Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке

Радиоуглеродный метод оказывает существенное влияние на развитие разных областей науки - от ядерной физики до криминалистики, но в первую очередь геологии и археологии. В марте 1949 г. была опубликована статья, в которой обосновывался принцип работы данного метода [1]. Его авторы - учёные из Университета Чикаго (США) Уиллард Ф. Либби, Эрнст С. Андерсон и Джеймс Р. Арнольд - показали, что могут определить возраст геологических или исторических событий, которые имели место не только сотни и первые тысячи лет назад, но и вплоть до 40-50 тыс. лет назад. При этом предложенный метод обладал достаточно высокой точностью и был совершенно независим от других технологий, применявшихся в то время в науках о Земле и в археологии. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании. Признанием важности этого открытия явилось присуждение У.Ф. Либби в 1960 г. Нобелевской премии по химии.

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

Рис. 1. Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли (по [3], с дополнениями и зменениями)

В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – ¹²С и ¹³С и одного радиоактивного – ¹⁴С, или радиоуглерода. Изотоп ¹⁴С 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» ¹⁴С наряду со стабильными изотопами ¹²С и ¹³С 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 ¹⁴С 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» ¹⁴С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа ¹⁴С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество ¹⁴С в организме по отношению к стабильным изотопам ¹²С и ¹³С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание ¹⁴С 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.

Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура

Рис. 2. Динамика количественного роста радиоуглеродных (1) и УМС-лабораторий (2) мира

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 ¹⁴С. 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 ¹⁴С (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.

Рис. 3. Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С?, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра

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 ¹⁴С), 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С 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].

Рис. 4. Содержание изотопа 14С в атмосфере Земли с начала ядерных испытаний (1945–1952) до настоящего времени (по [29], с изменениями)

Большую роль играет измерение активности изотопа ¹⁴С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» ¹⁴С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа ¹⁴С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность ¹⁴С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. [28], появился даже термин «послебомбовый ¹⁴С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов [29]; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий [30]. На феномене искусственного обогащения атмосферы ¹⁴С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп ¹⁴С является своеобразной «меткой» (см., например: [12, p. 570–589]). С помощью измерения активности ¹⁴С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистике – для выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание ¹⁴С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) [31]. Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка ¹⁴С-дат [2]. Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа ¹⁴С 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 ¹⁴С лет) [8].

Перспективы радиоуглеродного метода

Имеется много примеров влияния ¹⁴С-метода на развитие научного знания и пересмотр ряда положений. Так, именно на основании результатов ¹⁴С-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 ¹⁴С 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 ¹⁴С-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 ¹⁴С-даты вполне совпадают с ожидаемыми результатами.

Открытость и свободный доступ к информации – один из основных принципов работы сообщества специалистов, использующих ¹⁴С-метод. Так, постоянно проводятся межлабораторные сверки радиоуглеродного возраста специально отобранных образцов. Идёт работа по совершенствованию процедуры калибровки ¹⁴С-дат, которая зависит прежде всего от степени достоверности исходных данных. В последние годы получены результаты, которые позволяют надеяться, что вскоре будет возможна надёжная калибровка ¹⁴С-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 ¹⁴С 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 ¹⁴С 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