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让碳同位素法更精确地测定年代

碳同位素 放射同位素
发布:2020-09-28 16:27:10     来源:环球科学

新曲线中添加的新数据主要来自古树的年轮数据,其精度可达1年。图片来源:斯特凡·丁泽(Stefan Dinse)

3500多年前,火山喷发吞没了古希拉岛(Thera),这片土地就是如今位于希腊的圣托里尼岛(Santorini)。喷出的火山灰和浮石笼罩着整个地中海,引发的海啸甚至传到了对面克里特岛的海岸上。20世纪60年代,考古学家在圣托里尼岛发现了一处被火山碎屑掩埋的米诺斯人定居点,多层房屋的墙壁上还装饰着生动的壁画。

在古希拉岛发生的火山喷发是过去1万年中最剧烈的一次,这也是地中海文明青铜时代中的重要时间节点。当然,在考古学中这也一直是一个重大的争议点,为了确定具体的喷发时间,研究人员争论了数十年。

尽管不能彻底平息争论,但最近科学界对碳14测年法做的一次校正或许可以缩小误差范围。这条备受期待的新校正曲线(由一系列数据点构成,用于将测定的数值转换成时间)被命名为IntCal20,是《放射性碳》(Radiocarbon)杂志8月特刊的亮点。新曲线的数据量是2013年旧曲线的2倍左右。

借助这条新曲线,科学家可能需要重新评估全世界很多历史遗迹、文物和事件发生的年代。

“新校正曲线的数据量已经大幅增加,曲线每修正一次,我们就能更精确地测定年代,”英国牛津大学碳14测年法专家托马斯·海厄姆(Thomas Higham,并未参与这项研究)说,“很多科学家都很期待这条新曲线,因为它不仅能让定年更准确,还有助于揭示地球的运转方式以及随时间的变化方式。”

所有生物都会吸收碳14(碳元素的一种放射性同位素,这种同位素会以固定的速率衰变)。利用这个性质,考古学家就能推测各种有机物质(包括贝壳、骨骼、木炭等)的形成年代。20世纪40年代末,碳14测年法改变了考古学,并成为了确定年代的金标准。随后,第二次变革来临,当时科学家意识到由于太阳活动,环境中的碳14浓度并非一成不变,例如原子弹试验和化石燃料燃烧也会影响它的浓度。因此,科学家需要使用一系列独立的测量结果对碳14测年的结果进行校正,而这些数据主要来自古代树木的树干。科学家可通过树干的年轮推测时代,然后再与碳14测年法的结果进行比对。

在20世纪80年代绘制早期的校正曲线时,年轮法测定的年代最早只能到数千年前。而最新的IntCal20用年轮法校正的时间已经向前推至距今1.4万年了。此外,这条新曲线的确定不仅使用了常规的年轮法,对特定年龄的年轮还增加了采样量,以此评估太阳辐射爆发等现象造成的短期数据突变。其他的校正方式则包括冰芯、季节性湖泊沉积物和洞穴石笋等。因此,新曲线能够校准的时间已经向前推至 5.5万年前了,基本与碳14测年法能测得的最早年代相当。

国际校正工作小组(Internatio-nal Calibration Working Group)成立于2002年。小组通过多方收集数据的方式制作了这条应用广泛的新校正曲线。除了适用于北半球的IntCal20外,该小组还分别制作了适用于南半球和海洋的校正曲线,这3个曲线在碳14的含量上略有不同。

在IntCal20的12 904个原始测试数据中,有800多个位于公元前18~16世纪。这也是曲线的公元前阶段中,年代确立更为准确的一段时期。科学家知道,毁灭古希拉岛的那次火山喷发就发生在这段时期,因此他们想为喷发事件确定一个更具体的时间。“如果我们能弄清此次事件的可靠时间,就意味着只要在这片区域的任何考古遗迹中发现了火山灰,就能确定准确的时间,”美国亚利桑那大学树木年轮科学家夏洛特·皮尔森(Charlotte Pearson,参与了IntCal20曲线绘制和古希拉岛研究工作)说,“这样,就能把周围所有伟大文明所处的时间汇总在一起了。”这其中不仅包括米诺斯人,还有赫梯人、喜克索斯人和古埃及人。

不过目前得到的数据还是让人难以捉摸。一些陶器和古代记录显示此次火山喷发的时间是公元前16世纪晚期,而碳14测年法的结果则要早100多年。用IntCal20校正测试的结果确实可以缩小误差,但由于在这段时间内曲线是平滑的,因此只得到若干可能的时期,而不是最终的确切答案。

“最大的区别在于,我们现在得到的年代范围已经大大缩小了。”美国康奈尔大学考古学家斯图尔特·W·曼宁(Sturt W. Manning)说。他曾领导了早期古希拉岛碳14测年工作,同时也参与绘制了IntCal20校正曲线。他表示,校正后的碳14测定结果认为,此次火山喷发最可能发生在公元前17世纪晚期,不过另一个可能的时间是公元前16世纪早期至中期。

有了这些新数据,年代测定的“准确度大大提高了,但讽刺的是并没有解决这个争论”。尽管如此,皮尔森认为科学家离揭晓谜底更近了,她说:“我认为最终能确定准确的年代,只不过得找出能够推出正确时间的记录。”

希腊著名的圣托里尼岛。图片来源:Pixabay

IntCal20发布后,预计会出现一波重新校正数据的研究热潮——当然不仅限于青铜时代的数据。根据新曲线,位于末次冰期末的过渡时期提前了50年。这或许会影响考古学家对各种史前巨兽灭绝时间的推断,以及人类首次进入美洲等有争议的时间数据。此外,在西伯利亚发现的乌斯季伊希姆人——欧亚大陆发现的最早的智人化石——可能比之前认为的晚1000年。

海厄姆对新曲线中5.5万~5万年前的这段时间尤其感兴趣。他希望这有助于科学家理解现代人类(刚从非洲向外迁徙的、解剖学意义上的现代人)是如何与尼安德特人、丹尼索瓦人等古代人类相处和通婚的。

曼宁称,下次校正时会发布更多适用于特定区域的曲线,这或许能解决古希拉岛火山喷发时间之谜。“我们已经进入了能精确定年的新时期,”他说,“这样我们就能更深入地理解定年时测的究竟是什么,以及放射性碳定年的结论究竟是怎么来的。”

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