Kurioza naukowe / Scientific curiosities ISSN 1176-7545; rok VIII; No 1816

Zestawienie tematyczne prowadzone na bieżąco

Jedno zdumienie dziennie...

Ruch kołowy 5.500 lat temu w Bronocicach. (2)
(Datowanie przy pomocy węgla radioaktywnego)
(część 1 patrz tu)

Obecnie stosowana metoda to tak zwane datowanie radiowęglowe. Opracowana została przez amerykańskiego badacza Willarda Libbyego (1908-1980) w połowie ubiegłego wieku. Libby otrzymał za to nagrodę Nobla z chemii w 1960 r. 
Warto tu nieco przypomnieć, na czym ta metoda polega. Otóż węgiel wchodzący w skład atmosfery jako CO₂ składa się z trzech izotopów - atomów o bardzo zbliżonych właściwościach fizycznych i nieodróżnialnych chemicznie: ¹²C, ¹³C i ¹⁴C. Izotop ¹⁴C jest radioaktywny, to znaczy rozpada się ze statystyczną regularnością wysyłając słabe promieniowanie beta. Wszystkie izotopy radioaktywne mają ściśle określony czas połowicznego zaniku (T1/2). Węgiel radioaktywny ¹⁴C powstaje w górnych warstwach atmosfery w wyniku napromieniowania atomów azotu  ¹⁴N promieniowaniem kosmicznym i rozprowadzony jest równomiernie w całej atmosferze wraz z prądami atmosferycznymi. Jest go stosunkowo niewiele, uważa się, że na jeden atom ¹⁴C jest w atmosferze aż 10¹²  atomów ¹²C, ale mimo tego, dzięki promieniowaniu jest doskonale wykrywalny. ¹⁴C powstaje z szybkością 1-2 atomów na sekundę na 1 cm² powierzchni ziemi, ponieważ stale ulega rozpadowi promieniotwórczemu, stężenie jego w atmosferze pozostaje w stałej równowadze. Tak więc wszystkie organizmy żywe zawierają proporcjonalnie tyle węgla radioaktywnego, ile jest go w atmosferze, ale tylko tak długo, jak przebiegają w nich procesy życiowe. Po śmierci wymiana gazowa roślin ulega przerwaniu, nowy węgiel nie napływa, a nagromadzony ¹⁴C rozpada się zgodnie ze swoim okresem półtrwania, który wynosi 5.739 lat. Zauważmy, że wszystek węgiel w organizmach zwierzęcych pochodzi z roślin. Wykrycie więc w materiale kopalnym zmniejszonej ilości ¹⁴C pozwala oznaczyć czas, kiedy procesy życiowe przestały w tym materiale funkcjonować. Oczywiście z czasem węgiel ¹⁴C zanika prawie zupełnie co stanowi ograniczenie stosowalności metody. Metoda ta stosowana jest do oceny materiału biologicznego nie starszego niż około 60.000 lat. Dla antropologii jest to termin dogodny. Rzecz byłaby prosta, gdyby promieniowanie kosmiczne było jednolite w całej ziemskiej przeszłości. Niestety tak nie było. Stopień napromieniowania ziemi zależy od aktywności słońca (plam słonecznych), stąd w ocenie wieku trzeba wprowadzać poprawki na ten czynnik. Pewne zmiany zawartości ¹⁴C  zachodzić też mogą w wyniku działalności wulkanicznej lub uruchamiania bardzo starego węgla zakumulowanego w morzach (zmiana temperatury wody). 
I tu z pomocą przychodzi tak zwana dendrochronologia. Wiadomo, że większość drzew tworzy roczne słoje przyrostów o grubości zależnej od warunków klimatycznych w momencie kiedy te słoje powstawały. Licząc profile słojów udaje się ocenić wiek absolutny drewna, a opierając się na zazębiających się profilach przyrostów słojów różnego wieku można tworzyć 'łańcuszki dendrochronologiczne'. Znane są takie łańcuszki obejmujące wiele tysięcy lat. Aby więc wprowadzić poprawki na nierównomierność zawartości ¹⁴C w atmosferze, pobiera się próbki drewna z określonych słojów o dokładnie odliczonym wieku, oznacza się ich radioaktywność, i na tej podstawie ocenia się zmiany w zawartości ¹⁴C w atmosferze w badanym czasie. 
W ostatnich czasach doszły jeszcze zaburzenia zawartości ¹⁴C w atmosferze w wyniku wybuchów jądrowych i masowego spalania ropy i węgla kopalnego, które to procesy zmieniają zawartość ¹⁴C  w atmosferze. Nie dotyczy to antropologicznych materiałów kopalnych, w których nie istnieje wymiana węgla z atmosferą. Niemniej rzecz może być przyczyną pociesznych pomyłek. Kiedyś badacze pobrali próbki mleka dla ustalenia zawartości ¹⁴C  we współczesnym materiale biologicznym. Bardzo dokładna analiza wykazała, że mleko liczy sobie ponad 1200 lat, a krówki były żywe i młode na oko! Okazało się, że pasły się one w pobliżu autostrady i powietrze pełne było nie radioaktywnego węgla kopalnego ze spalanej benzyny... 
W szanujących się instytucjach zajmujących się datowaniem radiowęglowym omówione czynniki są na ogół uwzględniane w marę możliwości. Jednak jest jeszcze jeden czynnik, który jest pomijany, nie da się uwzględnić, a w pewnym stopniu dotyczy omawianej sprawy. Chodzi o tak zwany efekt izotopowy. Choć węgiel ¹⁴C nieznacznie tylko różni się od ¹²C, chodzi o dwie jednostki ciężaru atomowego,  wystarcza to by zachodziła istotna różnica w dynamice włączania się izotopów w reakcje chemiczne. Węgiel ¹²C, jako lżejszy, stosunkowo chętniej wchodzi w reakcje chemiczne i fizykochemiczne. Ponieważ procesy życiowe to olbrzymi łańcuch reakcji reakcji enzymatycznych, a każda z nich złożona jest z wielu stopni, zachodzi więc frakcjonowanie związków chemicznych w procesach metabolicznych. Im więcej stopni w łańcuchu reakcji, tym mniej ¹⁴C  znajduje się w produkcie. I tak stosunkowo najbliższy stosunkom atmosferycznym jest węgiel w roślinach, potem jego zawartość spada w zwierzętach roślinożernych, i dalej spada w zwierzętach mięsożernych. Są to różnice bradzo drobne, ale dostateczne by określić stanowisko danych organizmów w łańcuchu pokarmowym (w badaniach stosuje się też ¹³C). Ale stanowi to pewną   trudność w ocenie wieku znalezisk organicznych. 
Ponieważ ocenę wieku wazy bronowickiej dokonano na podstawie zwierzęcych resztek kostnych, czynnik ten mógł odegrać pewną rolę podnosząc wiek znaleziska. W zasadniczej publikacji o wazie bronowickiej uwzględnia się o wyżej omówione poprawki, ale nie ma wzmianki o efekcie izotopowym. 
Wiek materiału kostnego pobranego z dna jamy w której wykryto resztki wazy określono w renomowanej pracowni specjalistycznej w Groningen w Holandii, gdzie z pewnością uwzględniono wszystkie znane wówczas czynniki zapewniające poprawność analizy (1993).
Wedle analizy waza z Bronocic liczy sobie ponad 5.500 lat (wyrażając to na sposób przyjęty w badaniach radiowęglowych: 3637-3373, mediana 3520 p.n.e. w r. 1993.

[QZE02::075];[QEP52::189];[QAB02::932]p54[QAB06::104]p121;
[QEP53::285];[QAB04::976]p323;ART39058article;[QEP54::066]
No: 1816; w sieci:19.9.2007

(c.d.)

----------------------------------------------------------------------------------------------

Wheeled traffic 5,000 years ago in Bronowice (2)
(Dated with the aid of radioactive carbon)
(part 1 see here)

The method used today is the so-called ‘radioactive dating’. It was developed by the American scientist William Libby (1908-1980) in the middle of the last century. Libby was for this awarded the Nobel Prize in chemistry in 1960.

It is worthwhile to again outline the principles of the method. Carbon, found in the atmosphere as CO₂, is in the form of 3 isotopes, i.e. atoms very similar physically and indistinguishably chemically: ¹²C, ¹³C and ¹⁴C. Isotope ¹⁴Cis radioactive, it disintegrates with statistical regularity emitting weak beta particles. All radioactive isotopes have a strictly defined half-life period (T1/2). Radioactive carbon ¹⁴C is created in the upper atmosphere upon the bombardment of atoms of nitrogen ¹⁴N with cosmic rays, and is uniformly distributed by atmospheric currents throughout the atmosphere. It is relatively rare, it is thought that for every ¹⁴C atom there are 10¹² atoms of ¹²C , but, despite this, it is easily identified due to its radioactivity. ¹⁴C is created at the rate of 1-2 atoms per second per 1 cm²  of earth’s surface, and because it is constantly subject to the process of disintegration, its concentration in the atmosphere remains constant. And so all living organisms contain proportionally as much radioactive carbon as is contained in the atmosphere, but only as long as life processes continue. After death plants cease to exchange gases, there is no influx of fresh carbon, and the accumulated carbon ¹⁴C  disintegrates in accordance with its half-life period, which is 5,739 years. It must be noted that all carbon in animal organisms is derived from plants. The discovery in the mined material of reduced quantities of ¹⁴C allows us to calculate the moment when life functions ceased in the subject material. Of course, with time ¹⁴C will disappear almost completely, which sets out the limits of the application of the method. The method is applicable to the assessment of biological material no older than 60,000 years. This is a convenient period for anthropology. The matter would be straight-forward, if cosmic radiation were uniform over the entire past of the earth. This, unfortunately, had not been the case. The degree of irradiation depends on solar activity (sun spots), and so in estimating age one has to apply corections to this variable. There may also occur changes in the content of ¹⁴C as a result of volcanic activity or the movement of very old carbon accumulated in the seas (change in water temperature).

Here the so-called dendrochronology comes with help. It is known that most trees form annual growth rings, the thickness of which depends on the climatic conditions at the moment when these rings have been created. Counting the rings makes possible to determine the absolute age of the timber, and taking into consideration the interlocking profiles of growth rings of different ages one can create ‘dendrochronological chains’. Such chains are known which represent thousands of years. So in order to correct for the unevenness in the content of ¹⁴C in the atmosphere one takes samples of wood with rings of an accurately determined age, finds its radioactivity, and thus determine the content of ¹⁴C in the atmosphere in the subject period.

There has recently been a disturbance in the content of 14C in the atmosphere due to nuclear explosions and the mass burning of oil and coal, processes which change the ¹⁴C  content in the atmosphere. This does not apply to anthropological specimens, in which an exchange of carbon with the atmosphere does not occur. Nevertheless this can give rise to amusing errors. Scientists had once obtained milk samples in order to determine the content of ¹⁴C in contemporary biological matter. A very careful analysis proved the milk to be over 1200 years old, but the cows were alive, and to the eye quite young! It turned out that they browsed near a freeway and the air was filled with non-radioactive carbon from the petrol fumes…

In self-respecting institutions occupied with radioactive carbon dating the above factors are, as much as possible, taken into account. Nevertheless there is yet another factor which is overlooked and does not allow itself to be taken into account, though it does play a role in the above matter. This is the so-called ‘isotope effect’. Although carbon ¹⁴C differs from ¹²C only very slightly, hardly two units of atomic weight, this is enough to result in an appreciable difference in the dynamics of involving the isotopes in the chemical reactions. Carbon ¹²C, being the lighter, is more inclined to take part in chemical and physicochemical reactions. Because life processes are an enormous chain of enzyme reactions, and each of these is composed of many steps, what happens is a fractionalising of the chemical compounds in the metabolic process. The more steps in the chain of reactions, the less ¹⁴C will be found in the product. And thus the relatively closest to atmospheric conditions is the carbon contained in plants, the content then falls in herbivorous animals, and falls further in carnivorous animals. The differences are very minute, but sufficient to determine the position in the food-chain (¹³C is also suitable in this research). But this makes for a certain difficulty in age determination of organic remains. 
Because the dating of the Bronowice vase was done using animal bones, this factor could have played a role in making the finds appear older. In the basic publication several correction factors are discussed, but there is no mention about the isotope effect.

The age of the bone material found in the pit in which were discovered the rest of the vase was determined in the renowned specialist workshop in Groningen in Holland, where they certainly would have taken into account all the then factors contributing to the accuracy of the analysis (1993). According to the analysis the Bronowice vase is over 5,500 years old, expressing this in the manner accepted in radiocarbon dating: 3637-3373, median 3520 BCE, year 1993.

(continuation)