Metody datowania w sztuce i archeologii

Pełna skala czasu

Wykorzystując różne izotopy stabilne i promieniotwórcze można dziś sięgnąć wgłąb dowolnego okresu: od poprzedzającego narodziny Ziemi do dni obecnych. Na przykład - pomiar zawartości izotopów stabilnych i promieniotwórczych w meteorytach daje nam informację o ich historii i o historii promieniowania kosmicznego.

Pomiar promieniotwórczości pierwiastków jest bardzo dobrą metodą datowania.

Promieniotwórczy izotop ¹⁴C powstaje dzięki promieniowaniu kosmicznemu w górnych warstwach atmosfery ziemskiej i jest absorbowany przez wszystkie organizmy żyjące na Ziemi, aż do ich śmierci. Dlatego też zmniejszenie się zawartości promieniotwórczego węgla opisuje nam okres, który upłynął od czasu śmierci danego organizmu: połowa jąder promieniotwórczych rozpada się w czasie każdych 5730 lat.

Wiele prehistorycznych obrazów naskalnych w grotach badano przy użyciu technik datowania ¹⁴C. Izotopu tego używamy do datowania znalezisk zawierających węgiel i pochodzących z okresu 10000 do 30000 lat temu.

Przez wiele lat zakładano, że zawartość ¹⁴C  w atmosferze nie zmienia się w  czasie. Obecnie wiemy, że pola magnetyczne Ziemi i Słońca zmieniały się, tak więc zmianom ulegał strumień promieniowania kosmicznego dolatującego do atmosfery. Musiało to prowadzić również do zmian w tempie produkowania ¹⁴C.

W roku 1991 dokonano nadzwyczaj ekscytującego odkrycia w Alpach. We wrześniu tego roku dwóch turystów znalazło w górach ciało mężczyzny wystające w połowie spod lodu. Człowiek lodowy (nazwany później pieszczotliwie Otzi: zgodnie z rejonem górskim, w którym został znaleziony) zmarł zapewne ponad 4 000 lat temu. Otzi'ego badano ponad 6 lat na Uniwersytecie w Innsbruku. W początkach roku 1998 przeniesiono go do muzeum archeologicznego w Bolzano we Włoszech, gdyż zgodnie z ustaleniami międzynarodowymi człowiek lodowy należy do Włoch, jako że został znaleziony na granicy Austriacko-Włoskiej na terytorium Włoch. Pomiary zawartości ¹⁴C przeprowadzono (w laboratoriach w Zurichu i Oxfordu), wykorzystując zarówno miligramowe ilości kości i tkanek Otzi'ego, jak i ekwipunku oraz materiałów ewidentnie należących do Otzi'ego (te badania prowadzono w Uppsali, Gif sur Yvette oraz Wiedniu), a także osadów zebranych z miejsca znaleziska (badania w Wiedniu). Wiek bez pełnej kalibracji wynosi 4550 lat przed chwilą obecną. Po kalibracji wykorzystującej krzywe otrzymywane ze słoi drzewnych, wiek ustalono na starszy o 650 lat. Na poziomie ufności 95,4% jego wiek zawiera się w granicach 3770-3320 (34,3%) lat temu i 3230-3100 lat temu (61,1%).

Analiza ziaren znalezionych w jelitach, jak również minerałów znajdujących się we włosach prowadzi do wniosku, że Otzi szedł z południowego Tyrolu, gdy zaskoczył go śnieg i lód. Ponadto, analizując izotopowy skład węgla i tlenu w zębach i kościach człowieka lodowego, badacze mogą rozróżnić [patrz Temat 1, strony 8 i 9] kraj jego wczesnego dzieciństwa i kraj, w którym przebywał później.

Korale w czasie swego życia pochłaniają uran, w tym izotop ²³⁴U (okres połowicznego zaniku 245500 lat) będący w morzu, nie absorbują jednak też tam obecnego izotopu toru - ²³⁰ Th. Gdy koral umrze, ²³⁰Th o okresie połowicznego zaniku 75380 lat, pochodzący z promieniotwórczego rozpadu tego izotopu uranu, kumuluje się w szkielecie korala. Mierząc stosunek zawartości uranu i toru można zatem wyznaczyć wiek korala. Metoda uranowo-torowa wykorzystywana jest do datowania szkieletów, kopalin i zębów, których wiek zawiera się w granicach 10000 do 350000 lat. Jeśli próbka jest starsza niż 30000 lat albo nie zawiera węgla, metoda ta, oparta na promieniowaniu uranu, jest jedyną, dającą się zastosować.

Zjawisko termoluminescencji zostało odkryte przez Sir Boyle'a w roku 1663. Termoluminescencja jest własnością wielu minerałów, polegającą na wysyłaniu świecenia w wyniku podgrzania minerału. Trzysta lat po tym odkryciu wykazano, że natężenie emitowanego światła proporcjonalne jest do promieniowania zaabsorbowanego przez minerał. Zjawisko to można więc wykorzystać w datowaniu. Piotr i Maria Curie zauważyli, że szkło używane przez nich w laboratorium uzyskuje w wyniku naświetlania wyraźny kolor, znikający przy podgrzaniu materiału, natychmiast po wyemitowaniu przezeń światła - była to właśnie obserwacja zjawiska termoluminescencji.

Technika ta ma wiele zastosowań, jak datowanie podgrzewanego krzemienia, wyrobów garncarskich i naczyń ceramicznych z prehistorii. Najstarsze znaleziska, których wiek możemy wyznaczyć, mają około 250000 lat.

Gdy ⁴⁰K przekształca się w skale wskutek rozpadu promieniotwórczego w ⁴⁰Ar (okres połowicznego zaniku 1,277·10⁹ lat), gaz ( ⁴⁰Ar) pozostaje w skale i nie może z niej uciec, chyba że minerał zostanie podgrzany. Ilość argonu w skale pokazuje więc upływ czasu od jego ostatniego oziębienia. Ta właśnie metoda K-Ar nadaje się do badań aktywności wulkanów i wykorzystywana jest obecnie do datowania okresów od 10⁶ do 10⁹ lat temu.

Przy pomocy metody K-Ar można zbadać kolejność okresów geologicznych na Ziemi i ustalić wiek Ziemi na około 4,5·10⁹ lat oraz pojawienie się pierwszych ludzi (we wschodniej Afryce) około  5·10⁶ lat temu.

Metoda ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr pozwala na datowanie materiałów o wieku  10⁶ do 10⁹ lat. Na przykład, wiek skał magmowych z wysp Kerguelen wynosi od 7,9 do 12·10⁶ lat. ⁸⁷Rb rozpada się do ⁸⁷Sr z okresem połowicznego zaniku 4,75·10¹⁰ lat. Inne izotopy strontu (A = 84, 86, 88) są izotopami trwałymi. Tak więc stront jest użytecznym wskaźnikiem izotopowym wieku i zawartości rubidu w skałach. Stosunek ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr zmienia się od 0,703 w młodych skałach do 0,750 w skałach starych. Na kolejnych dwóch stronach można przeczytać interesującą historię o tym, w jaki sposób można określić pochodzenie króla  Yax K’ uk Mo, który był założycielem dynastii, która rządziła w mieście Majów - Copan (obecnie w Hondurasie).

W VIII wieku skromna wioska o nazwie Copàn w Ameryce Środkowej stała się jednym z najważniejszych miast Majów. Ten wzrost ważności ściśle wiąże się z pojawieniem się Yax K’ uk Mo, który przybył do Copàn w roku 427, aby zapoczątkowac dynastię, która rządziła miastem Copàn przez cztery wieki. Pochodzenie Yax K’ uk Mo nie było pewne aż do momentu wykonania pomiarów stosunków izotopów ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr  oraz ¹⁸O / ¹⁶O w zębach i kościach jego szczątków. Wiedza ta jest bardzo istotna dla ustalenia rozmiaru wpływów miasta Teotihuacan, największego miasta w prekolumbijskiej dolinie Meksyku. Miasta odległe o setki mil kopiowały styl świątyń i adoptowały tych samych bogów. Artyści z Copàn  przedstawili Yax K’ uk Mo w stroju paradnym z Teotihuacan. Grób Yax K’ uk Mo zawierał jednakże wyroby garncarskie pochodzące także z innych miast Majów, leżących na północ od Copàn.

Analiza stosunków izotopowych strontu i tlenu w szkliwie zębów króla i w jego kościach pozwoliła na wniosek, że Copàn było ostatnim jego domem, dzieciństwo zaś spędził w sercu świata Majów, na północ od Copàn.

Półwysep Jukatan, złożony z osadów morskich, wykazuje łagodną zmianę stosunku ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr w zakresie od 0,7049 do 0,7089. Dolina Mexico zbudowana jest ze  skał wulkanicznych, a zmiany stosunku izotopowego są tam większe. Natomiast w Teotihuacan wartość stosunku jest niższa - 0,7046. Szkliwo zębów stanowi trwałe pokrycie zębiny znajdującej się pod spodem. Jedno i drugie zawiera wapń, którego utworzenie się w materiale jest różne.  Szkliwo mineralizuje się podczas wzrostu zębów w dzieciństwie, natomiast zębina, jako kość, tworzy się w sposób ciągły w trakcie życia. Stront, chemicznie bliski wapniowi, absorbowany jest wraz z pożywieniem, a stosunek ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr odzwierciedla naturę lokalnej gleby.

Z tego względu szkliwo zębów człowieka nosi sygnaturę jedzenia i wody kraju jego wczesnego dzieciństwa, natomiast stosunki izotopowe w zębinie odzwierciedlają późniejsze miejsca przebywania człowieka. W wypadku Yax K’ uk Mo otrzymany stosunek ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr wynosi 0,7084 i jest nieznacznie większy od wartości lokalnej dla Tikal, na północ od Copàn.

Izotopy tlenu (stosunek ¹⁸O / ¹⁶O) stanowią inny znacznik wnikający w nasze ciało wraz z dostarczaniem mu wody m.in. deszczu. Deszcz z chmur w pobliżu oceanu jest bogatszy w ¹⁸O (w porównaniu z ¹⁶O) niż deszcz z chmur znajdujących się w głębi lądu.

Źródła

• Cent ans après: La radioactivité, le rayonnement d’une découverte. , Wyd. : R.Bimbot, A. Bonnin, R. Deloche i C. Lapeyre, EDP Sciences, 1999
• NuPECC June 2002: Nuclear Science in Europe: Impact, Applications, Interactions, Contract C E C N° HPRI-CT-1999-40004
• The Eurisol report, December 2003, EC Contract HPRI-CT-1999-50001
• Ion Beam study of art and archaeological objects; Wyd.: G. Demortier i A. Adriaens, COST G1 action, European Community, Eur19218, 2000.
• Physics Today (January 2004, str. 20 - February 2004, str. 31)

Podziękowania

Niniejszym wyrażam podziękowania wydawcom publikacji, z których korzystałam w moim opracowaniu, jak również wszystkim autorom, którzy tworzyli te publikacje dzięki pracy badawczej w dziedzinie zastosowań metod jądrowych w sztuce i archeologii.

W szczególności dziękuję Profesorowi G.Demortier'owi z LARN, Namur, Belgia.