Что мешает учёным точно определить возраст археологической находки

Чтобы определить возраст органических остатков, включая ткани и кости человека, археологи используют метод радиоуглеродного анализа. Он позволяет очень точно датировать находку, поскольку основан на радиоактивном распаде, тем не менее метод порой дает сбои.  

Физические принципы радиоуглеродного анализа

В телах животных и растений и вообще в любой биологической органике соотношение радиоактивного и стабильного углерода всегда постоянно. Этот факт использовал американский ученый Уиллард Фрэнк Либби, чтобы разработать в 1950-е годы метод радиоуглеродного определения возраста. В 1960 году он получил за это Нобелевскую премию по химии. 

На Земле углерод представлен тремя изотопами — разновидностями атомов, отличающимися количеством нейтронов. Их соотношение в атмосфере примерно следующее: 12С — 98,93%, 13С — 1,07% и 14С — 10−12%. Первые два изотопа стабильны, а третий радиоактивен, то есть склонен к спонтанному изменению состава или внутреннего строения путем испускания, например, элементарных частиц. Изотоп 14С постоянно образуется в атмосфере Земли на высоте 11-50 километров в результате бомбардировки азота нейтронами.

Радиоактивные изотопы включаются в кругооборот вместе со стабильными изотопами углерода, а это значит, что они попадают в живой организм с дыханием или в процессе фотосинтеза. Пока животное или растение живет, соотношение всех трех изотопов углерода в нем поддерживается постоянным. После гибели организма обмен с внешней средой прекращается. При этом в останках со временем становится меньше изотопа 14С, потому что он распадается. 

Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью. В частности, у 14С период полураспада составляет около 5730 лет. Соответственно, по изменению пропорции трех изотопов углерода можно определить, сколько времени прошло с момента смерти растения или животного. Учитывая экспоненциальное уменьшение количества 14С, предельный возраст образца, который может быть точно определен данным методом, составляет около 60 тысяч лет. Через этот промежуток времени весь радиоактивный углерод распадается — и считать становится больше нечего. Получается, что радиоуглеродный анализ пригоден для работы с артефактами не старше эпохи верхнего палеолита. 

График показывает, что за 60 тысяч лет весь радиоактивный углерод в образце распадается

Доверяй, но проверяй

Есть ряд проблем, из-за которых радиоуглеродный анализ дает неверный возраст. Во-первых, пропорция изотопов углерода в атмосфере менялась из-за катастрофических природных явлений: извержений вулканов, падений метеоритов и комет. Меняется она и сейчас под действием промышленных выбросов углекислого газа. Во-вторых, 14С вполне может проникать в мертвый организм из находящихся рядом объектов, например из окружающих останки слоев живых растений, воздуха или воды, а также вулканических осадков. 

Справиться с первой проблемой помог расчет возраста деревьев по количеству годичных колец в разных регионах мира. Ученые изучили срезы остистых сосен на юго-западе США и дубы, захороненные в речных и болотных отложениях Европы. Небольшие правки в график колебаний уровня радиоактивного углерода внесли археологические находки, возраст которых определили по письменным источникам, — например, зерно в гробнице с проставленной датой захоронения. Для более древних образцов использовали результаты измерений содержания 14C в кораллах, возраст которых установили торий-урановым методом. Все это в целом позволило откалибровать график содержания 14С в атмосфере по времени, и теперь данные, полученные радиоуглеродным анализом, легко исправить просто в компьютерной программе. 

Остистая сосна возрастом 4847 лет, определенным по количеству древесных колец

Ошибки анализа, связанные с дополнительным количеством 14С, попавшим в уже мертвый образец извне, исправить намного труднее. Полностью рассчитать влияние всех источников радиоактивных изотопов на исследуемый объект невозможно, поэтому датировка может колебаться в пределах ±300 лет. Во многих случаях, особенно когда речь идет о доисторическом периоде, это не так критично. Сомневаться стоит, когда радиоуглеродный анализ показал совсем уж какой-нибудь невероятный возраст археологического объекта.