Bezwzględne skale czasu dla zdarzeń w historii Ziemi i człowieka. Pomiary izotopów w środowisku Anna Pazdur Politechnika Śląska Wykład inauguracyjny 2004 r.
Zdarzenia w historii Ziemi zmiany parametrów orbity ziemskiej zmiany systemu prądów oceanicznych zmiany konfiguracji pola magnetycznego Ziemi i Słońca erupcje wulkaniczne działalność rolnicza i przemysłowa człowieka zmiany w obiegu materii
Konsekwencje zmiany bilansu energetycznego Ziemi zmian strumienia promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi
Obserwacje zmiany klimatu zmiany krajobrazu zmiany składu gatunkowego roślin i zwierząt mobilność człowieka i rozwój kultury materialnej zmiany w składzie izotopowym materii
Fizyka dysponuje metodami pomiarowymi pozwalającymi na ustalenie następstwa zdarzeń w bezwzględnej (z podaniem wartości liczbowych, w latach kalendarzowych) skali czasu tworzenie chronologii bezwzględnych rekonstrukcje zmian środowiska wiek powstania i okres trwania kultur archeologicznych
Najczęściej badane izotopy Metody badań „moment” zdarzeń, jak i ich charakter zapisane są w składzie izotopowym materii ziemskiej w litosferze, biosferze, hydrosferze, atmosferze wyznaczenie momentu zdarzenia – proces zwany „datowaniem” wynik datowania – wiek obiektu datowanego wskazujący na wiek zdarzenia Najczęściej badane izotopy datowanie: radiowęgiel (14C), pierwiastki szeregu uranowo – torowego (232Th/234U) rekonstrukcje zmian środowiska: wodór (2H/H), węgiel (13C/12C), azot (15N/14N), tlen (18O/16O), siarka (34S/32S)
Metody datowania Metody datowania wykorzystują rytmiczność naturalnych zjawisk (dendrochronologia, chronologia warwowa) znane w czasie tempo przemian promieniotwórczych (metoda radiowęglowa, uranowo – torowa) własności dozymetryczne naturalnych kryształów (metoda luminescencyjna) metoda radiowęglowa – datowanie obiektów składających się z materii organicznej o wieku z przedziału czasu od chwili obecnej do około 50 tysięcy lat wstecz metoda luminescencyjna – datowanie obiektów zawierających składniki mineralne (ziarna kwarcu, skaleni) sięgająca nawet do 500 tysięcy lat wstecz
Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego Prawo rozpadu promieniotwórczego (1) gdzie: N0 – oznacza początkową liczbę atomów pierwiastka promieniotwórczego, Nt – liczbę atomów tego pierwiastka, jaka pozostała po czasie t, λ – wielkość, zwana stałą zaniku promieniotwórczego, T1/2 – półokres rozpadu (czas, po jakim liczba atomów zmaleje o połowę) (2) Wartość półokresu rozpadu wynosi np. 5730 lat w przypadku izotopu 14C, około 750000 lat w przypadku izotopu 230Th, i jedynie 22 lata w przypadku izotopu 210Pb. Wiek datowanego obiektu w latach [BP] = Before Present (3)
Ważniejsze metody datowania obiektów z okresu czwartorzędu Metoda Zastosowanie Zakres wieku 14C Szczątki i osady organiczne, osady węglanowe Do 50 tys. lat OSL, TL Osady mineralne, ceramika Do 500 tys. lat ESR Osady węglanowe Do miliona lat U/Th Osady węglanowe, torfy, kości Do 300 tys. lat K/Ar Osady wulkaniczne Powyżej 50 tys. lat 210Pb Osady w zbiornikach wodnych Do 150 lat 137Cs Osady jeziorne, gleby Do 60 lat Dendrochro-nologia Konstrukcje drewniane, drewno kopalne Do 12 tys. lat Chronologia warwowa Warstwowane osady jeziorne i zastoiskowe Do 120 tys. lat (najstarsze odkryte)
Metoda radiowęglowa Izotopy węgla: 12C, 13C, 14C radiowęgiel - produkowany nieustająco w górnych warstwach atmosfery szybkość produkcji zależy od natężenia strumienia protonów promieniowania kosmicznego szybkość produkcji modulowana zmianami pola magnetycznego Ziemi i Słońca metoda wykorzystuje znane w czasie tempo rozpadu izotopu 14C, zachodzącego z półokresem rozpadu 5570 lat
Techniki pomiarowe Technika gazowych liczników proporcjonalnych (GPC) Technika ciekłoscyntylacyjnej spektrometrii promieniowania beta (LSC) Technika akceleratorowa sprzężona ze spektrometrią masową (AMS) Zasięg datowania metody radiowęglowej (największy mierzony wiek) wynosi około 50 tysięcy lat.
Prawy nosorożec 30790600 Masa próbki: 1,22 mg Lewy nosorożec 30940 610 Masa próbki: 0,80 mg Bizon 30800 1500 Masa próbki: 0,42 mg
Spektrometria mas Pomiar składu izotopów stabilnych
Metoda luminescencyjna naturalna promieniotwórczość skał i minerałów jest przyczyną luminescencji ziaren kwarcu w osadzie czas oddziaływania datowanego osadu z promieniowaniem jądrowym otoczenia jest miarą jego wieku intensywność luminescencji stymulowanej optycznie lub termicznie i pomiar koncentracji izotopów promieniotwórczych pozwala wyznaczyć wiek
Wyznaczanie wieku Ilość energii zmagazynowanej w krysztale wskutek działania promieniowania jądrowego nazywana jest dawką pochłoniętą D. Do wyznaczania wieku T badanego obiektu na podstawie znajomości wielkości dawki pochłoniętej D wykorzystuje się proste równanie (4) gdzie Dr - dawka roczna, czyli energia promieniowania jądrowego akumulowana w czasie jednego roku, D – dawka pochłonięta w czasie T „pogrzebania” kryształu, D0 – dawka resztkowa
Duże zbiory dat Rozkład częstości dat (radiowęglowych, luminescencyjnych) źródłem informacji o: czasie trwania wyróżnionych okresów klimatycznych intensywności i czasie trwania procesów geologicznych czasie trwania kultur archeologicznych
Dziękuję