Известно, что земная атмосфера подвергается непрерывной бомбардировке космических лучей. Нуклонный компонент космических лучей, взаимодействуя с ядрами атмосферных газов, образует ряд космогенных радиоактивных изотопов: 3Н, 10Ве, 14С, 26Al и др. Детальное исследование этих изотопов стало возможным недавно, лишь после того, как была выяснена природа космических лучей, исследована зависимость реакции образования изотопов от высоты, геомагнитных широты и долготы, а также создана весьма чувствительная аппаратура для регистрации чрезвычайно малых количеств и трудно измеряемых низких естественных удельных активностей природных образцов.

Радиоактивный углерод образуется при бомбардировке ядер атомов атмосферного азота нейтронами космических лучей согласно реакции 14N+n ® 14С+p. Количество образуемого изотопа 14С в земной атмосфере составляет около 2 атомов за 1 с на 1 см2 поверхности. Поскольку 14С является радиоактивным ядром, при его распаде возникает стабильное ядро азота и испускаются электрон и нейтрино: 14С ® 14N + e- + v.

Химически активный 14С окисляется до 14СO2, диффундирует к нижним слоям атмосферы и перемешивается с обычной углекислотой. Путем фотосинтеза радиоуглерод может быть связан в органических веществах, т. е. попадает в клетки растений, в том числе и в кольца деревьев. Радиоуглерод также поглощается Мировым океаном. Благодаря тому, что времена перехода изотопа 14С в различные резервуары гораздо короче его времени жизни, он равномерно распределен по всему объему обменной системы.

Среднее отношение радиоактивного углерода к стабильному (14С/12С) в атмосферной двуокиси углерода и в живых организмах, соответствующее равновесию с атмосферой и гидросферой, составляет порядка 10-12, поскольку 14С непрерывно воспроизводится в верхней атмосфере Земли падающими на нее энергичными галактическими космическими лучами. Солнечный космический компонент, являющийся интегральным потоком частиц от солнечных вспышек, также может образовывать 14С в отдельных мощных вспышках.

В атмосфере Земли в общей сложности постоянно находится около 80 тонн радиоуглерода. Удельная активность углерода в обменной системе составляет около 15 распадов за 1 мин на 1 г углерода. За 80 лет распадается около 1% первоначального числа атомов 14С.

Если органическое вещество изолировано от источника образования 14С, то активюность радиоуглерода в нем уменьшается по обычному экспоненциальному закону радиоактивного распада: А1 = Ао*ехр (- a*t), где А1 — удельная активность спустя t лет после выхода образца из обменного резервуара, Aо — удельная активность в начальный момент t=0, a — постоянная радиоактивного распада. Отсюда легко рассчитать возраст исследуемого образца по оставшейся на момент измерения активности 14С : t = 0,693 Т1/2*ln (Aо/A1) (где Т1/2 — период полураспада 14С, равный 5730 годам). Радиоуглеродный метод датировки нашел широкое применение при определении возраста различных явлений, произошедших за последние не более чем 100 тыс. лет.

Концентрацию 14С в прошлом можно установить на основе измерений активности образцов известного возраста. Наилучшим материалом для определения изменения атмосферной концентрации 14С в прошлом является целлюлоза колец деревьев известного возраста. Исследования показали, что каждое кольцо дерева “запоминает” атмосферный 14С в год его формирования. Количество 14С, фиксируемое растущими деревьями, определяется параметрами обмена земного углеродного цикла, включающего атмосферу, гидросферу, биосферу и осадочные породы. Первичный уровень атмосферного 14С может быть рассчитан из измеренной в годичных кольцах деревьев известного возраста активности радиоуглерода с учетом фракционирования изотопов углерода, распада 14С и процедуры нормировки.

Если поток космических лучей постоянен, то общее количество атмосферного 14С должно находиться в вековом равновесии (подвижное равновесие между распадом и образованием 14С. При этом радиоуглеродные часы показывают абсолютное время, что очень важно, главным образом для археологов и геологов, и в меньшей степени - для астрофизиков и геофизиков. Интерес последней группы ученых составляет анализ причин нарушения такого равновесия. В то же время определение флуктуаций содержания 14С в прошлом дает возможность и археологам вносить поправки в радиоуглеродные датировки, т. е. уточнять возраст археологических находок. Отклонения естественного уровня 14С от равновесия можно связать со следующими причинами:

- изменения в глобальной скорости образования радиоуглерода, вызванные вариациями потоков галактических и солнечных космических лучей;

- изменения в скорости обменных процессов между геохимическими резервуарами вследствие изменений климата;

- вариации суммарного углекислого газа (в атмосфере, биосфере, гидросфере и в осадочных породах) за счет изменения во времени параметров углеродного цикла.

Причины изменения содержания 14С связанные с различными природными факторами, могут отличаться по длительности воздействия (кратковременные, долговременные), по характеру (циклической или импульсной природы) и т. п. Из-за резервуарной емкости атмосферы и относительно большого периода полураспада радиоуглерода атмосфера действует как низкочастотный фильтр, ослабляя амплитуду циклического сигнала, и в особенности короткопериодических колебаний. Так, амплитуда 11-летнего сигнала в содержании 14С уменьшается примерно в 100 раз, типичное ослабление амплитуд для периодов в 200 и 2000 лет составляет порядка 20 и 10 раз соответственно.

Солнечная активность, являясь одной из причин изменения потока космических лучей, может вызывать от цикла к циклу возмущения скорости образования 14С в 10 - 30 % для различных по мощности циклов, что в концентрации 14С составит всего примерно 0,1 - 0,3%, т. е. 11-летний “радиоуглеродный” цикл можно экспериментально “выудить” только очень высокочувствительной аппаратурой. Однако более длительные по времени периоды в высокоточных измерениях активности 14С в последовательностях годичных колец имеют больше возможностей для их убедительной регистрации. Так, для циклических изменений концентрации 14С, имеющих длительность 100—200 лет, амплитуда достигает уже 1 - 2%, что почти на порядок выше.

Для циклических процессов важно также учитывать заметную временную задержку между практически мгновенными изменениями в образовании 14С в верхней атмосфере и результирующими вариациями распространенности радиоуглерода в биосфере. Этот сдвиг приводит к смещению всех эффектов во времени. Так, 11-летний “радиоуглеродный” цикл должен отставать на три-четыре года от цикла солнечных пятен, а, например, 200-летний цикл будет запаздывать от соответствующего 200-летнего солнечного цикла примерно на 20 лет и т. д.
МОЖНО ЛИ ПОЛНОСТЬЮ ДОВЕРЯТЬ РАДИОУГЛЕРОДНЫМ ДАННЫМ?

Можно считать, что только благодаря начатым Зюссом в Калифорнийском университете и продолженным им затем в течение 20 лет измерениям активности 14С в образцах известного возраста, радиоуглерод в кольце дерева получил статус нового астрофизического и геофизического индекса - важного “инструмента” исследований природных процессов.

Еще до недавнего времени (всего 10 - 15 лет назад) даже многие экспериментаторы-“радиоуглеродчики” скептически относились к существованию особенностей, имеющих физическую природу, в измеряемых данных по содержанию 14С в последовательностях годичных колец и к значащим спектральным линиям, выделяемым в этих данных. Существовал определенный скептицизм относительно возможностей надежного выявления кратковременных колебаний содержания 14С, имеющих физический смысл, а не обусловленных исключительно статистическими флуктуациями и лабораторными ошибками. В большинстве своем ранние результаты отличались большим разбросом, противоречивостью и несопоставимостью, что не способствовало доверию к радиоуглеродному методу. И, по-видимому, не случайно в научной печати метод этот часто подвергался критике.

Учитывая потенциальные возможности метода для распространенных по всему земному шару корреляций событий в археологии, геологии, геохимии, геофизике и других областях науки, чрезвычайно важна степень доверия для пользователей этого метода, независимо от того, в какой лаборатории произведен анализ или получены конкретные результаты. Все это настоятельно требовало проведения сравнительных анализов измерений, выполненных в различных лабораториях.

Рис.1. Концентрация радиоуглерода (D14С - отклонение от уровня международного стандарта радиоуглерода) в образцах долгоживущих деревьев известного возраста, измеренная с высокой точностью: а - в блоках древесины по 10-летиям за 4500 лет; б - в блоках древесины по 20-летиям колец за последние 9600 лет. Надежно зафиксированы средневременные флуктуации содержания 14С, имеющие амплитуду изменений до -2%. Амплитуда долговременной флуктуации достигает ~10 %.

Надежность экспериментальных данных по измерению активности 14С определяется точностью измерений и правильностью анализа полученных результатов. Если точность выражается как стандартная ошибка измерений, которую может дать сама конкретная лаборатория, то определение правильного значения измеряемой концентрации 14С связано с дополнительными измерениями и детальным учетом большого числа факторов: точной фиксацией уровня радиоуглеродных лабораторных измерений относительного содержания 14С от уровня международного стандарта радиоуглерода; межлабораторным перекрестным сравнением; проверкой качества и унификации радиоуглеродных измерений и др. Такое сравнительное изучение, основанное на добровольном и анонимном участии в организованных лабораторных проверках, было начато в 1979 г., а первые результаты получены в 1982 г. Участвовавшим в проверке лабораториям удалось получить оценки экспериментальной точности и правильности выполнения анализов на всех стадиях осуществления довольно тонкого эксперимента - от подготовки образца до получения непосредственных результатов измерений. К 1990 г. было проведено повторное, значительно более представительное (около 50 лабораторий мира) изучение и сделан объективный статистический анализ [5], что позволило окончательно решить вопрос доверия в пользу радиоуглеродного метода датировки. Скептицизм относительно больших возможностей радиоуглеродных исследований стал спадать. К сожалению, участие радиоуглеродных лабораторий нашей страны в этом сравнительном анализе было недостаточно эффективным.

В настоящее время нет никакого сомнения, что вариации содержания 14С в земной атмосфере в прошлом являются источником важной дифференциальной во времени информации по изучению солнечной активности и других природных процессов на длительной временной шкале, имеющих абсолютную хронологию. Сняты и вопросы, связанные с возможной миграцией 14С из кольца в кольцо дерева, а также с широтной и высотной зависимостями.

В целом, накопленный к настоящему времени надежный экспериментальный материал по содержанию '14С в образцах известного возраста показывает на возможность селективного выделения из радиоуглеродных данных информации, порожденной комплексом интерферирующих астрофизических и геофизических процессов. Даже малый тип колебаний в таких данных превышает экспериментальный шум, а также случайный окрашенный шум. Тем не менее, при выделении и интерпретации кратковременных циклических флуктуаций содержания 14С необходимо быть чрезвычайно осторожным, ибо при спектральном анализе рядов данных с мощным шумовым компонентом возрастает проблема отделения истинных гармоник, присутствующих в исходном сигнале, от спектра выборочной реализации случайной составляющей, которая дает ложные спектральные линии.

В последние годы после решения хронологических проблем получены наиболее длинные ряды экспериментальных данных по содержанию 14С в кольцах деревьев известного возраста [6], включающие 10- и 20-летние образцы, т. е. образцы, содержащие по 10 или 20 колец каждый. Типичная точность этих данных, выполненных довольно тщательно, составляет для последних почти 7000 лет примерно ±0,2 %, а для интервала 7000 - 9600 лет назад - около ±0,5 %. В содержании 14С на большой временной шкале выделяется долговременный (~10 000 лет) квазисинусоидальный тренд с амплитудой до ~10 % и средневременные колебания (характерная шкала времени в 100 - 200 лет), именуемые также “вариациями де Врие” с амплитудой до ~2 %. В погодичных измерениях выделяются кратковременные колебания длительностью примерно 10 лет и амплитудой, не превышающей 0,5 %.

Рис.2.

Пример разработки хронологии по сосне и дубу, охватывающей последние 10 тыс. лет для Европы. Высота прямоугольника прямо связана с обилием найденного ископаемого материала. Так, совсем узкие прямоугольники относятся к отдельным деревьям; широкие прямоугольники включают многие деревья.

Надежно обеспечена шкала по сосне для последних 8800 лет.

Видно, что на европейской территории дуб встречается только примерно до 9 тыс. лет назад, а период 9200 -9800 лет назад был наиболее благоприятным для произрастания сосны.