失準(zhǔn)：化石燃料排放影響碳測(cè)年

隨著碳排放持續(xù)改變空氣中碳同位素的構(gòu)成，考古學(xué)家將不得不愈發(fā)依賴其它測(cè)年技術(shù)。

追蹤大氣中不斷上升的二氧化碳濃度的研究者們，記錄到了一個(gè)里程碑式的時(shí)刻。截至2021年，化石燃料燃燒導(dǎo)致的北半球空氣中碳同位素構(gòu)成的改變，已足以正式抵消來自核武器試驗(yàn)的一個(gè)有用信號(hào)[1]。

圖片

研究人員正在從這根骨頭上采集用于碳測(cè)年的少許樣本。圖片來源：James King-Holmes/SPL

這可能會(huì)對(duì)重要的碳測(cè)年技術(shù)造成影響。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的化學(xué)物理學(xué)家Heather Graven對(duì)該效應(yīng)的記錄已經(jīng)有許多年了，據(jù)她說，從放射性碳測(cè)年的角度看，現(xiàn)代物品如今與二十世紀(jì)早期的物品相似。英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)的放射性碳測(cè)年專家Paula Reimer則稱，該趨勢(shì)“可能很快會(huì)讓人難以判斷某物來自一千年前還是現(xiàn)代”。盡管通常存在其它有關(guān)物品來源的線索，但“在沒有那些信息的情況下也經(jīng)常會(huì)有零星發(fā)現(xiàn)，”Reimer說，例如可能來自歷史墓葬或近期過世者的不明身份遺骸。

來源：Graven, H., Keeling, R. & Xu, X. Nature 607, 449 (2022).

這也意味著法醫(yī)科學(xué)家將不再能夠利用放射性碳指紋來準(zhǔn)確判斷象牙、古董和葡萄酒等物品的年代。“如果你從事的是法醫(yī)或是找出贗品的工作，這可真是個(gè)悲慘時(shí)刻。”奧地利維也納大學(xué)的考古學(xué)家Tom Higham說。

時(shí)間機(jī)器

碳測(cè)年技術(shù)基于空氣中存在多種碳同位素這一事實(shí)。其中穩(wěn)定的碳-12最為普遍，但還有少量主要通過宇宙線與大氣的交互所產(chǎn)生的、具備放射性的碳-14。后者的占比隨時(shí)間自然變化。

生物會(huì)吸收這兩種碳。由于放射性碳-14存在5700年的半衰期，在生物死后，其體內(nèi)兩種同位素的相對(duì)數(shù)量就會(huì)開始改變。通過測(cè)量物件中碳-14的剩余量，研究人員可以對(duì)木頭、織物或骨骼等有機(jī)材料進(jìn)行上限大約為5.5萬(wàn)年的測(cè)年。一般來說，碳-14占比越低，物品越古老。

1952至1962年間，核武器試驗(yàn)釋放了大量的人造放射性碳（“核爆碳”），這讓大氣中碳-14的含量迅速增加了一倍。此后，那些碳-14慢慢地被生物與海洋吸收。與此同時(shí)，化石燃料的燃燒一直在快速釋放不含碳-14的二氧化碳。

到了2021年，這兩種效應(yīng)在北半球正式相互抵消（見“碳的變化”）。這意味著現(xiàn)代物品和前工業(yè)時(shí)期物件中碳-14的占比如今是相同的。由于人類仍在燃燒化石燃料，空氣中碳-14的比例將進(jìn)一步降低到接近更早以前的過去的水平。Graven預(yù)測(cè)[1]，到2050年，碳-14的占比會(huì)和中世紀(jì)（5-15世紀(jì)）的時(shí)候差不多。

在空氣中碳-14的比例隨時(shí)間推移出現(xiàn)浮動(dòng)及峰值的情況下，放射性碳測(cè)年并非一直能夠?qū)θ掌谧鞒鰠^(qū)分。例如公元前800年到公元前400年這段時(shí)間便屬于此類情況：“你就是沒法（準(zhǔn)確）測(cè)定那四百年里的任何東西。”Higham說?；剂吓c核爆碳相互抵消這一現(xiàn)象，則讓放射性碳測(cè)年又多了一種時(shí)間混淆。

再見了，核爆曲線

對(duì)近幾十年的現(xiàn)代物品來說，碳-14的衰變可以忽略不計(jì)。但核武器快速大量釋出的碳-14造就了特征性的“核爆曲線”。“算是核試驗(yàn)也有點(diǎn)好處吧。”Higham說。這意味著形成于1960至2020年間的有機(jī)材料，其碳-14含量可以提供一個(gè)精確的時(shí)間標(biāo)記。Higham曾將它應(yīng)用于檢測(cè)假威士忌和中國(guó)茶定年等；該技術(shù)還曾被用于從地下水到人類細(xì)胞的各方各面[2]。

研究人員很久以前就知道這項(xiàng)技術(shù)正在走向終結(jié)，但二氧化碳排放量的增加加速了這個(gè)過程。在接下去的幾十年里，隨著化石燃料使用量的減少以及核爆曲線趨平，碳-14值將不再能夠作為日期的特征性判斷依據(jù)。“這真是太遺憾了。”Higham說。

“這一野生動(dòng)物法醫(yī)鑒定工具的有效期窗口正在關(guān)閉。”美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的古生態(tài)學(xué)家Kevin Uno說。他曾用核爆曲線確定象牙樣本的時(shí)期、研究針對(duì)大象的盜獵[3]。“這有點(diǎn)令人沮喪。”

核爆曲線的消失意味著研究者將不得不愈發(fā)依賴其它技術(shù)或同位素（包括第三種碳：碳-13）來完成測(cè)年工作。“或許還有些別的放射性核素可以用。”Uno說。

參考文獻(xiàn)：

1. Graven, H., Keeling, R. & Xu, X. Nature607, 449 (2022).

2. Kutschera, W. Radiocarbon https://doi.org/10.1017/RDC.2022.13 (2022).

3. Cerling, T. E. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA113, 13330–13335 (2016).

原文以Carbon dating hampered by rising fossil-fuel emissions為標(biāo)題發(fā)表在2022年7月27日《自然》的新聞版塊上

© nature

doi: 10.1038/d41586-022-02057-4