Что является инструментом исследований метода?

В атмосфере под воздействием заряженных космических частиц, атакующих нашу планету, содержащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. При этом атомы азота сохраняют свою прежнюю массу, но теряют положительный заряд. Таким образом исходный атом азота превращается в радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С. (n + ¹⁴N —> ¹⁴С + р, где п, N, С и р - соответственно нейтрон, азот, углерод и протон). Другими словами, из обычных атомов азота образуются «мутанты» - тяжёлые атомы углерода, которые опускаются вниз, попадают в воду, почву, лёгкие живых существ, в растения и т. д. Образовавшийся атом ¹⁴С практически мгновенно окисляется до ¹⁴СО (угарный газ, оксид углерода (II)), а затем в течение нескольких недель при взаимодействии с радикалом ОН превращается в ¹⁴С0₂ (углекислый газ, оксид углерода (IV)). Радиоуглерод, связанный в такие молекулы, включается в био-геохимический цикл обращения углерода.

Такое насыщенное состояние атомов углерода нестабильно, и со временем (через 5730 лет с момента превращения) половина атомов радиоуглерода, «мутировавших» в одно и то же время, возвращается в нормальное состояние. Обратный процесс восстановления привычной структуры атома углерода сопровождается излучением из него тех самых «лишних» элементарных частиц, что и называется радиацией («излучением»).

Для понимания сути явления, отметим, что концентрация ¹⁴С настолько мала, что, по расчетам учёных, за год в атмосфере Земли его образуется всего 7,5 кг, а количество ¹⁴С, постоянно находящееся на Земле, составляет всего 45-70 тонн, что даже не песчинка в пустыне, а гораздо меньше (атомы ¹⁴С образуются со средней скоростью около 2,4 атомов в секунду на каждый квадратный сантиметр земной поверхности).

Все живые существа так или иначе, участвуя в жизни биосферы, поглощают вместе с обычным углеродом ¹²С, являющимся основой органической жизни, и молекулы радиоуглерода ¹⁴С (в виде ¹⁴СО и ¹⁴С0₂). Из атмосферы они переходят в биосферу, аккумулируясь растениями в ходе фотосинтеза, а также поглощаясь поверхностными слоями мирового океана, откуда радиоуглерод может вернуться опять в атмосферу или уйти в глубинные слои океана, где проведёт тысячи лет. Какая-то часть радиоуглерода выводится из оборота, связываясь осадочными породами. Радиоуглерод, путешествуя по всем этим путям, распадается естественным образом. Следовательно, в разных средах его относительное содержание будет различным. В каждой из сред (так называемых резервуаров углерода): атмосфере, биосфере, океане - наблюдается различная «живучесть» и различная концентрация различных изотопов углерода.

Необходимо упомянуть, что в атмосфере помимо изотопов ¹⁴С (содержание которого составляет одна молекула на триллион всех углеродных атомов) и ¹²С (обычного углерода) находится ещё один стабильный (не радиоактивный, не изменяющий свою атомарную структуру) изотоп углерода ¹³С, (содержание которого составляет примерно 1%). Так, в атмосфере живучесть изотопа ¹⁴С составляет примерно 40 лет. Это значит, что весь углерод ¹⁴С, образовавшийся 40 лет назад, к сегодняшнему дню полностью переходит из атмосферы в другие «резервуары»: поглощается растениями и мировым океаном. В океане ситуация иная - там всё зависит от распределения температур, течений и глубины. Чем ниже и глубже, тем больше в воде растворено карбонатов (углеродосодержащих соединений) и выше концентрация изотопа ¹⁴С. Что касается растительноядного животного мира, то он, в основном, потребляет свежую биомассу растений, содержащую такую же концентрацию радиоактивного углерода, как и атмосфера. С плотоядными животными и человеком сложнее, так как количество ¹⁴С существенно зависит от того, в какой среде обитала их пища. Например, концентрация ¹⁴С в тушках двух существ, живших в одно время одинаковое количество лет, но питавшихся морской и речной рыбой соответственно, будет сильно разниться. Подобных факторов, влияющих на концентрацию ¹⁴С в тканях животных, огромное множество. То же относится и к многолетним растениям. В их организмах существует довольно сложный обмен питательных веществ (сахаров, целлюлозы), который отражается в неравномерном распределении концентрации радиоактивного углерода в тканях. Необходимо отметить, что эта радиоактивность природная и совсем не вредная. В наших телах постоянно идёт процесс расщепления радиоактивных атомов.

Существует ещё много факторов, влияющих на концентрацию ¹⁴С во всех «резервуарах». Например, очень сильное воздействие на концентрацию этого изотопа во всех природных средах оказали испытания ядерного оружия в 50-60-х годах. Тогда концентрация ¹⁴С в атмосфере выросла вдвое. Постепенно из атмосферы эта повышенная концентрация перешла в другие «резервуары», и теперь учёные отслеживают её изменение на различных глубинах мирового океана. «Рождённый» от ядерных испытаний радиоактивный углерод ещё нескоро доберётся до океанического дна. Возможно, для этого понадобятся тысячи лет.

Иными словами, исследовательская научная база, накопленная учёными по концентрации радиоактивного углерода в различных слоях биосферы, в различных местах планеты, в различные периоды времени, огромна. Строятся графики изменения концентрации атмосферного радиоуглерода не только в реальном времени, отражающие текущую концентрацию ¹⁴С, но и составляются подробные временные шкалы, уходящие далеко в прошлое и отражающие изменение концентрации этого изотопа применительно к разным местам и объектам на основе ископаемых и других образцов. Например, концентрация атмосферного ¹⁴С в разные периоды времени определяется на основании измерения его концентрации в кольцах деревьев. Известно, что каждое новое кольцо дерева строится на «свежем материале», на углероде, полученном растением в тот год. Таким образом, деревья являются уникальными хранителями подобной информации, а современные исследования позволили протянуть шкалу времени, используя дендрохронологиче-ские методы, до 11 тысяч лет в прошлое.