隨著碳排放持續改變空氣中碳同位素的構成，考古學家將不得不愈發依賴其它測年技術。

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，化石燃料燃燒導致的北半球空氣中碳同位素構成的改變，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造成影響。英國帝國理工學院的化學物理學家Heather Graven對該效應的記錄已經有許多年了，據她說，從放射性碳測年的角度看，現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代”。盡管通常存在其它有關物品來源的線索，但“在沒有那些信息的情況下也經常會有零星發現，”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).

這也意味著法醫科學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。”奧地利維也納大學的考古學家Tom Higham說。

時間機器

碳測年技術基于空氣中存在多種碳同位素這一事實。其中穩定的碳-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，其體內兩種同位素的相對數量就會開始改變。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，這兩種效應在北半球正式相互抵消（見“碳的變化”）。這意味著現代物品和前工業時期物件中碳-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浮動及峰值的情況下，放射性碳測年并非一直能夠對日期作出區分。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曾將它應用于檢測假威士忌和中國茶定年等；該技術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正在走向終結，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。“這真是太遺憾了。”Higham說。

“這一野生動物法醫鑒定工具的有效期窗口正在關閉。”美國哥倫比亞大學的古生態學家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依賴其它技術或同位素（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為標題發表在2022年7月27日《自然》的新聞版塊上

© nature

doi: 10.1038/d41586-022-02057-4