В качестве уточнения метода, мы можем датировать ископаемые, которые лежат в верхней части, скажем, слоя каменноугольного или меловго периода, как более поздние, чем ископаемые, которые лежат несколько ниже в том же слое.
Нам не обязательно искать магматические породы в окрестностях того или иного отдельного ископаемого для его датировки.
Мы можем сказать, что наши ископаемые относятся к, скажем, концу девонского периода, по их позиции среди девонских слоев.
И мы знаем по радиоактивному датированию магматических пород, обнаруженных в связи с девонскими слоями по всему миру, что девонский период закончился около 360 миллионов лет назад.
Калий-аргоновые часы — только одни из многих часов, доступных геологам, которые используют тот же принцип в различном масштабе времени.
Выше приведена таблица часов, от медленных до быстрых.
Обратите еще раз внимание на удивительный диапазон периодов полураспада, от медленного в 49 миллиардов лет до менее чем 6.000 лет на «быстром конце».
Более быстрые часы, такие как углерод 14, работают несколько иным способом.
Это потому, что «обнуление» этих высокоскоростных часов неизбежно отличается.
У изотопов с коротким периодом полураспада, все атомы, присутствовавшие при начальном формировании Земли, уже давно исчезли.
Прежде чем перейти к радиоуглеродному датированию, стоит сделать паузу, чтобы рассмотреть другую часть свидетельств в пользу старости планеты Земля, возраст которой измеряется в миллиардах лет.
Среди всех элементов, которые встречаются на Земле, 150 устойчивых изотопов и 158 неустойчивых, всего 308.
Из 158 неустойчивых 121 уже полностью распались или существуют только потому, что они постоянно возобновляются, как углерод 14 (как мы увидим ниже).
Теперь, если мы рассматриваем 37, которые не исчезли, мы замечаем что-то значимое.
У каждого из них период полураспада больше, чем 700 миллионов лет.
А если мы рассмотрим 121, которые исчезли, у каждого из них период полураспада меньше, чем 200 миллионов лет.
Кстати, не запутайтесь.
Помните, мы говорим о периоде полураспада, а не жизни! Подумайте о судьбе изотопа с периодом полураспада 100 миллионов лет.
Изотопы, период полураспада которых составляет менее одной десятой или около того возраста Земли, исчезли и для практических целей, не существуют, за исключением особых обстоятельств.
С исключениями, для которых есть особые причины, понятные нам, изотопы, которые мы находим на Земле, являются только такими, у которых период полураспада достаточно длительный, чтобы сохраниться на очень старой планете.
Углерод-14 является одним из этих исключений, и по интересной причине, а именно, что он непрерывно пополняется.
Роль углерода-14 в качестве часов поэтому следует понимать по-другому, чем у более долгоживших изотопов. В частности, что означает обнулить эти часы?
УГЛЕРОД
Из всех элементов углерод, кажется, наиболее обязательным для жизни — элемент, без которого жизнь на любой планете труднее всего представить.
Это из-за замечательной способности углерода к формированию цепочек, колец и других сложных молекулярных архитектур.
Он попадает в пищевые цепи с помощью фотосинтеза, процесса, при котором зеленые растения поглощают молекулы углекислого газа из атмосферы и используют энергию солнечного света, чтобы объединить атомы углерода с водой, создавая сахар.
Весь углерод в нас и во всех других живых существах происходит в конечном счете, через растения, из углекислого газа в атмосфере.
И он постоянно возвращается обратно в атмосферу: когда мы выдыхаем, когда мы выделяем, и когда мы умираем.
Большая часть углерода в углекислом газе атмосферы — углерод 12, который не радиоактивен.
Однако, примерно один атом на триллион является углеродом-14, который радиоактивен.
Он распадается довольно быстро, с периодом полураспада 5730 лет, как мы видели, в азот-14.
Биохимия растений слепа к различию между этими двумя углеродами.
Для растения углерод — всего лишь углерод.
Таким образом, растения берут углерод 14 вместе с углеродом 12, и включают оба этих вида атомов углерода в сахара в той же самой пропорции, в какой они присутствуют в атмосфере.
Углерод, входящий в состав в атмосферы (вместе с такой же пропорцией атомов углерода-14) быстро (по сравнению с периодом полураспада углерода-14) распространяются через пищевую цепь, когда растения поедаются травоядными, травоядные хищниками и так далее.
Все живые существа, будь то растения или животные, имеют примерно равное соотношение углерода-12 и углерода-14, которое является тем же самым соотношением, что мы находим в атмосфере.
Итак, когда эти часы обнуляются? В момент, когда живое существо, будь то животное или растение, умирает.
В этот момент оно отсекается от пищевой цепи, и от притока свежего углерода-14 через растения из атмосферы.
С течением столетий углерод 14 в трупе, или куске дерева, или части ткани, или чего-то еще постоянно распадается в азот-14.
Соотношение углерода-14 к углероду-12 в образце поэтому постепенно падает дальше и дальше ниже стандартного соотношения, которое живущие существа делят с атмосферой.
В конце концов останется только углерод-12 — или, точнее, содержание углерода-14 будет слишком малым, чтобы его измерить.
И соотношение углерода-12 и углерода-14 может быть использовано для расчета времени, которое прошло со дня смерти существа, отрезанного от пищевой цепи, и его обмена с атмосферой.
Это очень хорошо, но это работает только потому, что идет непрерывное пополнение запаса углерода-14 в атмосфере.
Без этого углерод-14 с коротким периодом полураспада давно бы исчез с лица Земли, наряду со всеми другими естественными изотопами с коротким периодом полураспада.
Углерод 14 является особенным, потому что он непрерывно создается космическими лучами, бомбардирующими атомы азота в верхних слоях атмосферы.
Азот — самый распространенный газ в атмосфере, и его атомное число 14, то же самое, что и у углерода 14.
Различие в том, что у углерода-14 6 протонов и 8 нейтронов, в то время как у азота-14 7 протонов и 7 нейтронов (нейтроны, помните, имеют почти ту же массу, что и протоны).
Частицы космических лучей способны, бомбардируя протон в ядре азота, преобразовывать его в нейтрон.
Когда это происходит, атом становится углеродом-14, который стоит на одну клетку левее, чем азот в периодической системе.
Скорость, с которой это преобразование происходит, примерно постоянна из века в век, и поэтому радиоуглеродное датирование работает.
Фактически скорость не является точно постоянной, и в идеале мы должны делать поправки на это.
К счастью, у нас есть точная калибровка колебаний поставки углерода-14 в атмосферу, и мы можем ввести поправку на них, чтобы уточнить наши вычисления возраста.
Помните, что, примерно для того же самого временного диапазона, покрываемого датированием по радиоуглероду, у нас есть альтернативный метод датирования древесины — дендрохронология — который абсолютно точен до года.
Глядя на датируемые по радиоуглероду возрасты деревянных образцов, возраст которых независимо установлен датированием с помощью годичных колец, мы можем откалибровать эту колеблющуюся ошибку в датировании по углероду.
Теперь мы можем использовать эти калибровочные измерения, когда мы возвращаемся к органическим образцам, для которых у нас нет данных годичных колец (для большинства).
Датирование по радиоуглероду — сравнительно недавнее изобретение, берущее начало лишь в 1940-ых.
В его первые годы требовались существенные количества органического материала для процедуры датирования.
Только, в 1970-х техника, называемая масс-спектрострией, была адаптирована для датирования, в результате чего сейчас необходимы только крошечные количества органического вещества.
Это произвело революцию в археологическом датировании.
Самым известным примером является Туринская плащаница.
Поскольку на этом пресловутом куске ткани оказался запечатлен, кажется таинственным образом, лик бородатого, распятого человека, многие люди надеялись, что он может происходить со времен Иисуса.
Она впервые появляется в исторической летописи в середине четырнадцатого столетия во Франции, и никто не знает, где она была до этого.
Она находилась в Турине с 1578, и в Ватикане с 1983 года.
Когда масс-спектрометрия сделала возможным датирование по крошечному образецу плащаницы, а не значительному куску, который был бы необходим прежде, Ватикан позволил отрезать маленькую полосу.
Полоса была разделена на три части и послана в три ведущих лаборатории, специализирующиеся на радиоуглеродном датировании, в Оксфорде, Аризоне и Цюрихе.
