失準：化石燃料排放影響碳測年

隨著碳排放持續(xù)改變空氣中碳同位素的構(gòu)成，考古學(xué)家將不得不愈發(fā)依賴其它測年技術(shù)。

追蹤大氣中不斷上升的二氧化碳濃度的研究者們，記錄到了一個里程碑式的時刻。截至2021年，化石燃料燃燒導(dǎo)致的北半球空氣中碳同位素構(gòu)成的改變，已足以正式抵消來自核武器試驗的一個有用信號[1]。

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研究人員正在從這根骨頭上采集用于碳測年的少許樣本。圖片來源：James King-Holmes/SPL

這可能會對重要的碳測年技術(shù)造成影響。英國帝國理工學(xué)院的化學(xué)物理學(xué)家Heather Graven對該效應(yīng)的記錄已經(jīng)有許多年了，據(jù)她說，從放射性碳測年的角度看，現(xiàn)代物品如今與二十世紀早期的物品相似。英國貝爾法斯特女王大學(xué)的放射性碳測年專家Paula Reimer則稱，該趨勢“可能很快會讓人難以判斷某物來自一千年前還是現(xiàn)代”。盡管通常存在其它有關(guān)物品來源的線索，但“在沒有那些信息的情況下也經(jīng)常會有零星發(fā)現(xiàn)，”Reimer說，例如可能來自歷史墓葬或近期過世者的不明身份遺骸。

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

這也意味著法醫(yī)科學(xué)家將不再能夠利用放射性碳指紋來準確判斷象牙、古董和葡萄酒等物品的年代。“如果你從事的是法醫(yī)或是找出贗品的工作，這可真是個悲慘時刻。”奧地利維也納大學(xué)的考古學(xué)家Tom Higham說。

時間機器

碳測年技術(shù)基于空氣中存在多種碳同位素這一事實。其中穩(wěn)定的碳-12最為普遍，但還有少量主要通過宇宙線與大氣的交互所產(chǎn)生的、具備放射性的碳-14。后者的占比隨時間自然變化。

生物會吸收這兩種碳。由于放射性碳-14存在5700年的半衰期，在生物死后，其體內(nèi)兩種同位素的相對數(shù)量就會開始改變。通過測量物件中碳-14的剩余量，研究人員可以對木頭、織物或骨骼等有機材料進行上限大約為5.5萬年的測年。一般來說，碳-14占比越低，物品越古老。

1952至1962年間，核武器試驗釋放了大量的人造放射性碳（“核爆碳”），這讓大氣中碳-14的含量迅速增加了一倍。此后，那些碳-14慢慢地被生物與海洋吸收。與此同時，化石燃料的燃燒一直在快速釋放不含碳-14的二氧化碳。

到了2021年，這兩種效應(yīng)在北半球正式相互抵消（見“碳的變化”）。這意味著現(xiàn)代物品和前工業(yè)時期物件中碳-14的占比如今是相同的。由于人類仍在燃燒化石燃料，空氣中碳-14的比例將進一步降低到接近更早以前的過去的水平。Graven預(yù)測[1]，到2050年，碳-14的占比會和中世紀（5-15世紀）的時候差不多。

在空氣中碳-14的比例隨時間推移出現(xiàn)浮動及峰值的情況下，放射性碳測年并非一直能夠?qū)θ掌谧鞒鰠^(qū)分。例如公元前800年到公元前400年這段時間便屬于此類情況：“你就是沒法（準確）測定那四百年里的任何東西。”Higham說。化石燃料與核爆碳相互抵消這一現(xiàn)象，則讓放射性碳測年又多了一種時間混淆。

再見了，核爆曲線

對近幾十年的現(xiàn)代物品來說，碳-14的衰變可以忽略不計。但核武器快速大量釋出的碳-14造就了特征性的“核爆曲線”。“算是核試驗也有點好處吧。”Higham說。這意味著形成于1960至2020年間的有機材料，其碳-14含量可以提供一個精確的時間標記。Higham曾將它應(yīng)用于檢測假威士忌和中國茶定年等；該技術(shù)還曾被用于從地下水到人類細胞的各方各面[2]。

研究人員很久以前就知道這項技術(shù)正在走向終結(jié)，但二氧化碳排放量的增加加速了這個過程。在接下去的幾十年里，隨著化石燃料使用量的減少以及核爆曲線趨平，碳-14值將不再能夠作為日期的特征性判斷依據(jù)。“這真是太遺憾了。”Higham說。

“這一野生動物法醫(yī)鑒定工具的有效期窗口正在關(guān)閉。”美國哥倫比亞大學(xué)的古生態(tài)學(xué)家Kevin Uno說。他曾用核爆曲線確定象牙樣本的時期、研究針對大象的盜獵[3]。“這有點令人沮喪。”

核爆曲線的消失意味著研究者將不得不愈發(fā)依賴其它技術(shù)或同位素（包括第三種碳：碳-13）來完成測年工作。“或許還有些別的放射性核素可以用。”Uno說。

參考文獻：

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為標題發(fā)表在2022年7月27日《自然》的新聞版塊上

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doi: 10.1038/d41586-022-02057-4