Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Уровень активности Солнца играет роль и в регулировании количества космических лучей, прибывающих на Землю. В период особо сильной активности солнечный ветер выходит за пределы земной орбиты, сводя к минимуму количество космических лучей, достигающих атмосферы, и отклоняя их в космос. Когда Солнце сравнительно спокойно, его магнитное влияние уменьшается, и на нас ливнем проливаются космические лучи. Изучая другие радиоактивные изотопы, возникающие под влиянием космического излучения, такие как Бериллий (¹⁰Be, t _1/2 = 1,6 миллиона лет), мы можем составить график изменений солнечной активности, способной, помимо прочего, влиять на климат Земли (см. гл. 11).

Однако если говорить об активности нашей звезды, то существует противоположная тенденция, которую также необходимо учитывать. Когда Солнце активно, сильные вспышки на его

поверхности выбрасывают на Землю протоны и электроны в форме солнечных космических лучей. Поскольку частота вспышек возрастает и ослабевает по мере одиннадцатилетнего цикла, интенсивность которого сильно меняется на протяжении столетий, она также оказывает влияние на образование ¹⁴С. Однако этот эффект относительно невелик: максимальный вклад Солнца в формирование межзвездных космических лучей обычно составляет от менее 1 до 5 %.

И, наконец, свой след в концентрации ¹⁴C, который придется учитывать будущим историкам и археологам, за последние два столетия оставила человеческая деятельность. Мы получаем уголь, нефть и природный газ из растительного материала, который оказался в земных недрах примерно 100 миллионов лет назад или еще раньше. Сжигание этого ископаемого топлива в наши дни приводит к выбросу Углерода в атмосферу (в форме CO₂) и изменению соотношения содержания его изотопов. Мы подробнее изучим этот эффект в главе 11, но сейчас отметим, что этот очень старый ископаемый Углерод не содержит ¹⁴C – весь радиоактивный изотоп давным-давно распался. Поэтому в 2200 году историки вполне могли бы заключить, что артефакты современной цивилизации старше, чем на самом деле, поскольку соотношение ¹⁴C/¹²C в современной атмосфере понизилось под влиянием антропогенного фактора.

Однако есть еще один сопутствующий эффект, который будущим ученым также придется принять во внимание. С 1950 по 1963 год над землей прошло огромное количество ядерных испытаний. Великое множество нейтронов, образующихся при каждом взрыве, вступило во взаимодействие с Азотом – подобно тому, как это делают нейтроны, рожденные под воздействием космических лучей, – и произвело несколько тонн ¹⁴C. Концентрация ¹⁴C в атмосфере увеличилась почти вдвое, достигнув пика примерно в 1965 году. По мере того как Углерод медленно смешивался с землей и морской водой, интенсивность ослабевала, так что к 2021 году оставшийся избыток в атмосфере приблизился к нулю и продолжил снижаться из-за сжигания ископаемого топлива (см. гл. 11)⁴.

Если бы знания о скорости образования ¹⁴C нам предоставляли только эти факторы (изменение магнитного щита, солнечная активность и антропогенное влияние), нам пришлось бы смириться со значительной неопределенностью в возрасте объектов при датировке: с точностью установить исходное соотношение ¹⁴C было бы довольно трудно. К счастью, мы можем воспользоваться другими природными явлениями, которые позволяют нам оценить интенсивность образования ¹⁴C за последние 55 000 лет, что значительно повышает достоверность нашего датирования.

Углеродная «калибровка»

Как и все другие живые существа, деревья поглощают Углерод, содержащийся в воздухе, и создают из него свою древесину, в которой около 50 % массы приходится на Углерод. В умеренных зонах деревья имеют заметные годичные кольца, каждый год добавляя слой древесины к обхвату. Поэтому они представляют собой идеальный календарь: самый внешний слой относится к текущему вегетационному периоду, следующий – к прошлому году, третий – к двухлетней давности и так далее. Изучение этих годичных колец называется дендрохронологией. Поскольку деревья – это то, что они едят (подробнее об этом см. гл. 10), соотношение изотопов Углерода в древесине того или иного кольца дает точную меру их соотношения в воздухе в соответствующем году.

Хотя многие деревья живут менее ста лет, есть и такие, у которых этот срок гораздо дольше. Гигантская секвойя с Западного побережья США может жить более 2000 лет, а среди остистых сосен высоких Скалистых гор встречаются живые экземпляры возрастом более 5000 лет. С помощью небольшого полого сверла, приростного бурава, можно взять образец с каждого из пяти тысяч годовых колец этих деревьев и непосредственно измерить в каждом из них соотношение ¹⁴C/¹²C. Мертвые деревья, сохранившиеся в древних постройках или погребенные в илистом дне рек или болот, оказываются очень полезными для специалистов в дендрохронологии: сопоставление их кольцевых узоров в точках совпадения с живыми деревьями позволило создать непрерывную летопись, уходящую в прошлое на 13 910 лет⁵ от настоящего времени⁶. Каждый год в ней представлен образцом древесины, который показывает соотношение изотопов Углерода. Аналогичная «калибровка» с использованием коралловых рифов и слоистых океанских и озерных отложений дает возможность продлить эту летопись, которую мы заполняем благодаря Углероду, еще дальше в прошлое, и датировать объекты возрастом до 55 000 лет. В дальнейшем в образце, как правило, становится слишком мало атомов ¹⁴C, чтобы можно было надежно подсчитать соотношение.

За последние два тысячелетия поправки к возрасту, установленному путем радиоуглеродного датирования с использованием изотопа ¹⁴С, менялись от положительных к отрицательным: поправка на древность в наши дни (это означает, что частицы ¹⁴С формировались недостаточно быстро, поэтому его меньше в годичном кольце, а значит, его было меньше и в воздухе, и мы делаем вывод о более древнем возрасте); поправка на юность на отметке в 116 лет до настоящего времени (подразумевается, что частиц возникало слишком много и что их больше, чем нам следовало бы ожидать, поэтому мы предполагаем, что распад происходил реже и, следовательно, что изотопы моложе); поправка на древность на отметке в 142 года до настоящего времени; поправка на юность на отметке в 180 лет до настоящего времени и так далее, вплоть до отметки в 2421 год до настоящего времени (471 г. до н. э.), после чего для возраста ¹⁴C делается поправка на юность до самого конца летописи, завершающейся на отметке в 55 000 лет до настоящего времени. Расхождение составляет 200 лет на отметке в 2657 лет до настоящего времени, 400 лет на отметке в 4136 лет до настоящего времени и 600 лет на отметке в 5015 лет до настоящего времени, хотя неопределенность поправки составляет всего ±15 лет – иными словами, мы можем определить возраст объекта, которому около 5000 лет, с точностью до 0,3 %. В конце кольцевой летописи, на отметке в 13 910 лет до настоящего времени, поправка на юность при радиоуглеродном датировании с использованием изотопа ¹⁴C составит 1848 ± 28 лет. Избыток ¹⁴C (предполагающий более юный возраст) продолжает расти примерно до периода, отстоящего от нашего времени на 25 000 лет; в это время поправка составит около 4300 лет. Пиковое превышение происходит около 39 000 лет назад (5000 лет поправки), а затем падает до половины этого несоответствия на отметке в 50 000 лет до настоящего времени. Неопределенность в этом возрасте составляет примерно ±350 лет, что все же значительно лучше точности в 1 %.

Эти точные данные с высоким разрешением позволили обнаружить почти неуловимые эффекты в атмосферной концентрации ¹⁴C. Например, существует небольшая, но твердо установленная разница между Северным и Южным полушариями. Небольшие изменения наблюдались и в местах, где подъем глубинных вод океана выносит воду (и растворенный CO₂) на поверхность. В этой воде, которая на протяжении долгих тысячелетий не имела возможности газообмена с атмосферой, наблюдается низкое соотношение ¹⁴С из-за доли, претерпевшей распад, и при попадании в воздух она снижает содержание изотопа ¹⁴С в окружающей среде.

Существуют даже аномалии ¹⁴C, выявленные в течение одного года, такие как событие Мияке 774–775 годов, во время которого произошел внезапный всплеск концентрации ¹⁴C на 1,2 % (более чем в двадцать раз превышающий типичные колебания от года к году)⁷. Начало этого события не установлено, но можно с уверенностью сказать, что оно заняло меньше года; после этого внезапного повышения концентрация ¹⁴C постепенно вернулась к нормальному уровню примерно за двадцать пять лет. В качестве еще одного доказательства того, что некое событие, произошедшее в 774 году нашей эры, привело к попаданию в атмосферу многих частиц высокой энергии, можно вспомнить, что в керне антарктического льда наблюдается совпадающий выброс радиоактивного изотопа Бериллия-10, также возникающего в ходе взаимодействия космических лучей с атмосферой. Любопытно, что в «Англосаксонской хронике» за этот год говорится: