Радиометрическое датирование 5
Естественный радиоуглерод в природе
жүктеу/скачать 51.85 Kb.
|
| Естественный радиоуглерод в природе.
Земля и ее атмосфера постоянно подвергаются радиоактивной бомбардировке потоками элементарных частиц из межзвездного пространства. В верхних слоях атмосферы (на высотах от 8 до 18 км) из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит образование атомов радио- углерода со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Химически активный С14 практически мгновенно окисляется до 14CO, а затем в течение нескольких недель радикалом ОН далее в 14CO2. Образовавшийся радиоактивный диоксид (углекислый газ) постепенно диффундирует к нижним слоям атмосферы и перемешивается с обычной углекислотой. В конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Относительное содержание радиоуглерода С14 в атмосфере остается чрезвычайно малым, в атмосфере Земли в общей сложности постоянно находится около 80 тонн радиоуглерода. Удельная активность углерода в обменной системе составляет около 15 распадов за 1 минуту на 1 г углерода, за 80 лет распадается около 1% первоначального числа атомов С14. Если поток космических лучей постоянен, то общее количество атмосферного С14 должно находиться в вековом равновесии (подвижное равновесие между распадом и образованием С14, которое может со временем нарушаться). Отклонения естественного уровня С14 от равновесия можно связать со следующими причинами. Во-первых, скоростью его образования. 1) Изменения вариации потока галактических космических лучей. На протяжении последних 50 тысяч лет зафиксирован лишь один период ~ 35 тысяч лет назад когда, вероятно, этот поток возрос почти вдвое в течение нескольких тысяч лет. 2) Солнечная модуляция потока галактических лучей. Солнце своими магнитными полями и солнечным ветром как бы выметает из гелиосферы галактические космические лучи. Вариации скорости образования из-за этой причины порядка ±25% от среднего. Иногда, во время великих минимумов Солнца, вроде Маундеровского (1645-1740 гг.), скорость образования может вырасти на 40-50%. 3) Солнечные космические лучи. Они не делают значительный вклад в образование радиоуглерода. Даже в случае очень сильных вспышек усредненный за год эффект мал. 4) Геомагнитное поле. Вследствие вариаций геомагнитного поля оно отклоняет или не пропускает к атмосфере галактические космические лучи, тем самым, меняя и скорость образования С14. Чем сильнее поле, тем меньше образования. За последние 10 тысяч лет поле было наиболее сильным 1500 лет назад (примерно в 1,3 раза сильнее, чем сейчас). Скорость образования при этом была около 0,88 от современной. Во-вторых, не меньшее значение оказывают вариации углеродообмен- ной системы. Радиоуглерод, образовавшийся в виде 14CO2 включается в биогеохимический цикл обращения углерода. Из атмосферы он переходит в биосферу, захватываясь в виде CO2 растениями в ходе фотосинтеза, поглощается поверхностными слоями океана. Оттуда он может вернуться опять в атмосферу или уйти в глубинные слои океана. Океанские воды служат огромным резервуаром СО2. Так, время газообмена между глубинными слоями океана и атмосферой имеет масштаб тысячелетий. Поскольку в «старой» углекислоте глубинных вод распалось больше С14, следовательно, с каждым перемешиванием океана содержание атмосферного радиоуглерода падает. В результате, путешествуя по всем этим путям, часть радиоуглерода выводится из оборота практически безвозвратно - в осадочные породы, часть возвращается назад в атмосферу, часть естественно распадается, поэтому в разных резервуарах его относительное содержание будет различным. Примером работы углеродообменной системы является классический экспоненциальный хвост спадания мощного импульса радиоуглерода, инжектированного в атмосферу во время атмосферных ядерных испытаний. Спад атмосферного содержания С14 связан с выведением радиоуглерода в 9 другие резервуары, что будет продолжаться до тех пор, пока вся система не найдет новое равновесное отношение. В-третьих, определенное значение имеет антропогенное воздействие, связанное с массовым использованием ископаемого топлива. Оно обеднено изотопом 13C, С14 почти полностью отсутствует, в результате происходит смещение изотопного отношения CO2 в атмосфере в сторону легких изотопов. Накладываясь на эффект от сведения лесов, этот процесс приводит к стремительному увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере примерно с 250 ppm (промилле) до 360 ppm. В тоже время на этот процесс наложились и ядерные испытания, проведенные в 50-е - 60-е годы ХХ в. Практически мгновенно в атмосферу было инжектировано огромное количество радиоуглерода, образующегося при атомном взрыве в азотной среде. Отношение изотопа С14/ 12С в северном полушарии в атмосфере удвоилось лишь за 5 лет (т.е. вариация в 100%). Особенностью этого воздействия была его локальность, т.е. взрывы в основном проводились в северном полушарии, и наиболее мощные в высоких широтах. Из атмосферы в биосферу углерод попадает практически единственным путем - через фотосинтез растений. При переходе углекислого газа через барьер в устьицах растений и в фотосинтетической реакции происходит изотопное фракционирование. Величина фракционирования измеряется в сдвиге 10 изотопного отношения 13С/ 12С по сравнению с эталоном - мировым стандартом. В растениях, глюкозе и целлюлозе эта величина разная от -12 до -30 ppm (зависит от растения, условий роста, температуры, влажности и т.д.). Причем растения делятся на две группы: C4 и C3 по величине фотосинтетического фракционирования. У первой группы эта величина лежит в диапазоне - 12-19 ppm, то во второй - 21-29 ppm. Средняя величина изотопного фракционирования у деревьев около - 25 ppm. Целлюлоза в растениях относится к неподвижной фракции и является основным строительным материалом растений. Таким образом, если у однолетних растений все построено из углекислого газа (ассимилированного за вегетационный период), то для долгоживущих видов все немного сложнее. Впадая в неактивный период (зимовка и пр.) растение часть сахаров направляет на хранение, обычно в корневую систему (клубни, луковицы и др.). Этот материал будет использован на начальном этапе новой вегетации, при формировании зоны "ранней" древесины годичных колец деревьев, плодов и др. Животные, употребляя растения, строят свои организмы из этого же углерода. Причем, в основном, конечно же, употребляется свежий прирост, отражающий текущее содержание С14 в атмосфере. Однолетние животные (мотыльки, некоторые бабочки), таким образом, также несут изотопный сигнал непосредственно соответствующего года. Более долгоживущие организмы интегрируют изотопный сигнал по времени свой жизни. Несколько по-другому этот круговорот происходит в океане. Углекислый газ весьма растворим, особенно в холодной воде. Холодные области планеты, где формируются глубинные воды мирового океана являются областями стока атмосферного углекислого газа. При растворении углекислого газа в воде также происходит фракционирование изотопов порядка 2-3 ppm (в зависимости от температуры). В воде растворенный углекислый газ используется водными растениями практически по тому же циклу, что и на суше. Отличие заключается в том, что углерод в виде различных карбонатов используется организмами для построения своих частей (например, кораллы, раковины и пр.), а затем этот углерод (связанный углекислый газ) в виде карбонатов выводится из оборота в осадочные слои. В результате, растворенный углекислый газ, неся атмосферный радиоуглеродный сигнал, немедленно оказывается сильно разбавленным "мертвым" углеродом. Поэтому для океана и организмов, там живущих, характерны заметные обеднения отношения С14/ 12С по сравнению с атмосферными (сухопутно-биосферными). Выполнение радиоуглеродных датировок без учета различия содержания радиоуглерода в сухопутных и морских организмах приводило в XX в. к парадоксам: 1) Живых моллюсков "датировали", используя радиоуглеродный метод. Результаты анализа показали их "возраст" 2300 лет. Ошибка составила две тысячи триста лет. 2) Отстрелянных тюленей "датировали" по содержанию С14. Их "возраст" определили в 1300 лет. Мумифицированные трупы тюленей, умерших всего 30 лет тому назад, были "датированы" как имеющие возраст 4600 лет. жүктеу/скачать 51.85 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|