«Что случилось с климатом»

Лето 2023 года может стать самым жарким в истории. Все благодаря волнам жары, которые происходят все чаще в результате изменения климата. По прогнозам экспертов Всемирной метеорологической организации (ВМО), к середине века жаркая погода будет угрожать здоровью половины населения Европы. В книге «Что случилось с климатом» (издательство «Paulsen») химик Рамиз Алиев рассказывает, насколько сильно мы влияем на климат планеты и чего стоит ожидать в будущем, а также знакомит читателя с основными понятиями и элементами климатической науки. Оргкомитет премии «Просветитель» включил ее в длинный список из 20 книг, среди которых будут выбраны финалисты и лауреаты премии. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным радиоуглеродному методу датирования, который помогает определять возраст природных изменений.

Радиоуглеродный метод датирования

Некоторые ядра атомов с течением времени самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие, более устойчивые. Этот процесс называется радиоактивностью, или радиоактивным распадом. При радиоактивном распаде выделяется энергия в форме электромагнитного излучения и/или кинетической энергии испущенных при распаде заряженных частиц. Например, ядро углерода-14 превращается в ядро азота-14 с испусканием электрона (бета-частицы). Уран-238 превращается в торий-234 с испусканием ядра гелия (альфа-частицы). Скорость радиоактивного распада для каждого типа радиоактивных ядер (или, как говорят физики, для каждого радионуклида) постоянна. Мерой ее служит период полураспада — время, за которое распадается половина имеющихся в наличии ядер. Так, в приведенном примере период полураспада урана-238 составляет 4,468 млрд лет, а углерода-14 — 5730 лет. Скорость радиоактивного распада не зависит ни от температуры, ни от давления, ни от времени, ни от каких-либо других факторов. Из постоянства периода полураспада следует, что, в принципе, каждый радионуклид может быть использован как хронометр для определения возраста тех или иных объектов. По скорости радиоактивного распада урана был определен возраст Земли (Patterson, 1956).

Еще в 1939 г. профессор Нью-Йоркского университета Серж Корфф обнаружил, что космические лучи при взаимодействии с атмосферой образуют нейтроны. Он же первым заинтересовался дальнейшей судьбой этих нейтронов и предположил, что они должны взаимодействовать с ядрами азота — основного компонента атмосферы, давая радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C. Этот процесс можно описать ядерной реакцией:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p

Здесь n обозначает нейтрон, p — протон. В  реакцию записывают так: ¹⁴N(n,p)¹⁴C.

Период полураспада ¹⁴C составляет 5730 лет. Этого времени более чем достаточно, чтобы радиоактивный углерод смешался с обычным нерадиоактивным в атмосфере, затем усвоился растениями суши и биомассой океана. Таким образом, происходит усреднение концентрации радиоактивного углерода в биосфере. В одном грамме углерода, выделенного из живого вещества, в минуту происходят в среднем 14 событий распада ядер радиоактивного углерода. Но когда организм умирает, он выпадает из обмена углерода. Запас радиоуглерода больше не пополняется из атмосферы. А значит, включаются «радиоактивные часы». И через 5730 лет активность одного грамма углерода снизится до семи распадов в минуту (рис. 2.22). Естественным ограничением метода является предельный возраст ~50 тыс. лет. В более старых объектах содержание радиоактивного углерода становится настолько низким, что его практически невозможно измерить.

Уиллард Либби теоретически рассчитал содержание радиоуглерода в атмосфере. Имея эту оценку, он разработал высокочувствительное оборудование для измерения радиоактивности. Радиоуглеродный метод предназначался в основном для датирования археологических объектов — древесины, ткани, останков живых организмов. Но вскоре он был взят на вооружение геологами, поскольку оказался особенно удобен для датирования природных изменений в голоцене и в период последнего оледенения (Currie, 2003)

Либби предположил, что соотношение радиоактивного и обычного углерода в атмосфере не менялось в течение десятков тысяч лет. Позже выяснилось, что это не так. Скорость образования ¹⁴C зависит от активности Солнца и напряженности магнитного поля Земли (подробнее см. главу 4), а обе эти величины непостоянны. Кроме того, отношение ¹⁴C/¹²C зависит от изменений в самом углеродном цикле, в первую очередь от перераспределения углерода между океаном, биомассой суши и атмосферой. Эти изменения могли быть весьма существенными за последние десятки тысяч лет, когда условия менялись от оледенения к межледниковью. Хотя Либби исходил из неточных предпосылок, радиоуглеродный метод оказался чрезвычайно полезным. Со временем удалось построить надежные калибровочные шкалы, чтобы учесть изменения отношения ¹⁴C/¹²C в прошлом. Определив содержание радиоуглерода в объектах известного возраста, можно построить калибровочную кривую (рис. 2.23), позволяющую пересчитывать радиоуглеродный возраст на календарный. Так можно исключить влияние короткопериодических колебаний солнечной активности и относительно медленных изменений магнитного поля Земли. Калибровочная шкала, охватывающая примерно 14 000 лет, построена по годичным кольцам деревьев, возраст которых можно определить методом дендрохронологии с точностью до года.

Калибровки, построенные по карбонатным скелетам кораллов, сталагмитам, озерным и морским осадкам с выраженными годичными слоями, охватывают примерно 50 000 лет (Fairbanks et al., 2005). Для карбонатных образований (сталагмитов, кораллов и др.) существует весьма надежный уран-ториевый метод датировки, по которому можно определять их возраст с высокой точностью. Тем не менее калибровки по этим объектам менее надежны, чем дендрохронологические (Broecker, 2014).

Радиоуглеродный метод на сегодня — один из наиболее надежных методов геохронологии. Но, как у каждого метода, у него есть свои ограничения. Во-первых, изгибы калибровочной кривой приводят иногда к неоднозначности датировок. Еще одна проблема состоит в том, что некоторые объекты и после смерти продолжают участвовать в обмене углерода. Например, происходит частичная перекристаллизация карбонатов раковин и кораллов. Частично замещается и неорганический углерод костей. В таких случаях, если возможно, датируют выделенные из образца органические соединения, например определенные типы белков или аминокислот. Случающиеся порой казусы с датировками чаще всего связаны с загрязнением образца современным углеродом. Бывает, что образец обогащается древним углеродом, не содержащим ¹⁴C. Это происходит в тех случаях, когда усваиваются растворенные карбонаты древних пород (Bradley, 2015)

В радиоуглеродном методе надо учитывать так называемый резервуарный эффект, который проявляется при датировке морских организмов, получающих углерод не напрямую из атмосферы, а из воды с определенной глубины. Даже в поверхностных водах углерод не находится в изотопном равновесии с атмосферой, поскольку из-за процессов перемешивания вод часть современного, богатого ¹⁴C, углерода уходит в толщу, а древний углерод, напротив, поступает на поверхность. В результате углерод поверхностных вод в низких широтах «выглядит» в среднем на 400 лет старше. Это так называемый кажущийся возраст, или возраст резервуара. Для глубоководных организмов резервуарный эффект еще сильнее. Цикл углерода, как уже упоминалось, существенно менялся в течение десятков тысяч лет, с ним менялась и величина резервуарных эффектов.

Подробнее читайте:
Алиев, Рамиз. Что случилось с климатом / Р. Алиев. Москва: Паулсен, 2022. — 336 с., ил.