放射性碳定年和碳爆炸

  • 放射性碳定年法的假設之一是,全球碳14濃度不會隨著時間改變。
  • 核子試爆提高了全球放射性碳濃度。
  • 爆炸效應是指核子試爆產生的“人造”放射性碳進入大氣。
  • 目前科學家採用對照標準來解釋大氣中增加的人造放射性碳。
  • 雖然核子試爆已被禁止,但是爆炸效應仍然存在。
Carbon

放射性碳定年的方法基於任何特定時間全球碳14濃度的某些假設。其中一個假設為:全球大氣碳14(也稱為放射性碳)含量没有隨時間變化。而另一個假設是第一個假設的推論,即由於平衡,生物圈的總體放射性碳濃度和大氣相同。

宇宙射線產生的中子在大氣中和氮原子相互作用形成放射性碳,由此放射性碳開始進入全球的碳循環。產生的碳14與大氣中的氧原子反應,進而形成二氧化碳。此二氧化碳與碳12和碳13產生的二氧化碳没有什麼不同,因此,含有碳14的二氧化碳與其他碳同位素的二氧化碳擁有相同的命運。

大氣和生物圈之間進行混合和交換直到平衡建立。 放射性碳定年 在很大程度上取決於這一假設,因此一開始無需考慮碳14的其他來源。

如今,放射性碳科學家們不得不進行校正,不僅要將他們的放射性碳定年結果轉換成日曆年,而且要將影響全球碳14濃度的各種因素考慮進去,其中之一就是核子試爆。

影響全球碳14濃度的人類活動

兩種人類活動被公認為對全球放射性碳含量產生了不可挽回的改變:化石燃料的燃燒和核子試爆。

煤炭等礦物燃料的大量燃燒被稱為蘇斯效應,它明顯降低了大氣碳庫中的放射性碳濃度。與此相反, 1950年代和1960年代的核武器試驗卻大大增加了大氣中的碳14濃度。這種現象被稱為爆炸效應。

什麼是爆炸效應?

Nuclear Weapons

爆炸效應是指核彈產生的“人造”放射性碳進入大氣的現象。

核子試爆產生的反應之一會模擬大氣層產生大量非天然數量的碳14。核爆炸產生的巨大熱中子通量與大氣中存在的氮原子反應形成碳14。由此產生的碳14就是大家熟知的爆炸碳或人造放射性碳。

根據文獻記載,由於 1950年代和1960年代的核子試爆,使得1965年實測的大氣中碳14含量增加了近一倍。1963年至1965年間,爆炸碳的含量大約比正常水準高出100%。北半球的爆炸碳濃度在1963年達到高峰,南半球的爆炸碳濃度則在1965年左右達到高峰。

爆炸效應對放射性碳定年的影響

人類活動给全球放射性碳濃度帶來的變化,使得碳14定年必須使用一種参考標準。放射性碳定年需要一種有機材料,這種有機材料没有受到化石燃料燃燒或核武器試驗所產生的碳14污染。

美國國家標準局儲備的草酸被選為放射性碳定年的標準。它的放射性碳含量理論上與公元1950年生長的木材樣品相同。引用 碳定年結果時,公元1950年為放射性碳時間標定的零點。

對放射性碳濃度的長期影響

即使禁止核子試爆後,爆炸效應仍然存在。據文獻記載,在某種程度上,由於全球碳交換循環,核子試爆過程中產生的多餘的碳14已經逐漸減少。根據草酸参考標準活度的實測,到1990年代,碳14含量比1950年的理論含量僅高出約20%。

爆炸碳本質上是注入人為的碳14。放射性碳科學家利用這一認知來檢測,關於碳14在各種碳庫混合率的理論。他們發現,樹木年輪不和其他樹木年輪交換放射性碳。這一事實支持了樹木年代學在放射性碳定年中的應用,特别是在建構放射性碳校正曲線中的應用。

另外,還有其他監測爆炸碳或放射性碳的研究存在。

地球化學海洋區域研究分析了大西洋、太平洋、印度洋和地中海的海洋水樣,並繪製標出了爆炸碳的存在。研究結果使模擬學家能够分析放射性碳的通路及其交流和滞留時間。

世界海洋環流實驗於1990年至2002年間,從溶解的無機碳中取得放射性碳測量值。

Reidar Nydal和Knut Lovseth從1962年至1993年間,測量了北半球和南半球大氣中,二氧化碳的放射性碳含量。