放射性碳测年和碳爆炸

  • 放射性碳测年法的假设之一是,全球碳14浓度不会随着时间改变。
  • 核武器试验提高了全球放射性碳浓度。
  • 爆炸效应是指核武器试验产生的“人造”放射性碳进入大气。
  • 目前科学家采用参照标准来解释大气中增加的人造放射性碳。
  • 虽然核试验已被禁止,但是爆炸效应仍然存在。
Carbon

 

放射性碳测年的方法基于任何特定时间全球碳14浓度的某些假设。其中一个假设为:全球大气碳14(也称为放射性碳)含量没有随时间变化。而另一个假设是第一个假设的推论,即由于平衡,生物圈的总体放射性碳浓度和大气相同。

宇宙射线产生的中子在大气中和氮原子相互作用形成放射性碳,由此放射性碳开始进入全球的碳循环。产生的碳14与大气中的氧原子反应形成二氧化碳。此二氧化碳与碳12和碳13产生的二氧化碳没有什么不同,因此,含有碳14的二氧化碳与其他碳同位素产生的二氧化碳都是相同的命运。

大气和生物圈之间进行混合和交换直到平衡建立。放射性碳测年在很大程度上取决于这一假设,因此一开始无需考虑碳14的其他来源。

如今,放射性碳科学家们不得不进行校正,不仅要将他们的放射性碳测年结果转换成公历年,而且要将影响全球碳14浓度的各种因素考虑进去,其中之一就是核武器试验。

 

影响全球碳14水平的人类活动

两种人类活动被公认为对全球放射性碳含量产生了不可挽回的改变:化石燃料的燃烧和核武器试验。

煤炭等矿物燃料的大量燃烧被称为苏斯效应,它明显地降低了大气碳库中的放射性碳浓度。与此相反, 20世纪50年代和60年代的核武器试验却大大增加了大气中的碳14浓度。这种现象被称为爆炸效应。

 

什么是爆炸效应?

Nuclear Weapons

爆炸效应是指核弹产生的“人造”放射性碳进入大气的现象。

核武器试验产生的反应之一会模拟大气层产生大量非自然的碳14。核爆炸产生的巨大热中子通量与大气中存在的氮原子反应形成碳14。由此产生的碳14就是大家熟知的爆炸碳或人造放射性碳。

根据文献记载,由于 20世纪50年代和60年代的核武器试验使得1965年实测的大气中的碳14含量增加了近一倍。1963年至1965年间,爆炸碳的含量大约比正常水平高出100%。北半球的爆炸碳浓度在1963年达到高峰,南半球的爆炸碳浓度则在1965年左右达到高峰。

 

爆炸效应对放射性碳测年的影响

人类活动给全球放射性碳浓度带来的变化使碳14测年有必要使用一种参考标准。放射性碳测年需要一种有机材料,这种有机材料没有受到化石燃料燃烧或核武器试验所产生的碳14污染。

美国国家标准局储备的草酸被选取为放射性碳测年的标准。它的放射性碳含量理论上与公元1950年生长的木材样品相同。引用碳测年结果时,公元1950年作为放射性碳时间标度的零点。

 

对放射性碳水平的长期影响

即使禁止核武器试验后,爆炸效应仍然存在。据文献记载,在某种程度上,由于全球碳交换循环,核武器试验过程中产生的多余的碳14已经减少。根据草酸参考标准活动的实测,到90年代,碳14含量比1950年的理论含量仅高出约20%。

爆炸碳本质上是人为的碳14的注入。放射性碳科学家利用这一认知检测他们关于碳14在各种碳库混合率的理论。他们发现,相邻的树木年轮的放射性碳不会进行交换。这一事实支持了树木年代学在放射性碳测年中的应用,特别是在构建放射性碳的校正曲线中的应用。

另外,还有其他研究监测到了爆炸碳或放射性碳的存在。

地球化学海洋区域研究分析了大西洋、太平洋、印度洋和地中海的海洋水样,并绘制标出了爆炸碳的存在。研究结果使建模者能够分析放射性碳通路及其交流和滞留时间。

世界海洋环流实验于1990年至2002年从溶解的无机碳中获得放射性碳测量值。

Reidar Nydal和Knut Lovseth从1962年至1993年测量了北部和南部半球大气中二氧化碳的放射性碳含量。