失准：化石燃料排放影响碳测年

随着碳排放持续改变空气中碳同位素的构成，考古学家将不得不愈发依赖其它测年技术。

追踪大气中不断上升的二氧化碳浓度的研究者们，记录到了一个里程碑式的时刻。截至2021年，化石燃料燃烧导致的北半球空气中碳同位素构成的改变，已足以正式抵消来自核武器试验的一个有用信号[1]。

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研究人员正在从这根骨头上采集用于碳测年的少许样本。图片来源：James King-Holmes/SPL

这可能会对重要的碳测年技术造成影响。英国帝国理工学院的化学物理学家Heather Graven对该效应的记录已经有许多年了，据她说，从放射性碳测年的角度看，现代物品如今与二十世纪早期的物品相似。英国贝尔法斯特女王大学的放射性碳测年专家Paula Reimer则称，该趋势“可能很快会让人难以判断某物来自一千年前还是现代”。尽管通常存在其它有关物品来源的线索，但“在没有那些信息的情况下也经常会有零星发现，”Reimer说，例如可能来自历史墓葬或近期过世者的不明身份遗骸。

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

这也意味着法医科学家将不再能够利用放射性碳指纹来准确判断象牙、古董和葡萄酒等物品的年代。“如果你从事的是法医或是找出赝品的工作，这可真是个悲惨时刻。”奥地利维也纳大学的考古学家Tom Higham说。

时间机器

碳测年技术基于空气中存在多种碳同位素这一事实。其中稳定的碳-12最为普遍，但还有少量主要通过宇宙线与大气的交互所产生的、具备放射性的碳-14。后者的占比随时间自然变化。

生物会吸收这两种碳。由于放射性碳-14存在5700年的半衰期，在生物死后，其体内两种同位素的相对数量就会开始改变。通过测量物件中碳-14的剩余量，研究人员可以对木头、织物或骨骼等有机材料进行上限大约为5.5万年的测年。一般来说，碳-14占比越低，物品越古老。

1952至1962年间，核武器试验释放了大量的人造放射性碳（“核爆碳”），这让大气中碳-14的含量迅速增加了一倍。此后，那些碳-14慢慢地被生物与海洋吸收。与此同时，化石燃料的燃烧一直在快速释放不含碳-14的二氧化碳。

到了2021年，这两种效应在北半球正式相互抵消（见“碳的变化”）。这意味着现代物品和前工业时期物件中碳-14的占比如今是相同的。由于人类仍在燃烧化石燃料，空气中碳-14的比例将进一步降低到接近更早以前的过去的水平。Graven预测[1]，到2050年，碳-14的占比会和中世纪（5-15世纪）的时候差不多。

在空气中碳-14的比例随时间推移出现浮动及峰值的情况下，放射性碳测年并非一直能够对日期作出区分。例如公元前800年到公元前400年这段时间便属于此类情况：“你就是没法（准确）测定那四百年里的任何东西。”Higham说。化石燃料与核爆碳相互抵消这一现象，则让放射性碳测年又多了一种时间混淆。

再见了，核爆曲线

对近几十年的现代物品来说，碳-14的衰变可以忽略不计。但核武器快速大量释出的碳-14造就了特征性的“核爆曲线”。“算是核试验也有点好处吧。”Higham说。这意味着形成于1960至2020年间的有机材料，其碳-14含量可以提供一个精确的时间标记。Higham曾将它应用于检测假威士忌和中国茶定年等；该技术还曾被用于从地下水到人类细胞的各方各面[2]。

研究人员很久以前就知道这项技术正在走向终结，但二氧化碳排放量的增加加速了这个过程。在接下去的几十年里，随着化石燃料使用量的减少以及核爆曲线趋平，碳-14值将不再能够作为日期的特征性判断依据。“这真是太遗憾了。”Higham说。

“这一野生动物法医鉴定工具的有效期窗口正在关闭。”美国哥伦比亚大学的古生态学家Kevin Uno说。他曾用核爆曲线确定象牙样本的时期、研究针对大象的盗猎[3]。“这有点令人沮丧。”

核爆曲线的消失意味着研究者将不得不愈发依赖其它技术或同位素（包括第三种碳：碳-13）来完成测年工作。“或许还有些别的放射性核素可以用。”Uno说。

参考文献：

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为标题发表在2022年7月27日《自然》的新闻版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-022-02057-4