbki jest kwas szczawiowy, taki jak standard HOxII, którego 1000 funtów został przygotowany przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) w 1977 r. z francuskich zbiorów buraków.

, który zostałby zmierzony w 1950 roku, gdyby nie było efektu paliw kopalnych.

-25‰.

jest znany, „wiek radiowęglowy” oblicza się za pomocą:

Obliczenie wykorzystuje 8033 lata, średni okres życia wyprowadzony z okresu półtrwania Libby wynoszącego 5568 lat, a nie 8267 lat, średni okres życia wyprowadzony z bardziej dokładnej współczesnej wartości 5730 lat. Wartość Libby dla okresu półtrwania jest wykorzystywana do zachowania spójności z wynikami wczesnych badań radiowęglowych; krzywe kalibracji uwzględniają poprawkę na to, dzięki czemu zapewniona jest dokładność końcowego podanego wieku kalendarzowego.

Błędy i niezawodność

należy zmierzyć z takim samym okresem błędu wynoszącym 80 lat.

być mierzalnym. Starsze daty uzyskano stosując specjalne techniki przygotowania próbek, duże próbki i bardzo długie czasy pomiaru. Techniki te umożliwiają pomiar dat do 60 000, aw niektórych przypadkach nawet do 75 000 lat przed teraźniejszością.

Daty radiowęglowe są zazwyczaj przedstawiane z zakresem jednego odchylenia standardowego (zwykle reprezentowanego przez grecką literę sigma jako 1σ) po obu stronach średniej. Jednak zakres dat równy 1σ reprezentuje tylko 68% poziom ufności, więc prawdziwy wiek mierzonego obiektu może wykraczać poza podany zakres dat. Zostało to zademonstrowane w 1970 roku w eksperymencie przeprowadzonym przez laboratorium radiowęglowe British Museum, w którym cotygodniowe pomiary wykonywano na tej samej próbce przez sześć miesięcy. Wyniki były bardzo zróżnicowane (choć konsekwentnie z normalnym rozkładem błędów w pomiarach) i obejmowały wiele zakresów dat (o ufności 1σ), które nie nakładały się na siebie. Pomiary obejmowały jeden z zakresu od około 4250 do około 4390 lat temu, a drugi z zakresu od około 4520 do około 4690.

Błędy w procedurze mogą również prowadzić do błędów w wynikach. Jeśli 1% benzenu w nowoczesnej próbce odniesienia przypadkowo wyparuje, zliczanie scyntylacyjne da za młody wiek radiowęglowy o około 80 lat.

Kalibrowanie

Pień bardzo starej sosny bristlecone. Słoje z tych drzew (między innymi) wykorzystywane są do budowy krzywych kalibracyjnych.
był historycznie stały. Chociaż Libby wskazała już w 1955 r. na możliwość, że to założenie było błędne, dopiero gdy zaczęły się nawarstwiać rozbieżności między zmierzonym wiekiem a znanymi datami historycznymi artefaktów, stało się jasne, że należy zastosować poprawkę do wieku radiowęglowego, aby uzyskać daty kalendarzowe.

Aby uzyskać krzywą, którą można wykorzystać do powiązania lat kalendarzowych z latami radiowęglowymi, potrzebna jest sekwencja bezpiecznie datowanych próbek, które można przetestować w celu określenia ich wieku radiowęglowego. Badanie słojów doprowadziło do powstania pierwszej takiej sekwencji: poszczególne kawałki drewna wykazują charakterystyczne sekwencje słojów, różniące się grubością ze względu na czynniki środowiskowe, takie jak ilość opadów w danym roku. Czynniki te wpływają na wszystkie drzewa na danym obszarze, więc badanie sekwencji słojów ze starego drewna pozwala na identyfikację nakładających się sekwencji. W ten sposób nieprzerwana sekwencja słojów może zostać przedłużona daleko w przeszłość. Pierwszą tak opublikowaną sekwencję, opartą na słojach sosny bristlecone, stworzył Wesley Ferguson . Hans Suess wykorzystał te dane do opublikowania pierwszej krzywej kalibracyjnej dla datowania radiowęglowego w 1967 roku. Krzywa ta wykazywała dwa rodzaje odchyleń od linii prostej: długookresową fluktuację z okresem około 9000 lat i krótkoterminową zmienność, często przywoływaną. do jako „wiggles”, z okresem dziesięcioleci. Suess powiedział, że narysował linię pokazującą ruchy za pomocą „kosmicznego schwung ”, przez co miał na myśli, że zmiany zostały spowodowane przez siły pozaziemskie. Przez pewien czas nie było jasne, czy ruchy są prawdziwe, czy nie, ale teraz są dobrze ugruntowane. Te krótkotrwałe wahania krzywej kalibracyjnej są obecnie znane jako efekty de Vriesa, po Hessel de Vries .

Krzywa kalibracyjna jest używana przez wzięcie daty radiowęglowej podanej przez laboratorium i odczytanie w poprzek tej daty na pionowej osi wykresu. Punkt, w którym ta pozioma linia przecina krzywą, poda wiek kalendarzowy próbki na osi poziomej. Jest to odwrotność konstrukcji krzywej: punkt na wykresie pochodzi z próbki o znanym wieku, takiej jak słoje; kiedy jest testowany, uzyskany wiek radiowęglowy daje punkt danych dla wykresu.

Krzywa półkuli północnej z IntCal20. Od 2020 roku jest to najnowsza wersja standardowej krzywej kalibracji. Linia ukośna pokazuje, gdzie przebiegałaby krzywa, gdyby wiek radiowęglowy i wiek kalendarzowy były takie same.

W ciągu następnych trzydziestu lat opublikowano wiele krzywych kalibracyjnych przy użyciu różnych metod i podejść statystycznych. Zostały one zastąpione przez serię krzywych IntCal, poczynając od IntCal98, opublikowaną w 1998 i zaktualizowaną w 2004, 2009, 2013 i 2020. Ulepszenia tych krzywych są oparte na nowych danych zebranych z słojów drzew, varves , koralowców , roślin makroskamieniałości , nacieków i otwornic . Dane IntCal20 zawierają oddzielne krzywe dla półkuli północnej i południowej, ponieważ różnią się one systematycznie ze względu na efekt półkuli. Krzywa południowa (SHCAL20) jest oparta na niezależnych danych tam, gdzie to możliwe i wyprowadzona z krzywej północnej przez dodanie średniego przesunięcia dla półkuli południowej, gdzie nie były dostępne żadne bezpośrednie dane. Istnieje również oddzielna morska krzywa kalibracji MARINE20. Dla zestawu próbek tworzących sekwencję o znanym rozdzieleniu w czasie, próbki te tworzą podzbiór krzywej kalibracyjnej. Sekwencję można porównać z krzywą kalibracji i najlepiej dopasować do ustalonej sekwencji. Ta technika „wiggle-matching” może prowadzić do dokładniejszego datowania niż jest to możliwe w przypadku pojedynczych dat radiowęglowych. Dopasowywanie wiggle może być stosowane w miejscach, w których na krzywej kalibracyjnej występuje plateau, a zatem może zapewnić znacznie dokładniejszą datę niż są w stanie wytworzyć metody przecięcia lub prawdopodobieństwa. Technika nie ogranicza się do słojów; na przykład uwarstwiona sekwencja tefry w Nowej Zelandii, która, jak się uważa, pochodzi z okresu poprzedzającego ludzką kolonizację wysp, została datowana na 1314 r. n.e. ± 12 lat przez dopasowywanie wiggle. Wiggles oznacza również, że odczytanie daty z krzywej kalibracyjnej może dać więcej niż jedną odpowiedź: dzieje się tak, gdy krzywa porusza się w górę i w dół na tyle, że wiek radiowęglowy przecina krzywą w więcej niż jednym miejscu, co może prowadzić do uzyskania wyniku radiowęglowego. zgłaszane jako dwa oddzielne przedziały wiekowe, odpowiadające dwóm częściom krzywej, którą przechwycił wiek radiowęglowy.

Bayesowskie techniki statystyczne mogą być stosowane, gdy trzeba skalibrować kilka dat radiowęglowych. Na przykład, jeśli seria dat radiowęglowych jest pobierana z różnych poziomów w sekwencji stratygraficznej, analiza bayesowska może być wykorzystana do oceny dat, które są wartościami odstającymi i mogą obliczyć lepsze rozkłady prawdopodobieństwa, w oparciu o wcześniejsze informacje, że sekwencja powinna być uporządkowana w czasie . Kiedy wprowadzono analizę bayesowską, jej użycie było ograniczone koniecznością korzystania z komputerów mainframe do wykonywania obliczeń, ale od tego czasu technika ta została zaimplementowana w programach dostępnych na komputery osobiste, takich jak OxCal.

Terminy raportowania

Od czasu datowania pierwszych próbek stosowano kilka formatów cytowania wyników radiowęglowych. Od 2019 r. standardowy format wymagany przez czasopismo Radiocarbon jest następujący.

BP”, gdzie: