Углерод-14 образуется в результате столкновения атомов азота-14 (14N) в верхних слоях атмосферы с прилетающими из космоса высокоэнергетическими частицами, которые выбивают из ядра азота протон. Часть образовавшегося в результате изотопа 14C опускается на поверхность Земли и в процессе фотосинтеза поглощается растениями и водорослями, откуда, в свою очередь, в виде органических соединений попадает в питающиеся ими организмы, такие как грибы, все виды животных и люди в том числе. Пока растение или животное живет, дышит, фотосинтезирует или ест, относительное содержание находящихся внутри него изотопов углерода (стабильных 12C и 13C и радиоактивного 14C) соответствует их содержанию в окружающей среде. Но, когда организм умирает, углеродный обмен с внешней средой прекращается, и с этого момента количество стабильных изотопов углерода остается неизменным, тогда как радиоактивный 14C постепенно распадается, и его содержание в останках уменьшается. В отличие от других методов изотопного датирования, в которых для определения возраста образца используется соотношение дочерних и материнских изотопов, радиоуглеродный возраст рассчитывается на основе активности присутствующего радиоуглерода — она определяется как число распадов в единицу времени на грамм углерода. Это объясняется просто: изотоп 14C распадается с образованием азота 14N — газа, который быстро улетучивается из образца.
Радиоуглеродный анализ является важнейшим инструментом в археологических и исторических исследованиях и может быть использован для датирования широкого спектра образцов, содержащих биогенный углерод, включая дерево, кости, слоновую кость, семена, раковины, лен, хлопок, бумагу, торф и многое другое. Можно датировать даже океанскую воду благодаря содержанию в ней небольшого количества растворенного углекислого газа. Так, радиоуглеродный анализ показал, что возраст воды в глубинных слоях в северной части Тихого океана составляет около 1500 лет
[19] — это означает, что эти воды не взаимодействовали с атмосферой со времен рождения пророка Мухаммеда.
Однако, по сравнению с методами определения геологического возраста, радиоуглеродному методу присуща относительно большая неопределенность, связанная с варьированием скорости образования 14C в верхних слоях атмосферы с течением времени, что зависит от ряда факторов, в том числе от флуктуаций геомагнитного поля, которое частично защищает нашу планету от бомбардировки космическими лучами. Чтобы откалибровать радиоуглеродные датировки с учетом этого варьирования, ученые обращаются к незатейливому, но весьма надежному хронометру — годовым кольцам на деревьях: благодаря тому, что в каждом году только внешняя часть дерева активно обменивается углеродом с окружающей средой, каждое кольцо имеет свой радиоуглеродный возраст. Соотнося данные по самым старым кольцам в живых деревьях с данными по самым молодым кольцам в древних деревьях, сохранившихся в болотах, а также найденных в местах археологических раскопок, ученые сумели продлить эту дендрохронологическую летопись на 10 000 лет в прошлое и теперь используют ее для уточнения радиоуглеродного анализа. Кольца роста в кораллах (состоящих из кальцита, CaCO3) дают менее точные исторические данные по 14C, чем кольца деревьев, но позволяют откалибровать радиоуглеродные датировки еще дальше в прошлое. Тем не менее неопределенность для датировок на основе 14C остается довольно высокой — порядка сотен и даже тысяч лет (от 5 до 10 % фактического возраста).
Люди также сыграли свою роль, добавив сложности радиоуглеродному датированию. Во-первых, надземные ядерные испытания в начале холодной войны привели к интенсивному образованию в атмосфере углерода-14 — пик, который нужно обязательно учитывать при датировании современных образцов. Вот почему радиоуглеродный возраст обычно измеряется в «годах до 1950 г.». Во-вторых, за столетие интенсивного сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выброшено огромное количество «мертвого» углерода, что отразилось на изотопном составе атмосферного углерода. Это явление получило название эффекта Зюсса по имени австрийского физика Ганса Зюсса, который впервые описал его в 1955 г.
[20] (и который во время Второй мировой войны принимал участие в германской ядерной программе, гитлеровском аналоге Манхэттенского проекта в США). В то время как углерод 14C, образовавшийся в результате ядерных испытаний, постепенно рассеивается, эффект Зюсса только продолжает нарастать.
Блудные дочери
С конца 1950-х гг., когда масс-спектрометры стали доступны широким академическим кругам, геохронология выделилась в новый самостоятельный раздел геологии со своими учебными и исследовательскими программами. Примерно в это же время начал набирать популярность метод датирования на основе еще одной изотопной пары — калия-40 и аргона-40 (40K — 40Ar). Калий в изобилии присутствует во многих магматических и метаморфических породах, благодаря чему материнские (40K) и его производные дочерние (40Ar) изотопы могут быть обнаружены даже приборами с более низкой измерительной точностью. Оригинальный калий-аргоновый метод отлично подходит для датирования молодых пород с простой термической историей и по сей день остается важным инструментом, например, для определения возраста осадочных отложений, содержащих ископаемые остатки человеческих предков, таких как «Люси», которые, к удобству ученых, перемежаются со слоями вулканического пепла в магматически активной Восточно-Африканской рифтовой долине.
Проблема с парой K — Ar состоит в том, что дочерний изотоп разительно отличается от материнского. Калий — это крупный, общительный ион, охотно отдающий свой электрон другим элементам; аргон — компактный, самодостаточный атом благородного газа с полностью заполненными электронными оболочками, не желающий вступать в какие-либо отношения с другими элементами. Поэтому при малейшей возможности, будь то положение на краю кристалла, появление трещины или нагревание в ходе метаморфического события, открывающее кристаллические двери минерала для диффузии, дочерние изотопы аргона сбегают из родительского дома. В результате родительский кристалл кажется намного моложе своего истинного геологического возраста, причем невозможно узнать, на сколько именно. Полученные значения (со знаком плюс-минус) отражают лишь погрешность измерения, вызванную ограниченной точностью лабораторных инструментов, а не возможное отклонение от фактической даты.
Проблема калий-аргонового датирования стала особенно очевидной в 1960-е гг., когда этот метод был применен к древним породам плато Канадский щит, имеющим долгую многоэтапную историю деформаций и метаморфизма. Полученные датировки иногда расходились с данными полевых наблюдений об относительном возрасте этих пород. В некоторых случаях большое количество аргона, истекавшего из минералов на большой глубине, задерживалось в соседних породах, из-за чего их калий-аргоновый анализ, наоборот, давал слишком старые датировки. Младоземельные креационисты по сей день ссылаются на эти противоречия как на доказательство фундаментальной ошибочности всей геохронологии. Но к 1970-м гг. геохронологи разработали более продвинутый вариант калий-аргонового метода, который позволяет определить, имела ли место потеря аргона (или его приобретение), и получить более точные датировки.
