科學(xué)研究：讓碳同位素定年更精準(zhǔn)

新曲線中添加的新數(shù)據(jù)主要來(lái)自古樹的年輪數(shù)據(jù)，其精度可達(dá)1年。圖片來(lái)源：斯特凡·丁澤（Stefan Dinse）
3500多年前，火山噴發(fā)吞沒(méi)了古希拉島（Thera），這片土地就是如今位于希臘的圣托里尼島（Santorini）。噴出的火山灰和浮石籠罩著整個(gè)地中海，引發(fā)的海嘯甚至傳到了對(duì)面克里特島的海岸上。20世紀(jì)60年代，考古學(xué)家在圣托里尼島發(fā)現(xiàn)了一處被火山碎屑掩埋的米諾斯人定居點(diǎn)，多層房屋的墻壁上還裝飾著生動(dòng)的壁畫。
在古希拉島發(fā)生的火山噴發(fā)是過(guò)去1萬(wàn)年中最劇烈的一次，這也是地中海文明青銅時(shí)代中的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，在考古學(xué)中這也一直是一個(gè)重大的爭(zhēng)議點(diǎn)，為了確定具體的噴發(fā)時(shí)間，研究人員爭(zhēng)論了數(shù)十年。
盡管不能徹底平息爭(zhēng)論，但最近科學(xué)界對(duì)碳14測(cè)年法做的一次校正或許可以縮小誤差范圍。這條備受期待的新校正曲線（由一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成，用于將測(cè)定的數(shù)值轉(zhuǎn)換成時(shí)間）被命名為IntCal20，是《放射性碳》（Radiocarbon）雜志8月特刊的亮點(diǎn)。新曲線的數(shù)據(jù)量是2013年舊曲線的2倍左右。
借助這條新曲線，科學(xué)家可能需要重新評(píng)估全世界很多歷史遺跡、文物和事件發(fā)生的年代。
“新校正曲線的數(shù)據(jù)量已經(jīng)大幅增加，曲線每修正一次，我們就能更精確地測(cè)定年代，”英國(guó)牛津大學(xué)碳14測(cè)年法專家托馬斯·海厄姆（Thomas Higham，并未參與這項(xiàng)研究）說(shuō)，“很多科學(xué)家都很期待這條新曲線，因?yàn)樗粌H能讓定年更準(zhǔn)確，還有助于揭示地球的運(yùn)轉(zhuǎn)方式以及隨時(shí)間的變化方式?！?br> 所有生物都會(huì)吸收碳14（碳元素的一種放射性同位素，這種同位素會(huì)以固定的速率衰變）。利用這個(gè)性質(zhì)，考古學(xué)家就能推測(cè)各種有機(jī)物質(zhì)（包括貝殼、骨骼、木炭等）的形成年代。20世紀(jì)40年代末，碳14測(cè)年法改變了考古學(xué)，并成為了確定年代的金標(biāo)準(zhǔn)。隨后，第二次變革來(lái)臨，當(dāng)時(shí)科學(xué)家意識(shí)到由于太陽(yáng)活動(dòng)，環(huán)境中的碳14濃度并非一成不變，例如原子彈試驗(yàn)和化石燃料燃燒也會(huì)影響它的濃度。因此，科學(xué)家需要使用一系列獨(dú)立的測(cè)量結(jié)果對(duì)碳14測(cè)年的結(jié)果進(jìn)行校正，而這些數(shù)據(jù)主要來(lái)自古代樹木的樹干?？茖W(xué)家可通過(guò)樹干的年輪推測(cè)時(shí)代，然后再與碳14測(cè)年法的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。
在20世紀(jì)80年代繪制早期的校正曲線時(shí)，年輪法測(cè)定的年代最早只能到數(shù)千年前。而最新的IntCal20用年輪法校正的時(shí)間已經(jīng)向前推至距今1.4萬(wàn)年了。此外，這條新曲線的確定不僅使用了常規(guī)的年輪法，對(duì)特定年齡的年輪還增加了采樣量，以此評(píng)估太陽(yáng)輻射爆發(fā)等現(xiàn)象造成的短期數(shù)據(jù)突變。其他的校正方式則包括冰芯、季節(jié)性湖泊沉積物和洞穴石筍等。因此，新曲線能夠校準(zhǔn)的時(shí)間已經(jīng)向前推至 5.5萬(wàn)年前了，基本與碳14測(cè)年法能測(cè)得的最早年代相當(dāng)。
國(guó)際校正工作小組（Internatio-nal Calibration Working Group）成立于2002年。小組通過(guò)多方收集數(shù)據(jù)的方式制作了這條應(yīng)用廣泛的新校正曲線。除了適用于北半球的IntCal20外，該小組還分別制作了適用于南半球和海洋的校正曲線，這3個(gè)曲線在碳14的含量上略有不同。
在IntCal20的12 904個(gè)原始測(cè)試數(shù)據(jù)中，有800多個(gè)位于公元前18~16世紀(jì)。這也是曲線的公元前階段中，年代確立更為準(zhǔn)確的一段時(shí)期。科學(xué)家知道，毀滅古希拉島的那次火山噴發(fā)就發(fā)生在這段時(shí)期，因此他們想為噴發(fā)事件確定一個(gè)更具體的時(shí)間?！叭绻覀兡芘宕舜问录目煽繒r(shí)間，就意味著只要在這片區(qū)域的任何考古遺跡中發(fā)現(xiàn)了火山灰，就能確定準(zhǔn)確的時(shí)間，”美國(guó)亞利桑那大學(xué)樹木年輪科學(xué)家夏洛特·皮爾森（Charlotte Pearson，參與了IntCal20曲線繪制和古希拉島研究工作）說(shuō)，“這樣，就能把周圍所有偉大文明所處的時(shí)間匯總在一起了。”這其中不僅包括米諾斯人，還有赫梯人、喜克索斯人和古埃及人。

圖片來(lái)源：Pixabay
不過(guò)目前得到的數(shù)據(jù)還是讓人難以捉摸。一些陶器和古代記錄顯示此次火山噴發(fā)的時(shí)間是公元前16世紀(jì)晚期，而碳14測(cè)年法的結(jié)果則要早100多年。用IntCal20校正測(cè)試的結(jié)果確實(shí)可以縮小誤差，但由于在這段時(shí)間內(nèi)曲線是平滑的，因此只得到若干可能的時(shí)期，而不是最終的確切答案。
“最大的區(qū)別在于，我們現(xiàn)在得到的年代范圍已經(jīng)大大縮小了。”美國(guó)康奈爾大學(xué)考古學(xué)家斯圖爾特·W·曼寧（Sturt W. Manning）說(shuō)。他曾領(lǐng)導(dǎo)了早期古希拉島碳14測(cè)年工作，同時(shí)也參與繪制了IntCal20校正曲線。他表示，校正后的碳14測(cè)定結(jié)果認(rèn)為，此次火山噴發(fā)最可能發(fā)生在公元前17世紀(jì)晚期，不過(guò)另一個(gè)可能的時(shí)間是公元前16世紀(jì)早期至中期。
有了這些新數(shù)據(jù)，年代測(cè)定的“準(zhǔn)確度大大提高了，但諷刺的是并沒(méi)有解決這個(gè)爭(zhēng)論”。盡管如此，皮爾森認(rèn)為科學(xué)家離揭曉謎底更近了，她說(shuō)：“我認(rèn)為最終能確定準(zhǔn)確的年代，只不過(guò)得找出能夠推出正確時(shí)間的記錄。”

希臘著名的圣托里尼島。圖片來(lái)源：Pixabay
IntCal20發(fā)布后，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)一波重新校正數(shù)據(jù)的研究熱潮——當(dāng)然不僅限于青銅時(shí)代的數(shù)據(jù)。根據(jù)新曲線，位于末次冰期末的過(guò)渡時(shí)期提前了50年。這或許會(huì)影響考古學(xué)家對(duì)各種史前巨獸滅絕時(shí)間的推斷，以及人類首次進(jìn)入美洲等有爭(zhēng)議的時(shí)間數(shù)據(jù)。此外，在西伯利亞發(fā)現(xiàn)的烏斯季伊希姆人——?dú)W亞大陸發(fā)現(xiàn)的最早的智人化石——可能比之前認(rèn)為的晚1000年。
海厄姆對(duì)新曲線中5.5萬(wàn)~5萬(wàn)年前的這段時(shí)間尤其感興趣。他希望這有助于科學(xué)家理解現(xiàn)代人類（剛從非洲向外遷徙的、解剖學(xué)意義上的現(xiàn)代人）是如何與尼安德特人、丹尼索瓦人等古代人類相處和通婚的。
曼寧稱，下次校正時(shí)會(huì)發(fā)布更多適用于特定區(qū)域的曲線，這或許能解決古希拉島火山噴發(fā)時(shí)間之謎?！拔覀円呀?jīng)進(jìn)入了能精確定年的新時(shí)期，”他說(shuō)，“這樣我們就能更深入地理解定年時(shí)測(cè)的究竟是什么，以及放射性碳定年的結(jié)論究竟是怎么來(lái)的。”
撰文：梅甘?I?甘農(nóng)（Megan I. Gannon）
翻譯：張哲
文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)


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