Факторы, влияющие на вариации содержания 14C в атмосфере
прошлого
В верхних слоях атмосферы под воздействием галактических
лучей из азота образуется радиоактивный изотоп углерода
14C, который, окисляясь, превращается в углекислый газ (СО2).
Кроме 14C углекислый газ содержит два стабильных изотопа
углерода – 12C и 13C. 14C из верхних слоев атмосферы распространяется
по всему ее объему и поступает в гидросферу. Объем продуцированного
14C зависит от интенсивности галактических лучей. Принимается,
что их интенсивность в космическом пространстве постоянна
в течение всего «рабочего» интервала радиоуглеродного датирования.
Но в атмосфере интенсивность галактических лучей зависит
от напряженности геомагнитного поля и солнечной активности.
Геомагнитное поле как бы экранирует от них атмосферу Земли.
Чем выше напряженность геомагнитного поля, тем ниже интенсивности
космических лучей в атмосфере и ниже объем продуцированного
ими 14C и наоборот. Вариации солнечной активности меняют
величину напряженности геомагнитного поля. Чем выше солнечная
активность, тем выше напряженность геомагнитного поля и
наоборот. Соответственно меняется и объем продуцированного
14C.
Содержание 14C в СО2
атмосферы прошлого (график D14C)
для последних 50 тысяч лет [Hughen, 2004] оценено по годовым
кольцам деревьев, кораллам, морским и озерным донным осадкам,
имеющим сезонную слоистость. Считается, что вариации напряженности
геомагнитного поля обеспечивают низкочастотную составляющую
вариаций содержания в атмосфере 14C [Taylor, 2000;
Hughen, 2004], а вариации солнечной активности – среднечастотную
[Solanki, 2004]. Таким образом, фактор «объем продуцированного
в атмосфере 14C» является главным фактором, обеспечивающим
наиболее контрастные вариации содержания 14C в
СО2 атмосферы прошлого. Имеются и другие факторы.
Их можно объединить в две большие группы – параметры климата
и активность биосферы. Причем эти факторы являются, в основном,
производными от солнечной активности. Публикации, где достоверно
обосновано заметное влияние этих факторов на содержание 14C
в СО2 атмосферы голоцена, нам не встречались. Но
во многих публикациях предположительно отмечается, что вариации
14C в СО2 атмосферы последнего ледникового
периода могли быть обусловлены, например, вариациями уровня
(объема) мирового океана (вариациями параметров отдельных
составляющих радиоуглеродного обменного резервуара). При этом
сами вариации уровня мирового океана являются производными
от параметров климата.
В последние годы существенно пересмотрены представления
о масштабах дегазации Земли. Установлены две главные и равноправные
ее компоненты: водно-углекислая и углеводородная. Вынос
глубинного метана сопоставим по масштабам с выносом углекислоты.
В случае прекращения поступления глубинного углерода в атмосферу
(этот углерод не содержит изотопа 14C) и гидросферу его
запасы будет захоронены в осадочных породах в виде карбонатов
и органогенных веществ в период длительностью от десятков
до тысяч лет. Масштабы миграции флюидов определяются тектонической
активностью твердых оболочек Земли и характеризуются неравномерностью
во времени и пространстве. Таким образом, фактор «дегазация
Земли» может значимо влиять на содержание 14C в СО2 атмосферы.
Возможность такого влияния обоснована в работе [Тюрин, К
вопросу …]. Но фактические данные, прямо или косвенно свидетельствующие
о заметном проявлении этого фактора, пока не выявлены. Исходя
из этого, влияние фактора «дегазация Земли» на содержание
14C в СО2 атмосферы можно рассматривать как теоретически
возможное.
Растения посредством фотосинтеза усваивают углерод из СО2
атмосферы. Исходя из этого необходимо различать два термина:
«содержание 14C в атмосфере» и «содержание 14C в СО2 атмосферы».
Авторы работ по основам радиоуглеродного датирования эти
термины, как правило, не различают [Тюрин, Система …]. Содержание
СО2 в атмосфере прошлого было практически постоянным в течение
всего голоцена. Исключение составляет период промышленной
революции, когда в атмосферу начал поступать углерод (в
виде СО2) ископаемых топлив. Этот углерод не содержит изотопа
14C и, следовательно, его поступление в атмосферу изменило
содержание 14C в СО2 атмосферы. Но до начала промышленной
революции, для атмосферы голоцена два рассматриваемых термина
практически идентичны.
Вывод 1. Объем продуцированного 14C под
действием галактических лучей является единственным достоверно
установленным фактором, обеспечивающим вариации содержания
14C в атмосфере голоцена за пределами периода промышленной
революции. Влияние других факторов предполагается, но достоверно
на фактических данных пока не показано.
Вывод 2. Объем продуцированного в атмосфере
14C под действием галактических лучей зависит от двух параметров
– напряженности геомагнитного поля и солнечной активности.
Первый параметр обеспечивает низкочастотную составляющую
вариаций продуцирования, второй – среднечастотную.
Калибровочные кривые и графики Delta14C
Калибровочная кривая радиоуглеродного датирования создана
по дендрохронологическим данным для перевода радиоуглеродного
возраста образцов в календарный. Кривая представляет собой
график зависимости «радиоуглеродные годы»/«календарные годы».
Радиоуглеродные годы рассчитаны по сериям годовых колец
деревьев (от 1 до 20 колец), возраст которых определен по
дендрохронологическим данным (древесина серий колец датируется
стандартным радиоуглеродным методом).
Первая калибровочная кривая создана в 1970 году по бристольским
соснам [History]. Протяженность кривой более 7000 лет. В
работе [Berger, 1970] приведено ее сопоставление (показан
интервал от 3500 ВС до 0 лет) с результатами датировок 29
артефактов (возраст от 2685 до 455 ВС лет). В целом получено
хорошее соответствие радиоуглеродного возраста артефактов,
их календарного возраста по историческим данным и калибровочной
кривой. В работе [Curie, 2004] показана вся калибровочная
кривая (версия 1970 года). Однако работы по построению калибровочной
кривой по бристольским соснам не получили дальнейшего развития.
Принятая в радиоуглеродном датировании калибровочная кривая
построена по ирландским и немецким дубам [Дергачев, Точные
…]. На сегодня имеются несколько ее версий, имеющих разное
разрешение по годам (от 1 года до 20 лет) [CALIB].
Калибровочная кривая отражает содержание 14C в сериях годовых
колец деревьев, а раз так, то по ней может быть выполнена
оценка содержания 14C в СО2 атмосферы прошлого. График,
соответствующий последнему параметру, назван Delta14C.
Вывод 3. График Delta14C является производным
от калибровочной кривой радиоуглеродного датирования и характеризует
содержание 14C в СО2 атмосферы прошлого, а для голоцена за
переделами периода промышленной революции - общее содержание
14C в атмосфере.
Вывод 4. Но основе выводов 1, 2 и 3 можно
сделать другой вывод. График Delta14C характеризует объем
продуцированного 14C в атмосфере под действием галактических
лучей. Низкочастотная составляющая графика Delta14C характеризует
долговременные вариации напряженности геомагнитного поля,
а среднечастотная – вариации солнечной активности.
Сопоставлений калибровочных кривых, построенных по бристольским
соснам и ирландским/немецким дубам в опубликованной литературе,
мы не нашли. Сопоставление соответствующих им графиков Delta14C
приведено в работе [Suess, 1990]. В целом хорошо совпадают
их низкочастотная и среднечастотная составляющие. Но одно
принципиальное (принципиальное, прежде всего, для изучения
климата и предсказаний его вариаций в будущем) отличие имеется.
На графике Delta14C(сосны) снижение содержания 14C в СО2
атмосферы началось примерно с 1535 AD года. На графике Delta14C(дубы)
– с 1715 года. Высокочастотные составляющие графиков отличаются
принципиально. Такое впечатление, что высокочастотная составляющая
графика Delta14C(дубы) отфильтрована. Наша визуальная оценка
подтверждается и результатами формальной обработки. График
Delta14C(сосны) имеет максимумы на спектральной плотности
мощности, соответствующие периодам 104, 114, 141, 155, 202,
308, 498, 930 и 2400 лет [Suess, 1990]. График Delta14C(дубы)
– 88, 149, 207 и 2272 лет (по результатам обработки другим
способом - 88, 148, 208 и 2241 лет) [Деркачев, 1994, Радиоуглеродный
…]. Таким образом, составляющие с периодом 104, 114 и 155
лет на графике Delta14C(дубы) отсутствуют. Отсутствие на
графике Delta14C(сосны) составляющей с периодом 88 лет,
скорее всего, связано с тем, что этот период находится,
по мнению авторов, за пределами устойчивой работы примененного
ими метода формальной обработки.
Средне- и высокочастотная составляющая калибровочной кривой
определяют так называемую погрешность калибровки. Наибольшая
погрешность возникает в интервалах ее контрастных флуктуаций.
Например, в интервалах локальных максимумов калибровочной
кривой одному и тому же значению радиоуглеродного возраста
образца формально соответствует три разных календарных года.
Чем меньше контрастность флуктуаций калибровочной кривой,
тем меньше погрешность калибровки. Высокочастотная фильтрация
калибровочной кривой приведет к уменьшению контрастности
ее флуктуаций, и, следовательно, к кажущемуся уменьшению
величины погрешности калибровки.
Вывод 5. Высокочастотная составляющая принятой
в радиоуглеродном датировании калибровочной кривой существенно
обеднена по сравнению с высокочастотной составляющей калибровочной
кривой, построенной по бристольским соснам.
Предположение 1. Предполагается, что калибровочная
кривая радиоуглеродного датирования обработана высокочастотным
фильтром Возможно, фильтрация ее высокочастотной составляющей
осуществлена «вручную». Цель фильтрации - кажущееся уменьшение
величины погрешности калибровки. Если это так, то наша оценка
«отфильтрованной» погрешности составляет +/-120 календарных
лет. Эту погрешность следует прибавить к той погрешности,
которая дается при официальных заключениях по результатам
радиоуглеродного датирования.
Предположение 2. Прекращение работ по построению
калибровочной кривой по бристольским соснам было обусловлено
желанием радиоуглеродного сообщества достичь цели, обозначенные
в предположении 1. Данные по бристольским соснам были опубликованы
и «незаметно» выполнить высокочастотную фильтрацию калибровочной
кривой не представлялось возможным. Поэтому и было принято
решение о построении калибровочной кривой по немецким и ирландским
дубам с выполнением ее высокочастотной фильтрации.
Сопоставление данных, характеризующих вариации содержания
14C в атмосфере прошлого
Радиоактивный изотоп бериллия 10Be образуется в верхних
слоях атмосферы, так же как и 14C, под действием галактических
лучей. Считается, что объем его продуцирования прямо пропорционален
объему продуцирования 14C. 10Be после образования в атмосфере
в течение года вымывается из нее с осадками [Распопов].
Следовательно, в соответствии с теоретическими представлениями
вариации содержания 10Be в годовых слоях полярных льдов
отражают его вариации в атмосфере и должны хорошо коррелироваться
с графиком Delta14C.
Работа [Распопов] является единственной (найденной нами) с
сопоставлением прямых погодичных вариаций за последние 450
лет концентрации 14C в кольцах деревьев и 10Be
в слоях гренландского льда. Оба параметра характеризуют содержание
14С и 10Be в атмосфере. По результатам
сопоставления параметров можно сделать вывод, что их вариации
коррелируются только в первом приближении. График 10Be
имеет большие пределы вариаций - от 0,4 до 1,7х104 атом/т
и является высокочастотным. Эти особенности графика ставят
под сомнение заключения об идентичности содержания 10Be
в годовых слоях полярных льдов и одновозрастной им атмосферы,
а также о том, что «10Be после образования в атмосфере
практически не участвует в обменных процессах в атмосфере
и быстро (примерно в течение года) вымывается из атмосферы
с осадками» [Распопов]. Скорее всего, особенности графика
содержания 10Be в слоях гренландского льда являются
проявлением неотмеченного в опубликованной литературе фактора,
влияющего на интенсивность вымывания из атмосферы 10Be.
Возможно, несоответствие частотных составляющих графиков 14C
и 10Be связано не только с особенностями вымывания
из атмосферы этих изотопов, но и с высокочастотной фильтрацией
калибровочной кривой радиоуглеродного датирования (и соответственно
ее производной – графика Delta14C).
В других работах в качестве примера хорошей корреляции 14C
и 10Be приводятся либо сопоставления трансформант графика
Delta14C и глобальных вариаций 10Be, либо сопоставление
результатов моделирования одного параметра с фактическими
данными по другому параметру. Относительно корректно сопоставление
трансформант графика Delta14C и глобальных вариации 10Be
выполнено в работе [Solanki, 2004]. Сопоставлением охвачен
интервал 850-2000 AD годов. Очевидно, это и есть интервал
реальной корреляции среднечастотных составляющих графика
Delta14C и глобальных вариаций 10Be. За пределами этого
интервала рассматриваемые параметры, скорее всего, не коррелируются.
В работах по теоретическому и фактическому обоснованию метода
радиоуглеродного датирования не отмечается, что график Delta14C
должен коррелироваться с содержанием изотопа кислорода 18O
в полярных льдах или сталагмитах. Такое заключение дано
в работе по климатологии [Landscheidt, 2003]. В ней приводится
сопоставление графика Delta14C и содержание 18O в сталагмитах
для интервала 6200-9600 ВР годов. Графики коррелируются
хорошо, можно сказать, очень хорошо. Нами выполнено формальное
сопоставление графика Delta14C [CALIB] и содержания 18O
(параметр D18O) в разрезе скважины GISP2 [GISP2]. Выделен
интервал 625-1945 AD годов, в пределах которого корреляция
графиков хорошая. Для других интервалов корреляция графиков
либо проблематична, либо графики не коррелируются. Это пока
единственный предварительный вывод, который мы готовы сделать
по результатам сопоставлений рассматриваемых параметров.
В работе [Кочаров] приведен график ширины годичных колец
сосны остистой (США) за последние 8 тысяч лет. На нем выявлены
глубокие депрессии синхронные (по мнению автора) с максимумами
интенсивности галактических космических лучей. Последний
параметр оценен по графику Delta14C. Оба параметра характеризуют
циклы солнечной активности. Всего выявлено 15 циклов. Однако
графики оценки солнечной активности по Delta14C и сосне
показаны на разных рисунках. Кроме того, на этих рисунках
ось [годы] имеет разные масштабы. После совмещения рисунков
средствами компьютерной графики можно сделать однозначный
вывод. Циклы солнечной активности оцененной по Delta14C
и годовым кольцам сосны между собой не коррелируются. Другими
словами, график Delta14C не соответствует данным дендрохронологии.
В работе [Zerbst, 1998] приведено сопоставление адаптированных
графиков Delta14C и напряженности геомагнитного поля за
последние 10 тысяч лет. В целом графики коррелируются хорошо.
Но приведенный в работе график кардинально не соответствует
другим данным, характеризующим вариации напряженности геомагнитного
поля в прошлом [Radiocarbon; Solanki, 2004; Hughen, 2004].
В работе [Hughen, 2004] приведена оценка объема продуцирования
в атмосфере 14C для последних 50 тысяч лет. Оценка выполнена
по вариациям напряженности геомагнитного поля. Выполнено сопоставление
этой оценки с результатами изучения содержания 14C в донных
отложениях Cariaco Basin. Сделан вывод: эти данные совпадают
поразительно (strikingly). Отметим, что результаты изучения
содержания 14C в донных отложениях Cariaco Basin сопоставлялись
авторами работы с другими аналогичными данными. Отмечено их
хорошее соответствие. Отметим и то, что вывод о поразительном
совпадении относится только к данным по Cariaco Basin, которыми
охарактеризован временной интервал, не включающий последние
10 тысяч лет. Вот для этого интервала содержание 14C в атмосфере
прошлого, оцененное по годовым кольцам деревьев (Delta14C),
и объем продуцирования в атмосфере 14C, оцененный по напряженности
геомагнитного поля, кардинально не соответствуют друг другу.
Последний параметр мы пересчитали в стандартный график Δ 14C(mag).
В качестве эталона принят современный (прединдустриальный)
объем продуцирования 14C в атмосфере [Hughen, 2004]. Сопоставление
графиков Delta14C и Δ 14C(mag) показано на рисунке 1. Наибольшее
несоответствие графиков для голоцена отмечается в интервале
1600 ВС – 1800 AD годов.
Источники информации
Дергачев В. А. Радиоуглеродный хронометр. 1994. Природа. № 1. Стр. 3-15. http://fatus.chat.ru/dergache.html Сайт: http://fatus.chat.ru/
Дергачев В.А. Точные хроноло http://fatus.chat.ru/dergach2.html Сайт: http://fatus.chat.ru/гические шкалы протяженностью свыше 10 тысяч лет и «статистическая хронология» А.Т. Фоменко.
Кочаров Г. Е. Естественные архивы солнечной активности и термоядерной истории Солнца за последние миллионы лет. http://kosmofizika.ru/kocharov/kocharov1.htm#[5] Сайт: Солнечно–земная физика. http://kosmofizika.ru/
Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на
тему. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm.
Сайт: Хронология и хронография. История науки и наука история.
http://hbar.phys.msu.ru/gorm/wwwboard/index.htm
Распопов О.М., Дергачев В.А. Проект: «Эффекты модуляции космических лучей солнечным ветром http://solarwind.cosmos.ru/spb.doc Сайт: Плазменные процессы в Солнечной системе. http://solarwind.cosmos.ru/
Тюрин А.М. Возможна ли оценка достоверности результатов радиоуглеродного
датирования? /volume1/antur.html
Сборник статей «Новая Хронология». Выпуск 1. 2004. Сайт: Новая
Хронология. //chronologia.org/
Тюрин А.М. К вопросу о влиянии вариаций содержания 13C в атмосфере
и гидросфере Голоцена на достоверность результатов радиоуглеродного
датирования.
/volume1/antur_c13.html
Сборник статей «Новая Хронология». Выпуск 1. Сайт: Новая Хронология.
//chronologia.org/
Тюрин А. М. Радиоуглеродное датирование. Структура системы полуправд,
неправд и укавств. /volume2/turin2.html
Сборник статей «Новая Хронология». Выпуск 2. 2005.
/volume2/ Сайт: Новая Хронология.
//chronologia.org/
Тюрин А.М. Простой способ оценки достоверности результатов радиоуглеродного
датирования.
/volume3/turin.html Электронный
сборник статей “Новая Хронология”. Выпуск 3. /volume3/
Сайт: Новая Хронология. //chronologia.org/.
http://lah.ru/text/tiurin/rc/text.htm
Сайт: Лаборатория Альтернативной Истории. http://piramyd.express.ru/lah/index.htm
Тюрин А.М. Европейцы голоцена по данным радиоуглеродного датирования.
/volume3/turin_eu.html
Электронный сборник статей “Новая Хронология”. Выпуск
3. /volume3/ Сайт: Новая Хронология.
//chronologia.org/
http://lah.ru/text/tiurin/eurogol/text.htm
Сайт: Лаборатория Альтернативной Истории. http://piramyd.express.ru/lah/index.htm
Тюрин А.М. Практика радиоуглеродного датирования Часть
1. Образцы Андерсона. /volume3/turin1.html
Электронный сборник статей “Новая Хронология”. Выпуск 3. /volume3/
Сайт: Новая Хронология.
//chronologia.org/
Тюрин А.М. Практика радиоуглеродного датирования
Часть 2. Эталоны. /volume3/turin2.html
Электронный сборник статей “Новая Хронология”. Выпуск 3. /volume3/
Сайт: Новая Хронология. //chronologia.org/
Berger R. Ancient Egyptian radiocarbon chronology. Phil. Trans.
Ray. Soc. Lond. A/ 269, 23-36 (1970). http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/berger2.pdf
Сайт: Хронология и хронография. История науки и наука история.
http://hbar.phys.msu.ru/gorm/wwwboard/index.htm
CALIB Radiocarbon Calibration.
http://radiocarbon.pa.qub.ac.uk/calib/
Currie L.A. The Remarkable Metrology History of Radiocarbon Dating. Journal of Research of the Natural Institute of Standard and Technology. V. 109. №2. 2004. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/histC14.pdf Сайт: Хронология и хронография. История науки и наука история. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/wwwboard/index.htm
GISP2 Bidecadal Oxygen Isotope Data. Сайт: WDC for Paleoclimatology.
http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/image/navbar-wdca.gif
History of radiocarbon dating. http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/protocols.html
Сайт: The Use of Radiocarbon in ECOLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCE
http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/
Hughen K., Lehman S., Southon J., Overpeck J., Marchal O.,
Herring C., Turnbull J. 14C Activity and Global Carbon Cycle
Changes over the Past 50,000 Yeas. Science, Vjl. 303, 9 January
2004, p. 202-207.
http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/Downloads/Reprints/Hughen%20et%20al.%201998.pdf
Сайт: The Use of Radiocarbon in ECOLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCE
http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/
Landscheidt T. New Little Ice Age Instead of Global Warming?
Energy&Environment, Volume 14, Numbers 2-3, 1 May 2003,
pp. 327-350(24).
Radiocarbon Dating. http://www.geo.arizona.edu/Antevs/ecol438/radiocarbon.html
Сайт: The University of Arizona. http://www.geo.arizona.edu/
Solanki S.K., Usoskin I.G., Kromer B., Schussler M., Beer J. Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years. //Nature/ Vol. 431/ 28 October 2004./ P. 1084-1087.
Suess H.E. Linick T.W. The 14C record in bristlecone pine
of the past 8000 years based on the Dendrochronology of the
late C.W. Ferguson. Phil. Trans. R. Lond. A 330, 403-412 (1990).
http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/suess.pdf
Сайт: Хронология и хронография. История науки и наука история.
http://hbar.phys.msu.ru/gorm/wwwboard/index.htm
Taylor R.E. Fifty Years of Radiocarbon Dating. American Scientist.
2000. v88 i1 p60.
http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/Downloads/Reprints,%20Lecture/Taylor%202000.pdf
Сайт: The Use of Radiocarbon in ECOLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCE
http://ecology.botany.ufl.edu/radiocarbon05/
Zerbst U. Die Datierung archaologischer Proben mittels Radiokarbon
(14C). Studium Integrale Journal. 5. Jahrgang / Heft 1 - April
1998. Seite 17–28.
http://www.wort-und-wissen.de/index2.php?artikel=sij62-1