Cytując Tolkiena, “opowieść ta, w miarę jak ją snułem, rozrosła się niemal w historię Wielkiej Wojny o Pierścień”. Otóż, chciałbym na tym kanale opowiadać nie tylko o tym co wiemy o archeologii prehistorycznej, ale też o tym skąd wiemy to co wiemy. Mam na przykład w planach film o egipskich piramidach. Po nim, być może, zmontowałbym coś o Sumerze i Babilonii, a potem jeszcze o pochodzeniu ludów indo-europejskich. W każdym z tych przypadków chciałbym zrobić wykład długości od 40 minut do godziny, poprzedzony porządnym riserczem.

Pomyślałem sobie więc, że zanim wezmę się za te tematy, warto abym najpierw zrobił video przynajmniej o jednej ważnej dziedzinie zbierania materiału dowodowego w archeologii, jaką jest datowanie. (I tu oczywiście bardzo mi przykro, że po polsku nie działa dowcip jak to dwoje archeologów idzie na randkę i to jest archeological dating). Usiadłem więc do pracy, zrobiłem listę metod datowania, poczytałem o każdej z nich, zacząłem robić plan filmu… I bardzo szybko okazało się, że w jednej godzinie nie zmieszczę nawet połowy tego, co chciałbym opowiedzieć. Nie dość, że o każdej z metod jest dość dużo do powiedzenia, to jeszcze różne metody łączą się w grupy o cechach wspólnych, jak na przykład datowanie radiologiczne, a inne z kolei pomagają sobie nawzajem jak dendrochronologia, która przydaje się do kalibracji datowania węglem C14.

Myślę więc, że dzisiaj omówimy sobie właśnie dendrochronologię, datowanie węglem C14, oraz dwie inne metody radiologiczne: uran-ołów i uran-tor. W następnym filmie będzie o chemicznych metodach datowania szczątków ludzkich i zwierzęcych, ceramiki, oraz być może uda mi się tam zmieścić również datowanie skał w sytuacjach gdy nie możemy liczyć na żadne radioaktywne izotopy, ale za to z pomocą przychodzą nam inne metody: datowanie magnetyczne, rehydrolaksja, luminescencja, electron spin resonance, oraz lichenometria, która wbrew nazwie nie polega na mierzeniu Lichenia, ale możecie być pewni, że skorzystam z tego dowcipu przynajmniej jeszcze raz.

Trzeci – i mam nadzieję ostatni z filmów o metodach datowania – będzie natomiast o wulkanach, oraz o metodach… nazwijmy to typologicznych i statystycznych, czyli o seracji, oraz o macierzy Harrisa. Na koniec postaram się powiedzieć parę słów o tym jak wszystkie te metody wiążą się ze sobą i wspierają się nawzajem.

Przy omawianiu każdej z tych metod postaram się odpowiedzieć na następujące pytania:

• Co jest mierzone i dlaczego?
• Jak jest mierzone?
• Dla jakich materiałów i zakresu dat jest użyteczne?
• Jakie są ograniczenia i możliwe błędy?

… oraz podać przynajmniej jeden konkretny przykład kiedy daną metodę zastosowano do wydatowania jakiegoś znaleziska. Czasami kolejność powyższych punktów może być inna, bo przede wszystkim zależy mi na płynności wykładu, ale postaram się zaznaczać na filmie, że to jest właśnie moment, gdy odhaczam jeden z nich.

Chciałbym też podkreślić, że nie jestem archeologiem. Profesjonalnie zajmuję się nauczaniem, ale nauczaniem programowania, więc wykorzystuję tutaj w pewnym stopniu swoje doświadczenie jeśli chodzi o dydaktykę i pracę ze źródłami, ale daleko mi do eksperta w dziedzinie datowania archeologicznego. Jeśli w moich filmach znajdziecie błędy, dajcie mi o nich znać. Chętnie zrobię odcinek z poprawkami. Z drugiej strony, wszystkie moje filmy są na licencji Creative Commons CC BY-SA 4.0 , więc jeżeli z jakiegoś powodu chciałbyś/chciałabyś wykorzystać je w swoich prezentacjach, lekcjach, lub w jakikolwiek inny sposób, be my guest. Ja sam korzystam z prac naukowych, więc głupio byłoby gdybym zabraniał innym korzystać z mojej.

Dendrochronologia

Lasy pokrywają 31% powierzchni lądów na Ziemi. Z tego około jedna trzecia to lasy pierwotne, czyli relatywnie niezagrożone działalnością człowieka, w tym wycinką drzew na dużą skalę. I co prawda bardzo się cieszę, że jest ich aż tyle, ale z archeologicznego punktu widzenia, takie lasy są dla nas mało interesujące.

Te, które nas interesują, to lasy na terenach, na których ludzie zamieszkiwali od tysięcy lat, wycinali drzewa, i wykorzystywali je do budowy. W historii ludzkości drewno, obok gliny i kamienia, stanowi jeden z trzech podstawowych materiałów budowlanych. Najstarszą strukturą budowlaną na świecie, jaką do tej pory odnaleziono, jest pochodząca sprzed 476 tysięcy lat drewniana kładka z Kalambo Falls w Zambii, wybudowana najwyraźniej jeszcze przez homo heidelbergensis, nie homo sapiens. Tej kładki nie dało się jednak wydatować dendrochronologicznie. Dlaczego? Zaraz do tego wrócę.

Dendrochronologia, czyli datowanie na podstawie liczenia słojów w pniach drzew, opiera się na obserwacji, że drzewa tego samego gatunku, rosnące w tym samym rejonie, a więc podlegające tym samym zjawiskom pogodowym i klimatycznym, rosnąc wytwarzają słoje tej samej grubości, nawet jeśli różnią się wiekiem. Słój drzewa składa się z dwóch warstw: jaśniejszej i grubszej, która powstaje w okresie wiosny gdy drzewo rośnie najszybciej, oraz ciemniejszej i węższej, powstałej w czasie lata, a czasami również wczesnej jesieni. Nowe słoje powstają tuż pod korą drzewa, najstarsze znajdują się w samym środku. Licząc je możemy bardzo precyzyjnie określić wiek drzewa, a jeśli mamy dostęp do przekroju drzewa starszego, już ściętego, którego czas życia nakłada się częściowo, z tym pierwszym, możemy dopasować słoje na podstawie ich grubości i określić, jak dawno temu to stare drzewo zostało ścięte. I znowu, jeśli trafimy na drzewo ścięte jeszcze wcześniej, które uda nam się na podstawie podobieństwa słojów dopasować do tego, którego wiek już znamy, możemy określić również jego wiek.

Co więcej, w przypadku drzew, które wciąż rosną, nie musimy ich ścinać, aby poznać ich przekrój. Wykorzystuje się w tym celu specjalny świder przyrostowy, pusty w środku. Należy go przyłożyć do drzewa na wysokości zazwyczaj ok. 1.3m i wwiercić się w drzewo aż do jego centrum. Po wyjęciu, uzyskujemy w ten sposób próbkę w postaci cienkiego walca. Otwór w drzewie należy następnie uszczelnić, a samą próbkę wypolerować, aby lepiej było widać poszczególne słoje.

Najdłuższa chronologia jaką udało się w ten sposób skonstruować pochodzi z Czech i sięga trochę ponad 12400 lat wstecz. Europa w ogóle jest świetnym miejsce do datowania dendrochronologicznego. Mamy wyraźne pory roku, co przekłada się na łatwo dostrzegalne słoje drzewne, rosną u nas powszechnie twarde gatunki drzew, takie jak dąb i wiąz, historycznie bardzo popularne w budownictwie i stolarce, a trzeci – obecnie najczęściej wykorzystywany gatunek jakim jest sosna – rośnie szybko i łatwo, tak więc chociaż w jej przypadku trzeba porównywać więcej drzew dla tej samej chronologii, nietrudno o znalezienie odpowiednich belek i słupów, albo czasem całych drzew. Innym ważnym źródłem materiału są też oczywiście drzewa, które obumarły naturalnie, a następnie zostały pokryte ziemią lub mułem rzecznym, co zapobiegło ich rozkładowi.

Nasi przodkowie używali drewna do budowy domów z bali drewnianych (09, dom kultury pucharów lejkowatych, animacja), ale również często korzystali z całych drzew, pozbawionych tylko kory, jako słupów stabilizujących budynek wertykalnie. Do tego z drewna budowało się palisady, mosty, okręty i łodzie, kładki, podłogi, drewnianymi belkami wykańczano studnie, drewniane słupy służyły do podtrzymywania stropu w domach zbudowanych z kamienia lub gliny, oraz jako pale dla chat stojących na terenach zalewowych lub po prostu na jeziorach i rzekach. Z drewna tworzono również meble i duże narzędzia gospodarskie, takie jak krosna czy tłocznie do oliwek. I nie tylko w Europie: najstarszy wciąż stojący drewniany dom na świecie znajduje się w Japonii i został wybudowany w 607 roku naszej ery. Drewno jest i było popularnym materiałem budowlanym w Chinach, Indiach, na zachodnim wybrzeżu Ameryki Północnej w czasach prekolumbijskich, oraz na Nowej Zelandii przez Maorysów od ich przybycia na wyspę w XIV wieku naszej ery. Tu na ilustracji widzimy „pa”, maoryski fort na wzgórzu, otoczony palisadą.

Drewno z czasem ulega degradacji, siłą rzeczy więc dendrochronologia przydaje się najbardziej do precyzyjnego datowania znalezisk stosunkowo młodych, pochodzących z ostatniego tysiąclecia, dla których łatwo jest o zbudowanie chronologii z danego miejsca od czasów badanego obiektu po czasy współczesne. Najczęściej jest więc wykorzystywana do określania wieku starych budynków, ale też tą metodą udało się na przykład potwierdzić, że wrak statku znaleziony u wejścia do Portsmouth Harbor u południowych wybrzeży Anglii to faktycznie Mary Rose, flagowy okręt floty wojennej króla Henryka VIII, który zatonął podczas bitwy o Solent, pomiędzy Anglią a Francją, w 1545 roku. Innym ciekawym zastosowaniem dendrochronologii jest datowanie obrazów malowanych na drewnie. W ten sposób potwierdzono autentyczność portretu Marii, Królowej Szkotów, który wisi w National Portrait Gallery w Londynie.

Aby wyłącznie za pomocą dendrochronologii określić wiek starszych budowli potrzeba dużo szczęścia. Znalezisko musi pochodzić z miejsca, z którego mamy dużą ilość nakładających się na siebie próbek, dzięki którym możemy zbudować chronologię, do której następnie dopasowujemy nowe znalezisko. Dlatego właśnie pojedynczy drewniany obiekt z losowego miejsca na Ziemi, nawet dobrze zachowany, zazwyczaj nie może być datowany w ten sposób.

Ale słoje drewna dają nam dużo więcej informacji niż sam tylko wiek drzewa. Dzięki analizie składu drewna z drzewa, które umarło wieki temu, możemy dowiedzieć się wiele o klimacie jaki wtedy panował w danym miejscu, o wilgotności powietrza, średnich temperaturach, a także zbadać zawartość izotopu węgla C14, co pozwala nam datować znalezisko właśnie tą metodą. A jeżeli znamy już wiek drzewa dzięki datowaniu węglem C14, lub w jakiś inny sposób, możemy wykorzystać tę wiedzę, aby zbudować częściową chronologię: Jeśli np. wiemy na pewno, że dany przekrój odpowiada okresowi od 1200 do 1050 pne, a następnie znajdujemy belkę lub drzewo, którego przekrój zahacza o ten okres z jednej lub drugiej strony, możemy zbudować chronologię danej epoki w danym miejscu i dzięki niej datować kolejne znaleziska, mimo iż nie mamy pełnej wiedzy o sekwencji słojów drzewa od tych czasów aż po współczesne. Tą metodą udało się np. wydatować osadę neolityczną w Dispilio w północnej Grecji, zamieszkałą pomiędzy latami 5328 a 5140 pne, czyli… 7352 do 7164 lat temu. Tak, datowanie pochodzi z roku 2024 i jest tak precyzyjne, że nie wystarczy dodać po prostu 2000 lat. Musi to być konkretnie 2024.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej i czytasz po czesku, kliknij tutaj.

Ograniczenia dendrochronologii

Jak już zdążyłem wspomnieć, aby wydatować znalezisko za pomocą dendrochronologii potrzebujemy zawczasu zbudować chronologię na podstawie nakładających się siebie przekrojów coraz to starszych (bądź młodszych) drzew. Muszą to być drzewa z tego samego rejonu, abyśmy mogli założyć, że rosły pod wpływem tych samych warunków klimatycznych i pogodowych, oraz muszą pochodzić z tego samego gatunku, co oznacza, że rosną z tą samą prędkością, lub musi istnieć przelicznik w postaci funkcji matematycznej, która pozwala nam na przełożenie grubości słojów jednego gatunku drzewa na drugie. Niektóre gatunki drzew, jak np. czeremcha amerykańska, rosną jednak zbyt chaotycznie, aby taki przelicznik był możliwy. Co więcej, liczenie słojów odbywa się przy założeniu, że jeden słój oznacza jeden rok, ale w przypadku anomalii pogodowych może dochodzić do zaburzeń – wyjątkowo zimne wiosna i lato mogą spowodować, że nowy słój nie wytworzy się, a nagły silny przymrozek może zatrzymać jego wzrost, utrudniając dopasowanie. Również obdzieranie żywego drzewa z kory, czy to przez jelenie, łosie i żubry, które czasem zjadają korę drzew, czy to przez ludzi, może doprowadzić do nietypowego przyrostu drzewa w danym roku. Z drugiej strony, obecność charakterystycznego słoju, powstałego w wyniku przymrozków, lub niezwykle chłodnej wiosny, może wręcz ułatwić dopasowanie, jeśli znajdziemy go na innych próbkach.

Datowanie radiowęglowe

Datowanie radiowęglowe, oparte na pomiarze proporcji pomiędzy niestabilnym izotopem węgla C14, a stabilnymi izotopami C12 i C13, które czasem w skrócie nazywamy datowaniem węglem C14, to bez wątpienia najpopularniejsza metoda datowania w archeologii – tak popularna że jako jedyna na trwałe przebiła się do świadomości zwykłych ludzi z internetu, w związku z czym na platformach społecznościowych można czasem natknąć się na oczekiwania, że metodą C14 zostanie wydatowane coś co absolutnie w ten sposób wydatowane być nie może, jak ceramika, lub kamienie. Inni z kolei twierdzą, że skoro czegoś nie da się czegoś wydatować za pomocą węgla C14, to nie da się tego wydatować w ogóle.

W roku 1939, dwóm chemikom z Berkeley – Samuelowi Rubenowi (1913-1943) i Martinowi Kamenowi (1913-2002) i udało się otrzymać izotop węgla C14 w laboratorium, oraz określić jego czas pół rozpadu. Wkrótce później Serge Korff (1906-1989), fizyk z Instytutu Franklina w Filadelfii, wyszedł z teorią jak C14 może powstawać naturalnie w atmosferze w wyniku działania promieniowania kosmicznego. A następnie kolejny chemik z Berkeley, Willard Libby (1908-1980), połączył kropki i w 1946 roku opublikował pracę naukową o tym jak izotop węgla C14 można wykorzystać do datowania szczątków organicznych w archeologii. Aby potwierdzić prawidłowe działanie wynalezionej przez siebie metody, Libby rozpoczął datowanie obiektów, których wiek został już zawczasu określony i nie budził wątpliwości, między innymi resztek organicznych znalezionych w piramidzie schodkowej Djosera, oraz czerwonej piramidzie Sneferu, dwóch z najstarszych znanych faraonów starożytnego Egiptu. Eksperymenty powiodły się, co doprowadziło do istnego wybuchu datowań radiowęglowych na świecie, a Libby za swoje odkrycie dostał nagrodę Nobla w roku 1960.

Promieniowanie kosmiczne, które dociera do Ziemi, to głównie protony, oraz cząstki alfa, czyli jądra helu – dwa protony i dwa neutrony. W wyniku ich zderzeń z atomami gazów ziemskiej atmosfery od czasu do czasu z jądra atomowego uwalnia się neutron, a gdy z kolei ten neutron uderzy w jądro azotu – najpopularniejszego pierwiastka w ziemskiej atmosferze – może wytrącić z niego jeden z protonów i zająć jego miejsce. Jądro azotu składa się z siedmiu protonów i siedmiu neutronów. W sumie 14. Dlatego stabilny izotop azotu nazywamy N14. Jeżeli jednak jeden z protonów zostanie zastąpiony neutronem, azot zamieni się w węgiel, pierwiastek o 6 protonach. Tylko że nie będzie to stabilny izotop węgla składający się z 6 protonów i 6 neutronów, a więc C12, tylko jego niestabilny izotop, C14.

Węgiel w atmosferze Ziemi znajduje się przede wszystkim w postaci dwutlenku węgla (0.063%) jak również w śladowych ilościach w postaci metanu (0.000099%). Z tego 98.9% to stabilny izotop C12, kolejne 1.06% to również stabilny C13, a ostatnie 0.04% to głównie właśnie nasz kochany C14, oraz bardzo bardzo niewielkie ilości innych izotopów, które rozpadają się bardzo szybko. i nie są dla nas w ogóle interesujące. W praktyce C14 zachowuje się dokładnie tak jak dwa stabilne izotopy. Jest pobierany z powietrza przez rośliny i bierze udział w procesie fotosyntezy. Zwierzęta i ludzie zjadają rośliny, zwierzęta i ludzie zjadają również inne zwierzęta, oraz zdarza się, że innych ludzi. To co zjemy podlega wykorzystaniu przez organizm do budowy tkanek lub do wytwarzania energii, a następnie jest wydalane wraz z oddechem, lub drugim końcem układu pokarmowego i w ten sposób ponownie trafia do środowiska i służy jako pożywienie dla roślin i zwierząt… i tak to się kręci. Cała żywa natura na Ziemi uczestniczy w procesie wymiany węgla, w tym wymiany izotopu węgla C14. Oczywiście, jak wiemy, C14 z czasem rozpada się, i w tym jego cały urok, ale też cały czas w górnych warstwach atmosfery powstają jego nowe atomy, w związku z czym poziom zawartości węgla C14 w tkankach żywych roślin i zwierząt, w tym ludzi, pozostaje taki sam. Albo prawie taki sam – o tym jeszcze powiemy.

Gdy umieramy, kończy się nasz udział w tym procesie wymiany. To znaczy, C14 w naszych szczątkach wciąż się rozpada, ale przestajemy oddychać i jeść, a więc przestajemy uzupełniać jego braki. Większość, a bardzo często wręcz całe nasze martwe ciało zostaje szybko rozłożona przez bakterie, zjedzona przez robaki i włączona ponownie do wielkiego koła życia, ale czasem zdarza się, że nasze szczątki trafią w miejsce dogodne dla ich konserwacji i mogą tam przetrwać setki, a nawet tysiące lat. Gdy takie szczątki po latach zostaną wykopane i trafią do laboratorium, naukowcy będą w stanie zmierzyć ile niestabilnego izotopu węgla C14 rozpadło się z powrotem do stabilnego C12 i na tej podstawie określić, jak dawno temu kopnęliśmy w kalendarz.

Atom węgla C14 ulega rozpadowi beta minus, być może dość nieintuicyjnemu dla laika, ponieważ efektem tego rozpadu jest antyneutrino, elektron, oraz ponownie atom azotu, który jest przecież od węgla większy o jeden proton. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć kiedy dokładnie konkretny atom C14 ulegnie takiemu rozpadowi, ale możemy opisać rozkład prawdopodobieństwa kiedy to się stanie, a co za tym idzie jesteśmy w stanie wyliczyć czas połowicznego rozpadu, który wynosi 5730 plus/minus 40 lat. Czas połowicznego rozpadu jest to czas po którym połowa danej ilości atomów izotopu C14 zniknie z próbki. I odwrotnie: jeśli mamy próbkę szczątków organicznych i w badaniu okazuje się, że w zawartym w niej węglu jest tylko połowa atomów C14 w porównaniu z taką samą ilością węgla obecnie w ekosystemie, oznacza to, że próbka pochodzi od organizmu, który umarł pomiędzy 5690 a 5770 lat temu. I dalej, jeśli atomów C14 będzie tylko jedna czwarta, a więc połowa połowy, to oznacza, że próbka jest jeszcze dwa razy starsza i pochodzi od organizmu, który umarł 11380 do 11540 lat temu. Jedna ósma atomów izotopu C14 w porównaniu ze stanem bazowym oznacza wiek od 17070 do 17310, i tak dalej. Obecnie dokładność aparatury pomiarowej pozwala nam na wiarygodne datowanie sięgające ok. 50 tysięcy lat w przeszłość. W próbkach starszych liczba atomów C14 jest już tak mała, że nie jesteśmy w stanie ich dokładnie policzyć, a każdy przeoczony atom powiększa błąd pomiaru.

Oryginalnym sposobem pomiaru zawartości węgla C14 w próbce było spalenie jej, utytłanie metalowego walca w zebranym sadzy, a następnie wsadzenie tego walca do specjalnie przygotowanego licznika Geigera, który rejestrował promieniotwórczość materiału nie tylko z jednej strony, ale ze wszystkich. Dzięki temu po określonym czasie można było porównać wynik z wynikiem uzyskanym dla tej samej ilości sadzy ze spalonego współczesnego materiału i na tej postawie oszacować o ile mnie był C14 w testowanej próbce.

Współcześnie stosowana metoda jest dużo bardziej precyzyjna i wymaga o wiele mniejszej próbki, co zawsze cieszy archeologów, którzy preferują nieinwazyjne, lub przynajmniej mało inwazyjne metody datowania. Nosi nazwę AMS – Accelerator Mass Spectrometry. Wymaga zaledwie od 20mg do 0.2mg materiału. Taką próbkę spala się w obecności tlenu, aby uzyskać dwutlenek węgla, który następnie wyłapuje się i zamienia w grafit, czyli stałą, sproszkowaną formę węgla. Atomy węgla są rozpędzane w akceleratorze, a następnie przelatują przez urządzenie, które jonizuje je, czyli odbiera każdemu z nich jeden elektron. To powoduje, że zaczynają oddziaływać magnetycznie i gdy następnie przelatują obok elektromagnesu tor ich lotu odchyla się w jego stronę. Atomy węgla C12 są lżejsze od C13 o jeden neutron, a te z kolei są lżejsze o jeden neutron od C14. W związku z tym zmianę toru lotu atomów C14 jest mniejsza iż pozostałych. Możemy je zarejestrować i porównać z pozostałymi.

Ograniczenia

Wszystko to byłoby naprawdę prostym i precyzyjnym sposobem określania wieku szczątków organicznych w archeologii gdyby n ie jeden drobny szczegół: Proporcja izotopu węgla C14 do C12 i C13 na Ziemi nie jest stała. Wpływają na nią między zarówno naturalne czynniki, jak i te indukowane przez człowieka. Do naturalnych należą:

• Zmiany pola magnetycznego Ziemi.

Pole magnetyczne Ziemi odbija większość promieniowania kosmicznego, jakie dociera do Ziemi. Jego fluktuacje wpływają więc na to jak wiele węgla C14 powstaje w atmosferze. Zmiany są zarówno globalne, związane z regularnym spadkiem i wzrostem siły pola magnetycznego, jak i mają charakter regionalny. Do tych ostatnich wrócimy w jednym z kolejnych rozdziałów.

• Zmiany aktywności Słońca (Miyake events).

Z drugiej strony na powstawanie węgla C14 w atmosferze ma oczywiście wpływ natężenie promieniowania kosmicznego, które również nie jest jednorodne. Za zmianami mogą kryć się między innymi wybuchy supernowych, oraz rozbłyski słoneczne. Zwłaszcza kilka największych rozbłysków w znanej historii zostawiło swój ślad w postaci wyraźnie wyższej niż średnia proporcji izotopu węgla C14. Nazywamy je zdarzeniami Miyake od nazwiska ich odkrywcy. Takie zdarzenia miały miejsce od 12350pne, 7176pne, 5259pne, 664pne, oraz 774 i 993ne. I akurat w ich przypadku, mimo iż zaburzyły one możliwość datowania znalezisk metodą węgla C14, właśnie sam fakt iż wiemy kiedy wystąpiły pozwala nam bardzo precyzyjnie określić wiek szczątków, w których poziom C14 odpowiada danemu zdarzeniu Miyake.

• Wulkany

Z kolei wybuchy wulkanów potrafią wyrzucić w atmosferę duże ilości dwutlenku węgla, który nie zawiera w ogóle izotopu C14. Taki dwutlenek węgla nie jest pochodzenia organicznego, wędruje wraz z magmą z płaszcza Ziemi w górę i nigdy nie miał styczności z promieniowaniem kosmicznym. Nagły potężny wybuch wulkanu może więc czasowo zwiększyć poziom stabilnych izotopów węgla C12 i C13 w atmosferze i w ten sposób zaburzyć datowanie. Z drugiej strony, wybuchy wulkanów pozwalają nam na bardzo precyzyjne datowanie znalezisk w inny sposób – wrócimy do tego za jakieś dwa filmy.

• Nisze ekologiczne i geologiczne

Ponieważ węgiel C14 powstaje przede wszystkim w górnych warstwach atmosfery i stamtąd trafia do ekosystemu, w pewnych odizolowanych miejscach na Ziemi, do których trudniej jest mu się przedostać, średni poziom C14 w materiałach organicznych będzie niższy niż ten zmierzony w zwyczajnych warunkach, a więc też pochodzące z takiej niszy ekologicznej szczątki będą zdawać się starsze niż naprawdę są. Takimi niszami są na przykład głębiny morskie oraz kompleksy jaskiń. Ale uwaga: jeśli głęboko w jaskini znajdziemy szczątki człowieka i wydatujemy je za pomocą węgla C14, nie oznacza to, że wynik będzie błędny. Ten człowiek na pewno nie przeżył całego swojego życia w miejscu, w którym go znaleźliśmy i nie żywił się roślinami i zwierzętami, które również żyły wyłącznie tam. On tam po prostu dotarł z powierzchni, albo o własnych siłach, albo został przyniesiony po śmierci i pochowany. Proporcje izotopu węgla C14 do stabilnych izotopów C12 i C13 w jego szczątkach będą więc odpowiadać proporcjom znanym z powierzchni Ziemi. Problem pojawia się gdy przeprowadzamy datowanie na podstawie znalezionych przedmiotów, które mogły zostać wyłowione lub znalezione głęboko w jaskini, a następnie trafiły do domu lub grobu, który odkryliśmy.

Z drugiej strony, obecność naturalnie występujących na Ziemi materiałów radioaktywnych może zwiększać poziom węgla C14 w znajdowanych szczątkach. Należy brać na to poprawkę jeżeli próbka pochodzi z miejsca o podwyższonej radioaktywności, np. z okolic kopalni uranu, lub z miejsc takich jak Ramsar w Iranie, na wybrzeżu Morza Kaspijskiego, gdzie gorące źródła wypłukują ze skał cząsteczki radu i unoszą je z głębszych warstw skorupy ziemskiej ku powierzchni.

Na zmiany w ilości węgla C14 na Ziemi ma również wpływ działalność człowieka, przede wszystkich korzystanie z paliw kopalnych oraz wybuchy atomowe.

• Paliwa kopalne

Podobnie jak w przypadku dwutlenku węgla pochodzącego z wulkanów, ten powstały w wyniku spalania węgla kopalnego oraz ropy naftowej również nie zawiera izotopu C14. Węgiel kopalny oraz ropa naftowa są pochodzenia organicznego, ale powstały tak dawno temu – od 350 milionów lat temu w przypadku większości złóż węgla do 66 milionów lat temu w przypadku najmłodszych złóż ropy – że cały zawarty w nich oryginalnie węgiel C14 zdążył się już rozłożyć. Począwszy od XIX wieku ciągłe i ciągle powiększające się wykorzystanie paliw kopalnych doprowadziło do wzrostu zawartości dwutlenku węgla w atmosferze, a co za tym idzie spadku proporcji C14 do stabilnych izotopów w całym ekosystemie.

• Próby jądrowe

16 lipca 1945 Amerykanie przeprowadzili pierwszą próbę jądrową, w Nowym Meksyku. 6 sierpnia zrzucili bombę na Hiroshimę, 9 sierpnia na Nagasaki, a następnie, już po wojnie, USA, Związek Radziecki, Francja, Wielka Brytania, Chiny, Indie, Pakistan i ostatnio Korea Północna doprowadziły do wybuchów nuklearnych w ramach testów broni atomowej. Najwięcej testów przeprowadzono w latach 1950tych oraz na początku lat 60tych. Było ich tak dużo, że doprowadziły do tymczasowego wzrostu poziomu C14 w atmosferze. W 1963 roku układ o częściowym zakazie prób broni nuklearnej między USA, ZSRR i Wielką Brytanią, doprowadził do zakończenia prób ponad powierzchnią Ziemi i od tego czasu proporcje C14 powoli wracają do normy. Oczywiście, nie ma to wpływu na datowanie węglem C14 w archeologii, bo dotyczy tylko najnowszej historii, ale możecie wyobrazić sobie ból głowy archeologów za kilkaset lat, gdy będą musieli brać poprawki nie tylko na zużycie paliw kopalnych, ale i na próby jądrowe.

Efekt starego drewna

Istnieje jeszcze jeden problem, niezwiązany z fluktuacjami C14 i w gruncie rzeczy dość trywialny, gdy o nim pomyśleć. W naszej kulturze często wyrzucamy zepsute lub stare rzeczy i zastępujemy je nowymi. Jeszcze sto lat temu byłoby do nie do pomyślenia dla zdecydowanej większości naszych przodków. Przedmioty użytku codziennego, ubrania, broń, zabawki, i meble przechodziły z ojca na syna, z matki na córkę. Zepsute przedmioty naprawiano. Te, których nie dało się już naprawić, próbowano wykorzystywać w innych celach. Podobnie było nawet z budynkami. Dom, lub mur, który zawalił się ze starości, lub po prostu przestał pełnić swoją funkcję, zostawał źródłem materiału budowlanego dla nowych domów. W 2018 roku jechałem na rowerze przez Wielką Brytanię. Dotarłem do Muru Hadriana w okolicach Brampton i stamtąd pojechałem kawałek na wschód, do klasztoru Lanercost. W jego pobliżu Mur Hadriana jest wysoki zaledwie na kilka kamieni – między innymi właśnie dlatego, że brakujące kamienie zostały użyte do budowy klasztoru. Podobnie ma się sprawa na przykład z rzymskim Koloseum, które swego czasu zostało częściowo rozebrane, aby zbudować Bazylikę św. Piotra w Watykanie.

W budowlach kamiennych oczywiście również wykorzystywano się drewno: belki na krokwie, filary, słupy, podłogi, drzwi i framugi, jak również do budowy stelaży i narzędzi, których resztki odnajdujemy czasem w fundamentach starych budynków. Wydawałoby się, że datowanie węglem C14 to w takich wypadkach krótka piłka: tego drewna używano do budowy tego budynku, datowanie C14 pozwoli nam określić wiek drewna, a więc sam budynek zapewne powstał niedługo później, prawda? No więc niekoniecznie. Owszem, drewno zapewne będzie starsze niż budynek – o ile wykluczymy możliwość, że do danego miejsca ktoś mógł dostać się później niż w czasie budowy i zostawić tu dany drewniany przedmiot. Ale niekoniecznie wiek drewna i wiek budynku muszą być sobie bliskie. Taki drewninany przedmiot mógł być wcześniej częścią innej konstrukcji, która nie była już potrzebna, a więc ją rozebrano i jej fragmenty użyto ponownie.

W przeszłości ten problem doprowadził między inymi do błędnego datowania piramid – ale nie, nie błędnego o 10 tysięcy lat, tylko o 500-700. I do tego w drugą stronę. Fragment drzewa cedarowego, znaleziony w piramidzie Cheopsa w 1872 roku przez angielskiego inżyniera Waynmana Dixona, został wydatowany na 3341–3094pne. Wiele innych źródeł nie pozostawia jednak wątpliwości, że piramida Cheopsa została wybudowana ok. roku 2600pne, a kawałek drewna znaleziony przez Dixona prawdopobnie był częścią narzędzia lub konstrukcji, zapewne nawet więcej więcej niż jednej, która przez kilkaset lat była przewożona z miejsca na miejsce, zmieniała kształt i przeznaczenie, lecz wciąż przynajmniej jakaś jej część pozostawała oryginalna.

Dlatego przy datowaniu węglem C14, jak również w przypadku innych metod, ważne jest pobieranie wielu próbek, porównywanie ich ze sobą, a jeśli znajdziemy wyniki, które nie pasują do większości, należy się nim bardzo dokładnie przyjrzeć.

Piramidy: https://www.youtube.com/watch?v=B80QPGNkzkg

Kalibracja

Wróćmy jednak do kwestii fluktuacji izotopu węgla C14 w ekosystemie. Aby określić wiek znaleziska za pomocą datowania węglem C14 musimy nie tylko znać dokładnie proporcję izotopu C14 w próbce do stabilnych izotopów węgla i na tej podstawie wyliczyć tzw. wiek radiowęglowy – czyli taki, na jaki datowalibyśmy próbkę w idealnych warunkach – ale też potrzebujemy tzw. krzywej kalibracyjnej, która pozwoli nam przeliczyć wiek radiowęglowy na wiek rzeczywisty, biorąc pod uwagę wahania w proporcji C14 do stabilnych izotopów węgla w środowisku. Taką krzywą możemy przedstawić na wykresie. Oś pozioma przedstawia rzeczywistą liczbę lat i biegnie w przeszłość, a więc zero to chwila obecna – czy też, precyzyjnie, rok w którym powstał dany wykres. Oś pionowa to wiek radiowęglowy, obliczony na podstawie proporcji izotopu węgla C14 w próbce. Bladoniebieska linia, która idzie dokładnie po przekątnej, pokazuje nam jak wyglądałoby przeliczenie lat radiowęglowych na lata rzeczywiste w idealnym świecie, czyli jeden do jednego. Mamy próbkę datowaną na 10000 lat radiowęglowych, przykładamy ją do osi poziomej, jedziemy w prawo do przekątnej, a następnie w dół do osi poziomej, i odczytujemy wiek rzeczywisty: czyli dokładnie 10000 lat temu.

Tak jednak nie jest. Prawdziwa krzywa kalibracyjna, ta ciemniejsza niebieska linia, znajduje się odrobinę nad przekątną dla młodych znalezisk, a potem schodzi pod nią, co oznacza, że dla danego wieku radiologicznego rzeczywisty wiek młodego znaleziska będzie mniejszy, a więc znalezisko będzie młodsze, niż by to wynikało z datowania, a dla starszych znalezisk rzeczywisty wiek będzie jeszcze większy. Szczątki, które wydatowaliśmy na 10 tys. lat radiologicznych, na naszym przykładzie będą tak naprawdę pochodzić sprzed ok. 11 tys. lat.

Proces budowania krzywej kalibracyjnej nazywamy, surprise surprise, kalibracją. Polega na zidentyfikowaniu próbek, o których dokładnym wieku wiemy z innych źródeł. Dzięki nim, po obliczeniu ich wieku radiologicznego, możemy określić kształt krzywej kalibracyjnej w okolicy wieku danej próbki. Takimi obiektami, o których wieku wiemy i z których możemy pobrać próbki radiologiczne, są często właśnie kawałki starego drewna, wydatowane za pomocą dendrochronologii. W gruncie rzeczy, pierwsza w historii krzywa kalibracyjna została wyliczona w 1967 roku właśnie na podstawie próbek pochodzących z długowiecznych sosen. Obecnie do wykreślania krzywych kalibracyjnych, oprócz datowanego dendrochronologicznie drewna, używa się warstw osadowych, powstających na dnie płytkich jezior – tak zwanych warw – datowania stalagmitów i stalaktytów za pomocą metod radiologicznych na bazie uranu, czy też przyrostu koralowców. Wszystkie te metody wykorzystują fakt, iż powoli powstające warstwy materiału możemy albo policzyć od jakiegoś znanego nam momentu, albo też wydatować kolejne warstwy niezależną metodą, jak właśnie uran-tor, ale też w tych samych warstwach możemy znaleźć ślady dawnej roślinności, lub innych szczątków organicznych.

Zbiory krzywych kalibracyjnych noszą nazwę IntCal, od “International Calibration”. Mamy osobne krzywe dla obu półkul Ziemi, ponieważ o ile Ziemia obraca się wokół własnej osi, więc promieniowanie kosmiczne docierające do nas prostopadle do osi obrotu rozkłada się równomiernie, tak promieniowanie docierające do Ziemi od strony północnej – z braku lepszego określenia – wykazuje fluktuacje różne od tego, które dociera do nas od strony południowej. Istnieją też osobne krzywe kalibracyjne dla próbek pochodzących z dna oceanicznego, gdzie stężenie C14 jest mniejsze niż w atmosferze.

Błędy archeologów (statystyczne)

Okej. Czyli po prostu pobieramy próbki węgla ze znaleziska, obliczamy stosunek izotopu C14 do stabilnych izotopów C12 i C13, na tej podstawie obliczamy wiek radiologiczny, a następnie przykładamy linijkę do odpowiedniego wykresu IntCal, jedziemy w prawo, a potem w dół, i w ten sposób otrzymujemy faktyczny wiek, tak?

Nie do końca.

Trigger warning, następne kilka minut filmu będzie zawierało dużo matematyki.

Każdy pomiar próbki obarczony jest błędem. Nie jest to co prawda błąd w rodzaju “ archeologowie nic nie wiedzo, tylko Erich von Daniken i Graham Hancock znajo prawde ale so uciszani”, tylko nudny, zupełnie normalny błąd pomiaru, wynikający z faktu iż archeologia to nauka o świecie, a w prawdziwym świecie każdy pomiar jest do pewnego stopnia nieprecyzyjny. Problemy zaczynają się już na etapie samego poboru próbki, która może być zanieczyszczona materiałem pochodzącym z innych czasów, na przykład obecnych – ale to akurat łatwo odfiltrować – ale też miejsce pobrania próbki ze znaleziska może z wielu powodów wykazywać stosunek C14 do C12 i C13 odrobinę inny od średniego. Na pomiar może też wpłynąć błąd aparatury, albo nawet warunki w jakich przechowywano i transportowano próbki.

Swoją drogą, cała ta kwestia precyzji pomiarów, oraz wyliczania średniej i błędów nie tyczy się tylko datowania metodą węgla C14. Wszystkie chemiczne i radiologiczne metody datowania, oraz wiele innych, również muszą brać pod uwagę błąd pomiaru.

Załóżmy, że mamy znalezisko, które można datować za pomocą izotopu węgla C14. Pobieramy 10 próbek, przepuszczamy je przez akcelerator i otrzymujemy następujące wyniki, liczone w latach radiologicznych, posortowane od najmniejszej do największej wartości.

Dla ułatwienia przyjmijmy, że wszystkie one układają się akurat tak, że średnia wynosi 10000 lat radiologicznych. Ale to jeszcze nie oznacza, że sam obiekt jest właśnie tego wieku, choć jest to dobra wskazówka. Oprócz średniej musimy bowiem ustalić jeszcze odchylenie standardowe, czyli mówiąc bardziej potocznie, margines błędu. Ta liczba, podawana obok średniej, mówi nam na ile jesteśmy pewni obliczonego wieku znaleziska.

Próbki radiologiczne nie rozkładają się liniowo wokół średniej wartości, ale raczej zgodnie z tzw. rozkładem normalnym, czyli większość próbek powinna dać nam wynik zbliżony do średniej, a próbek o wyniku bardziej odległym powinno być coraz i coraz mniej. Jedno odchylenie standardowe, oznaczone grecką małą literą “σ” (sigma), to wartość, którą jeśli z jednej strony odjąć, a z drugiej dodać do średniej, to dostaniemy zakres od-do, w którym powinno znajdować się 68,27% próbek – a to uznajemy za już wystarczającą dokładność. Jeśli jednak chcemy być jeszcze bardziej pewni, możemy użyć dwóch odchyleń standardowych, czyli “2σ”. W tak powiększonym zakresie od-do znajdzie się już 95,45% próbek. Wprawdzie wciąż to oznacza, że być może prawdziwy rezultat będzie miała próbka wychodzącą poza ten zakres, ale prawdopodobieństwo tego jest bardzo małe i jeśli faktycznie tak by się zdarzyło, należałoby znaleźć również wyjaśnienie, dlaczego tak wiele innych próbek było błędnych. O ile więc nie mamy powodów, by podważać całej procedury datowania, możemy być w miarę pewni, iż faktyczny wiek radiologiczny znaleziska znajduje się gdzieś w przedziale jednego lub dwóch odchyleń standardowych od średniej.

A jak oblicza się odchylenie standardowe? Bierzemy średnią, czyli w naszym przykładzie będzie to 10000 lat, następnie dla każdej próbki obliczamy różnicę pomiędzy jej rezultatem a średnią, podnosimy tę różnicę do kwadratu, wyciągamy średnią z tych liczb, a w końcu z tej średniej wyciągamy pierwiastek kwadratowy.

W naszym przykładzie odchylenie standardowe liczy więc 49.84 lat. Nasze znalezisko możemy teraz oznaczyć jako datowane na 10000 lat radiologicznych +/- 49.84, lub dla ułatwienia, na od 9950.16 do 10049.84 lat radiologicznych. Trzy z naszych próbek znalazły się poza pierwszym odchyleniem standardowym, w tym dwie poza dwoma pierwszymi.

Ale to jeszcze nie koniec. Krzywa kalibracyjna również ma swoje odchylenie standardowe – innymi słowy, nie jesteśmy całkowicie pewni jak przeliczać lata radiologiczne na faktyczny wiek znaleziska. Robimy to z pewnym dużym, ale jednak nie stuprocentowym prawdopodobieństwem. Krzywe IntCal publikowane są razem z odchyleniem standardowym dla każdego punktu na krzywej. To odchylenie standardowe utrzymuje się w granicach 10-20 lat dla ostatnich 5000 lat, potem rośnie do 20-30 lat dla kolejnych 10000, a potem stopniowo coraz bardziej, wciąż jednak pozostając stosunkowo małe. Wyobraźcie sobie: mamy znalezisko pochodzące sprzed ok. 10 tys lat i potrafimy oszacować jego wiek z dokładnością do +/- 20 lat.

Musimy więc wziąć średnią oraz odchylenie standardowe wieku radiologicznego naszego znaleziska i znaleźć na krzywej IntCal nie tylko wiek faktyczny dla tej średniej, ale również odchylenie standardowe dla tego wieku faktycznego, czyli informację, jak bardzo pewni jesteśmy, że nasze przeliczenie będzie prawidłowe. Wzór na złożenie dwóch odchyleń standardowych to pierwiastek z sumy ich kwadratów.

W naszym przykładzie, krzywa kalibracyjna IntCal20 dla półkuli północnej pozwala nam policzyć, że średnia 10 tys lat wieku radiologicznego to niecałe 11400 lat temu. Odchylenie standardowe krzywej kalibracyjnej w tym miejscu to 23 lata, a więc nasze łączne odchylenie standardowe to pierwiastek z sumy kwadratu 49.84 i kwadratu 23, czyli 54.89. A więc nasze znalezisko ma 11400 lat +/- 54.89. Uff.

Czasem niestety – rzadko, ale jednak – nawet takie wyliczenia nie są wystarczające. Fakt iż w historii występowały okresy gdy do powierzchni Ziemi docierało więcej promieniowania kosmicznego niż zwykle (te wspomniane już przeze mnie Miyake events na przykład) powoduje, że w niektórych miejscach na krzywej kalibracyjnej mamy do czynienia z kuriozalną sytuacją. Idziemy wzdłuż niej, a więc cofamy się w czasie, a krzywa opada, zamiast się wznosić. No bo, jeśli tak jak zazwyczaj wznosi się, tylko trochę wolniej lub szybciej niż jeden rok faktyczny na jeden rok radiologiczny, to okej, to jeszcze można zrozumieć, ale jak to opada? Powodem tego jest właśnie niezwykle silne w danym okresie promieniowanie kosmiczne, którego efektem jest zwiększenie się proporcji izotopu C14, co w zapisie kopalnym widzimy w postaci zaburzenia wyniku datowania. Próbka A, o której skądinąd wiemy, że na pewno jest starsza od próbki B, może zawierać więcej od niej C14, a więc wydawać się młodsza. Krzywa kalibracyjna w takich sytuacjach zaczyna tworzyć fale. I jeśli te fale przetniemy średnią oraz odchyleniem standardowym naszej próbki, uzyskamy nie jeden lecz kilka wyników.

Zdarza się to jednak rzadko i tylko gdy naprawdę już dokręcamy śrubę i staramy się uzyskać jak najbardziej precyzyjne wyniki datowania. Tu na wykresie widzimy taką sytuację dla okolic roku 825ne. Próbka datowana na coś pomiędzy 1260 a 1280 lat radiologicznych daje nam trzy różne zakresy od-do lat faktycznych. Wszystkie te wyniki są jednak gdzieś pomiędzy latami 800 a 850ne. Nie ma mowy, aby błąd był dużo większy.

Innym okresem, gdy datowanie C14 trochę nam szaleje, jest epoka żelaza, między 1200 a 1400 lat pne, zwłaszcza w Anatolii. Pogadamy o niej w następnym filmie, ponieważ w jej przypadku ten sam fenomen, który utrudnia nam datowanie węglem, umożliwia nam precyzyjne datowanie inną metodą.

Na razie chciałbym jednak pozostać przy datowaniu radiologicznym i opowiedzieć o uranie, ołowiu i torze.

Datowanie uran-ołów i uran-tor

Jedną z najstarszych metod datowania radiologicznego jest porównywanie zawartości uranu i ołowiu w kryształach cyrkonu. Kryształy cyrkonu są z reguły bardzo małe – mają ok 0.1 do 0.3 mm średnicy. Występują powszechnie w skałach magmowych i osadowych i składają się głównie z krzemianu cyrkonu, ale również z niewielkich domieszek innych pierwiastków, w tym uranu. Co ciekawe, proces formowania się kryształów cyrkonu wyklucza obecność ołowiu – innymi słowy, nowo powstały kryształ cyrkonu na pewno nie będzie zawierał ołowiu. Ale taki, który ma co najmniej kilka milionów lat już tak.

Najpopularniejszym izotopem uranu jest U238, stanowiący ok. 99,3% uranu w każdej próbce. Pozostałe 0,7% to głównie U235 oraz w bardzo małych ilościach (0.0055%) U234. W przeciwieństwie do węgla i ołowiu, każdy izotop uranu ulega rozpadowi radioaktywnemu, z tym że w przypadku U238 okres półrozpadu to 4,47 miliarda lat, a więc mniej-więcej tyle, co wiek Ziemi. Po tym czasie U238 rozpada się w kilku szybko po sobie następujących reakcjach promieniotwórczych na U234, ten z kolei po 245 tysiącach lat na Th230, ten po 75 tysiącach lat na Ra226, a wtedy następuje łańcuch stosunkowo szybkich reakcji, które prowadzą do powstania stabilnego ołowiu 206. U235 podlega trochę innemu łancuchowi rozpadu, który ostatecznie prowadzi do izotopu ołowiu Pb207 – i w tym przypadku totalny okres półrozpadu to 710 milionów lat, a więc również dla archeologii jest zdecydowanie zbyt długi – dobrze nadaje się do za to do datowania zawierających kryształy cyrkonu skał w geologii i paleontologii.

Dla naszych zainteresowań lepszy jest inny proces, który jednakże bazuje na podobnej zasadzie. Kryształy cyrkonu można datować metodą uran-ołów, ponieważ w trakcie powstawania wypychając na zewnątrz atomy ołowiu, a więc cały ołów, jaki w nich znajdziemy pochodzi z rozpadu uranu. Bardziej użyteczna dla nas metoda datowania uran-tor bazuje na fakcie, iż uran rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy tor nie. A więc wszystkie skały, które powstały w wyniku osadzania się niesionych przez wodę minerałów, takie jak wapienne stalaktyty, stalagmity, warstwy ścian jaskini, skalne dno strumieni, czy nawet skamieniałe kości, zawierają śladowe ilości uranu, oraz toru, ale tylko toru, który powstał w wyniku rozpadu uranu. (Aha, i jeszcze rafy koralowe, które oczywiście powstają w inny sposób, ale siłą rzeczy minerały, z których są złożone, są pobierane przez koralowce z wody morskiej).

W tej metodzie porównuje się stosunek nietrwałego izotopu U234 o czasie połowicznego rozpadu w okolicach 245500 lat (a więc trochę mniej niż na grafice) oraz powstałego w wyniku tego rozpadu Th230. I tu jest haczyk: Th230 nie jest stabilnym izotopem – jak wspomniałem, jego czas połowicznego rozpadu to 75 tysięcy lat. Z drugiej strony U234 jest efektem rozpadu U238, a więc również to nie jest tak, że jego zawartość w skale jedynie maleje z czasem. Albo inaczej, maleje, ale nie tak bardzo jak mogłaby, gdyby w skale nie było U238, który cały czas powoli rozpada się na U234.

Co więcej, U234 rozpuszcza się w wodzie dużo lepiej niż U238, czyili o ile w oryginalnej skale jego zawartość jest śladowa, w stalagmitach i stalaktytach, zwłaszcza w tych młodszych, może być go nawet więcej niż U238.

A więc, to co musimy zrobić to porównać nie tylko zawartość uranu 234 do toru 230, ale to jak ma się relacja uranu 238 z uranem 234 do relacji uranu 234 z torem 230. Ale po kolei.

1. Wyobraźmy sobie sytuację gdy mamy w skale uran 238 i 234, powiedzmy że w proporcjach 60/40. I załóżmy, że uran 238 rozpada się na uran 234, ale dalszy rozpad promieniotwórczy już nie zachodzi. Z czasem więc zawartość U238 będzie spadać, a U234 będzie rosnąć, tak jak na załączonej infografice.
2. Podobnie, gdybyśmy zaczęli od skały, w której jest wyłącznie uran 234, który rozpada się na tor 230, a dalej tor 230 już się nie rozpada, ten wykres wyglądałby podobnie. Różny byłby tylko czas półrozpadu oraz fakt iż w skale osadowej na początku w ogóle nie ma toru, a więc zaczynamy od 100% zawartości uranu.
3. Spróbujmy nałożyć te dwa wykresy na siebie. Uran 238 pozostaje bez zmian – jego zawartość w skale stopniowo maleje, tak samo jak na pierwszym wykresie. Zawartość uranu 234 również spada, ponieważ uran 234 stopniowo rozpada się na tor 230, z tym że spada wolniej nniż mogłaby, ponieważ w tym samym czasie część atomów uranu 238 zamienia się w atomy uranu 234. Co więcej mamy trzecią linię, linię toru 230. Tutaj również musimy wprowadzić modyfikację, ponieważ tor 230 również rozpada się dalej na rad, czyli linia toru 230 będzie rosła, ale wolniej niż na poprzednim wykresie. Zawartość radu w próbce już nas nie interesuje, ponieważ rad, podobnie jak uran, rozpuszcza się w wodzie, a więc mógł trafić do próbki z innych źródeł, nie tylko w wyniku rozpadu promieniotwórczego.
4. Obszar pomiędzy górną a środkową linią mówi nam jak w czasie zmienia się stosunek uranu 238 do uranu 234. Obszar pomiędzy środkową a dolną linią mówi na jak w czasie zmienia się stosunek uranu 234 do toru 230.
5. Zależnie od początkowej zawartości uranu 238 i uranu 234 w próbce ten wykres może wyglądać różnie, czasem tak jak na pierwszym, czasem bardziej tak jak na drugim wykresie. Różnice narastają z czasem, w związku z czym dla młodszych znalezisk może w zasadzie wystarczyć nam znajomość stosunku uranu 234 do toru 230 , aby wyliczyć jego wiek, ale dla starszych znalezisk ten sam stosunek tych dwóch izotopów może pojawić się w skałach o różnym wieku i dlatego potrzebujemy dodatkowej informacji w postacji stosunku oryginalnego uranu 238 do uranu 234.
6. Zwróćcie jednak uwagę, że linie górna, środkowa i dolna łączą się w pewnym momencie, czyli stosunek U238 do U234, oraz U234 do Th230 zaczyna wynosić jeden i potem już taki zostaje. Innymi słowy, od tej chwili tyle samo uranu rozpada się na tor, co w tym samym czasie toru na rad. Taką chwilę nazywamy po angielsku secular equilibrium, czyli ekwilibrium wiekowym. Następuje to po ok. 600 tysiącach lat od powstania skały osadowej i oznacza, że skały starszej niż ten wiek nie jesteśmy już w stanie datować metodą uran-tor. (Chociaż tak naprawdę już w przypadku skał starszych niż 250 tys lat zaczynamy mieć problemy, ponieważ nawet niewielkie różnice w stosunkach izotopów zaczynają oznaczać duże różnice wieku znaleziska.)

Podobnie jak w przypadku datowania węglem C14, do obliczeń zawartości izotopów w próbce używa się obecnie spektrometrii mas, co pozwala na błąd pomiaru rzędu 1% przy próbkach, które ważą zaledwie kilka miligramów. Inaczej niż w przypadku węgla C14, na zawartość izotopów uranu i toru w próbce nie wpływa promieniowanie kosmiczne, a więc nie jest wymagana kalibracja w taki sposób, jak kalibrujemy wiek znalezisk datowanych tą drugą metodą, ale nie znaczy to, że możemy być zawsze pewni wyników. Fakt iż uran rozpuszcza się w wodzie, a tor nie, może w pewnych specyficznych okolicznościach zaburzyć datowanie, gdy już utworzona skała osadowa znajdzie się ponownie pod wpływem płynącej wody, która wypłucze część uranu i w ten sposób spowoduje, że uzyskamy próbki o nadmiernej zawartości toru 230 do uranu 234. Z drugiej strony, działalność przemysłowa w pobliżu stanowiska archeologicznego może doprowadzić do zanieczyszczenia lokalnego środowiska uranem i torem i ich nadwyżek w próbce. Na szczęście w sytuacjach gdy możemy użyć do datowania metody uran-tor, często równocześnie mamy w próbkach również izotopy innych promieniotwórczych pierwiastków i efekty ich rozpadu, jak na przykład nietrwałe izotopy ołowiu. Możemy użyć ich jako dodatkowej informacji, potwierdzajacej, lub kwestionującej nasze wcześniejsze wyniki datowania.

Być może najciekawszym znaleziskiem datowanym metodą uran-tor są malunki naskalne w Hiszpanii, w La Pasiega, Mantravieso, i Ardales., z lat 2018 i 2021. We wszystkich trzech przypadkach ślady pigmentu są częściowo przykryte wapienną skałą osadową. W Mantravieso próbki pobrane z tej skały tuż nad warstwą, na której znajdują się malunki, dały wynik 66700 lat, a więc same malunki, w tym charakterystyczny obrys dłoni, musiały być wykonane wcześniej. Podobnie malunek z La Pasiega wydatowano na co najmniej 64000 lat, natomiast w Ardales znaleziono ślady pigmentu pod ułamanym stalagmitem, co pozwoliło na pobranie próbek zarówno po jak i sprzed powstania malunku. Te próbki zostały ocenione na pomiędzy 48700 a 45300 lat. Jeżeli wyniki są prawdziwe, oznacza to, że we wszystkich trzech jaskiniach autorami malunków byli neandertalczycy – czas przybycia homo sapiens na te tereny to mniej-więcej 42000 lat temu.

Teza, iż neandertalczycy malowali po skałach jaskiń tak jak późniejsze kultury homo sapiens, jest oczywiście kontrowersyjna i datowania te zaowocowały krytyką ze strony wielu naukowców. Jeśli się dobrze orientuję, wskazywano przede wszystkim na skomplikowane zależności rozpadu izotopów, co może prowadzić do efektu motyla: małe zaburzenie na wczesnym etapie formowania się skały osadowej, albo niewielki błąd pomiaru jednego z izotopów, może prowadzić do dużego błędu końcowego datowania. Dyskusje nadal trwają, ale wygląda na to, że wyniki tych datowań są prawdziwe. Co więcej, podobne testy młodszych malunków naskalnych z Chauvet i Lascaux dały wyniki zgodne z oczekiwaniami.

Bibliografia

„Evidence for the earliest structural use of wood at least 476,000 years ago”, L.Barham et al., 2023

„Recent Developments in Calibration for Archaeological and Environmental Samples”, J van der Plicht et al., 2020

„The 12,460-year Hohenheim oak and pine tree-ring chronology from Central Europe; A unique annual record for radiocarbon calibration and paleoenvironment reconstructions”, Michael Friedrich et al., 2004

„Radiocarbon Dating”, Bowman, Sheridan, 1990

„Radiocarbon Dating and Intercomparison of Some Early Historical Radiocarbon Samples”, A J T Jull et al., 2018

YouTube: „Carbon Dating Egypt’s Oldest Pyramids”, History for GRANITE

„Modeling geomagnetic spikes: the Levantine Iron Age anomaly”, Pable Rivera et al.

https://visitasescouralmaltravieso.com/en/maltravieso-cave/

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352409X24005194 – „The age of hand stencils in Maltravieso cave (Extremadura, Spain) established by U-Th dating, and its implications for the early development of art”, Christopher D. Standish et al., 2025

https://www.cnrs.fr/en/press/neanderthals-indeed-painted-andalusias-cueva-de-ardales

https://news.artnet.com/art-world/cave-paintings-neanderthals-1230620

„Uranium series dating in paleoanthropology”, Henry P. Schwarcz, 1992

Comment on: “Uranium–thorium dating method and Palaeolithic rock art” by Sauvet et al., Edwige Pons-Branchu et al., 2015

„Uranium-thorium dating method and Palaeolithic rock art”, Georges Sauvet et al., 2017 (update)