Datowanie radiowęglowe Adam Walanus, Tomasz Goslar Spis treści
W neolitycznym ognisku nie dopaliła się do końca gałąź drzewa. Z powodu opuszczenia osady, ognisko, po pewnym czasie zostało przysypane piaskiem sąsiedniej wydmy. Gałąź owa miewa się jednak cały czas dość dobrze, jest ona stosunkowo zwartym, chemicznie zamkniętym obiektem. Zauważmy, że atomy węgla, z których w dużej części się składa, jej macierzyste drzewo pobierało z atmosfery, z CO2.
W atmosferze, poza głównym izotopem węgla 12C, występuje także pewna ilość niestabilnego izotopu 14C. Ten radioaktywny izotop jest stale wytwarzany w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne, w reakcji z jądrami atomów azotu (których w powietrzu nie brakuje). Wytworzone atomy, a właściwie jądra atomowe 14C, po pewnym czasie zamieniają się spontanicznie z powrotem w jądra 14N. Atom 14C ma 50% szans by przeżyć 5730 lat, tak więc, średnio, w masie atomów 14C, połowa ich zniknie w ciągu takiego właśnie czasu.
Rosnące, świeże gałązki drzewa mają w sobie taki procent izotopu 14C, jaki jest w atmosferze. Jeżeli założymy, że wtedy, powiedzmy 5 tysięcy lat temu w atmosferze było radiowęgla tyle co dziś, to wystarczy zmierzyć w laboratorium koncentrację 14C w atmosferze i w owym drewnianym szczątku. Względnie proste prawo wykładniczego zaniku radioaktywnego izotopu (omówione tu) pozwoli nam obliczyć jak dawno temu gałąź zaprzestała pobierania dwutlenku węgla z atmosfery (na skutek odłamania jej od drzewa na ognisko). Tak wyznaczony wiek gałęzi będzie wiekiem bezwzględnym, wyrażonym w fizycznych jednostkach czasu, po prostu w latach.
Niestety, jak we wszystkich pomiarach, tak i tu wynik obarczony jest niepewnością. Możemy mierzyć wiek próbek szczątków pochodzących z minionych wieków, albo z połowy ostatniego zlodowacenia, ale niepewność wyniku będzie w najlepszych wypadkach wynosiła 20-30 lat, a w najgorszych aż kilka tysięcy lat. Istnienie niepewności pomiarowej oznacza, że na przykład, mając następujące dwa wyniki pomiaru wieku dwóch kawałków drewna: 5550±50 lat i 5650±40 lat, nie możemy wykluczyć, że pochodzą one dokładnie z tego samego czasu, że „datują” to samo ognisko.
Ta gałąź nie pobiera już węgla z atmosfery.
Metodą 14C wyznaczać można wiek obiektów zawierających węgiel. Pamiętać przy tym warto, że otrzymany wynik oznaczał będzie moment, w którym węgiel został pobrany z atmosfery (przez roślinę, którą np. następnie zjadł koń, którego organizm użył atomów węgla do budowy kości, które z kolei, po latach wykopał archeolog). Wewnętrzne słoje grubego pnia drzewa dadzą wynik odpowiednio starszy niż słoje zewnętrzne, a wiek drewnianego bala powtórnie użytego w nowej konstrukcji, będzie wskazywał na moment ścięcia drzewa, a nie na czas użycia go do budowy badanego przez nas obiektu historycznego. Problemu nie będzie, na przykład z typowym obiektem badanym przez paleobotanika, jakim są ziarniaki zbóż. Nadają się one do pomiaru bardzo dobrze, gdyż nie ma wątpliwości, co do synchronizacji momentu, w którym powstały, z momentem ich zebrania przez neolitycznego rolnika, którym interesuje się archeolog.
Pokreślić ponadto trzeba, że najlepiej gdy węgiel wbudowywany w organizm, którego szczątki badamy, pochodził z atmosfery, gdyż tylko tam proporcja 14C jest mniej więcej stała. Rośliny wodne, na przykład, pobierają związki węgla rozpuszczone w wodzie, mogące zawierać również węgiel pochodzący ze skał wapiennych, a więc tak starych, że w ogóle nie zawierających 14C. (Więcej na ten temat jest tu.)
Rozpatrując możliwość wykorzystania metody 14C do wyznaczenia wieku znalezionego obiektu organicznego wziąć trzeba pod uwagę:
Przepalone ziarniaki owsa, bardzo dobry obiekt do datowania metodą 14C. Fragment węgla drzewnego znaleziony w bryle zaprawy murarskiej (taki fragment jest zawsze starszy od badanego muru). Gałązki mchu torfowca (fragmenty, które przyrosły w trzech kolejnych latach, różnią się zabarwieniem)
Pamiętać trzeba, że pomiar w metodzie 14C niszczy próbkę, która w laboratorium podlega po prostu spaleniu. Oczywiście często wystarczy mała część dużego obiektu, którego wiek chcemy znać. W ten sposób możliwy na przykład był pomiar wieku bezcennego obiektu, jakim jest tzw. Całun Turyński (patrz rozdział: Autentyczność Całunu).
O zasięgu metody 14C decyduje czas życia jąder atomowych 14C, których „okres połowicznego zaniku” wynosi 5730 lat. Datowaniu podlegać mogą szczątki organiczne o wieku, orientacyjnie, do dziesięciu razy większym od okres połowicznego zaniku. Jako praktyczną granicę zasięgu metody przyjmuje się 50000 lat, choć zależy to od technicznych możliwości konkretnego laboratorium pomiarowego.
Przykładowa ilustracja zmian globalnego klimatu od poprzedniego interglacjału (faza 5e izotopu 18O), poprzez ostatnie zlodowacenie (fazy 5d – 2) do holocenu (faza 1). Zmiany poziomu morza mają związek ze zmianami objętości lądolodów na Ziemi. Metoda 14C sięga mniej więcej do połowy poziomej skali wykresu, obejmując fazy numer 1, 2 i 3.
Dokładność datowania maleje z wiekiem obiektów. Im starszy obiekt, tym mniejsza będzie dokładność wyznaczenia jego wieku. Dla próbek bliskich wiekowi granicznemu, niepewność pomiarowa może sięgnąć tysięcy lat.
Jeżeli obiekt jest za stary, metoda 14C pozwoli podać jedynie dolną granicę wieku, co zapisuje się np. jako: wiek >38000 lat. Zapis taki oznacza, że obiekt jest starszy (z prawdopodobieństwem 98%) niż 38000 lat. Zapis taki w żadnym wypadku nie wskazuje, że wiek wynosi około 38000 lat. I tak, o dwóch wynikach: >38000 lat i >42000 lat nie można powiedzieć, że wskazują, iż drugi obiekt jest starszy. Otrzymana różnica jest przypadkowa, a może też wynikać z faktu, że dla drugiej próbki wykonano dokładniejszy pomiar 14C.
Względna dokładność wyznaczenia wieku obiektów najmłodszych, o wieku kilkuset lat, również jest mała. Próbki takie właściwie nie nadają się do dokładnego pomiaru wieku, jednak analiza 14C może być przydatna np. przy ocenie ich autentyczności, pozwalając odróżnić je od współczesnych falsyfikatów.
Naturalnym sposobem odpowiadania na pytanie o to, jak stary jest dany obiekt, jest stwierdzenie ile lat temu powstał. Czyli ile lat minęło od jego utworzenia do chwili obecnej. Jednak „chwila obecna” jest pojęciem niepraktycznym. Trudno byłoby posługiwać się wynikami pomiarów wieku, gdyby za każdym razem trzeba było sprawdzać, kiedy wykonano pomiar 14C. Sytuacja oczywiście nie jest aż tak zła, gdyż przy dokładności metody rzędu ±50 lat nie trzeba troszczyć się o to czy mamy rok 2010 czy 2005. Tak też myśleli twórcy metody, którzy w połowie ubiegłego wieku umówili się, że „chwila obecna” to będzie rok 1950. Dziś ta chwila istotnie się zestarzała, niestety konwencję trudno zmienić.
Wiek (w latach) podawany w odniesieniu do roku 1950 oznaczany jest literami BP (before present). Tak więc, porównanie z tradycyjnym oznaczeniem, stosowanym przez historyków i archeologów, wygląda następująco:
2000 AD = -50 BP
1950 AD = 0 BP
AD/BC = 1950 BP
1000 BC = 2949 BP itd.
Metoda 14C pozwala wyznaczyć (z ograniczoną dokładnością) wiek bezwzględny obiektu. Jednak, aby wyznaczenie wieku było tak dokładne jak to tylko dziś jest możliwe, w metodzie uwzględnia się korektę wyniku wynikającą z faktu, że w przeszłości zawartość izotopu 14C w atmosferycznym dwutlenku węgla nie była stała. Jest to tzw. kalibracja metody 14C. Kalibracja metody pomiarowej jest elementem tej metody i osobne podawanie wyniku przed kalibracją (tzw. wieku konwencjonalnego) i wyniku końcowego uzasadnione jest głównie tym, że cały wysiłek laboratorium włożony jest właśnie w uzyskanie „surowego” wyniku konwencjonalnego (Walanus 2008). Natomiast kalibrację wieku konwencjonalnego przeprowadzić może geolog, posługując się dowolnym z dostępnych, kalibracyjnych programów komputerowych lub po prostu samą krzywą kalibracyjną. Fakt występowania w publikacjach geologicznych (i archeologicznych) „dat” wyłącznie konwencjonalnych, jest zaszłością z wcześniejszego etapu rozwoju metody. Nie da się dziś poprawić na kalibrowane wszystkich oznaczeń wieku zapisanych w książkach i czasopismach.
Posługując się wynikiem datowania 14C należy mieć pewność co do tego, czy jest to „wiek konwencjonalny” czy też „kalibrowany”, czyli po prostu wynik pomiaru wieku. Różnica między jedną i drugą wartością, przy wieku rzędu 8000 lat sięga tysiąca lat, a dla starszych obiektów jest jeszcze większa (przy czym wiek konwencjonalny jest młodszy). Pomyłka jest o tyle mało prawdopodobna, że wynik wyznaczenia wieku z uwzględnieniem kalibracji ma specyficzną, dość trudną do interpretacji postać .
Wiek kalibrowany często podawany jest, dla wszelkiej pewności z dodatkiem skrótu Cal, czyli, na przykład:
3450 CalBP.
Pamiętać trzeba, że jest to najzwyklejszy wiek w latach przed rokiem 1950.
W publikacjach archeologicznych, prawie zawsze wynik pomiaru wieku podawany w latach AD/BC jest już po kalibracji, a więc jest końcową datą, której nie trzeba już w żaden sposób przeliczać. Natomiast wynik datowania podawany w latach BP, szczególnie w literaturze geologicznej może być zarówno wiekiem niekalibrowanym, podanym w tzw. latach radiowęglowych, jak i kalibrowanym.
Geolodzy, geografowie, paleobotanicy ciągle często używają niekalibrowanych dat radiowęglowych. Wynika to z faktu, że metoda 14C długo była w naukach przyrodniczych jedyną lub najważniejszą metodą pomiaru wieku. Dlatego nie zwracano tam tak wielkiej uwagi na zgodność z wiekiem rzeczywistym, astronomicznym; wystarczała radiowęglowa skala czasu. Teraz, gdy jest już kalibracja, trudno zmienić stare przyzwyczajenia.
Symbol BP, związany ściśle z niezbyt fortunnym wyborem roku 1950 jako punktu odniesienia bywa ostatnio zastępowany wygodniejszym, ze współczesnego punktu widzenia symbolem b2k (before 2000). Trudno jednak przewidzieć, czy nowy symbol się przyjmie, a jeśli tak, to jakie będzie tempo, na pewno nie-wykładniczego zaniku „starego” symbolu BP w nowej literaturze.
Zwiezłe uwagi na temat obliczania i podawania wieku zawiera artykuł z 2006 roku, autorstwa J. van der Plichta i A. Hogga: A note on reporting radiocarbon.
Fizyczny pomiar wieku próbki węgla nazywany jest często datowaniem. Słowo to jest kalką z angielskiego „dating”.
Data, datowanie, datacja oznacza określenie czasu z dokładnością do dnia, jednoznacznie odnosi się do kalendarza. Takie jest też potoczne rozumienie słowa data, datownik. Przykłady dat to: 23 grudnia 1949 (data Science ze słynnym artykułem Arnolda i Libby’ego), 15 lipca 1410 itp. Nikt spoza kręgu użytkowników metody 14C nie powie, że określenie czasu: „między 1450 a 1500” jest określeniem daty. Słowo data sugeruje właściwie nawet jednodniową precyzję, co jest w tym przypadku szczególnie niezręczne, gdyż dokładność pomiaru wieku metodą 14C dalece odbiega od wartości ±1 dzień; jest przynajmniej 10 tysięcy razy gorsza. Co prawda, w kontekście historycznym mówi się o datach w sensie lat (1410, 1683, 1791), jednak metoda 14C nigdy (samodzielnie) nie osiąga dokładności rocznej.
Określanie wieku metodą 14C niewątpliwie można nazwać pomiarem, choć jest ono bardziej skomplikowane od typowych pomiarów wykonywanych w technice. Słowo „oznaczenie” dotyczy raczej klasyfikacji albo nazywania, np. przyporządkowanie roślinie nazwy gatunkowej, czyli „oznaczenie” jej nazwą. Wyznaczanie lub oznaczanie wieku metodą pomiaru koncentracji radiowęgla można nazwać datowaniem ze względu na element kalibracji obecny w procedurze pomiarowej (patrz tu). W kalibracji używa się próbek wzorcowych. Pomiar „z kalibracją”, będący przyporządkowaniem próbki rzeczywistej którejś z próbek wzorcowych, jest więc w pewnym sensie „oznaczaniem”. Ponieważ wiek próbek wzorcowych w zasadzie ma dokładność roczną, słowo datowanie zyskuje pewne uzasadnienie.
W kwestie terminologiczne wplątane jest tu dość trudne zagadnienie odróżnienia wielkości ciągłych od skokowych (dyskretnych). Czas ma naturę ciągłą, jednak lata kalendarzowe (daty) dają się liczyć gdyż nie mają połówek ani innych części ułamkowych. O ile dla fizyka zapis „123,45 lat” ma jasny sens i oznacza np. to samo co 3895702514,7 sekundy (jeśli chodziło o tzw. rok zwrotnikowy), to w życiu codziennym, jak i w historii i archeologii lata „przełamują się” w noc sylwestrową. W takim kontekście, użycie słowa „oznaczenie” albo konkretnie „datowanie” pozostaje w zgodzie z jego sensem klasyfikacyjnym.
Koniec rozdziału: Zasada metody 14C Następny rozdział Spis treści