Emisje CO2 a kryminalistyka – kłopoty z datowaniem radiowęglowym

Zmasowane emisje dwutlenku węgla związane ze spalaniem paliw kopalnych powodują, że datowanie dawnych materiałów organicznych (czyli ustalanie ich wieku na podstawie zawartości węgla ¹⁴C) będzie coraz trudniejsze. To zła wiadomość nie tylko dla archeologów, ale też ekspertów badających dzieła sztuki czy kryminologów ustalających wiek zwłok, dla których datowanie radiowęglowe to podstawa.

Metoda datowania radiowęglowego pozwala na określanie wieku pozostałości organicznych za pomocą pomiarów ilości radioaktywnego izotopu węgla ¹⁴C w badanym materiale. Żywy organizm buduje swoje tkanki, pobierając węgiel z otoczenia (czy to poprzez fotosyntezę, czy w formie zjadanego pokarmu, patrz Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe), a stężenie ¹⁴C w stosunku do stabilnych izotopów węgla ¹²C i ¹³C w budowanych tkankach jest takie, jak w atmosferze. Sytuacja zmienia się, gdy organizm umiera – znajdujący się w tkankach (tudzież w tym, czym się stały, na przykład deskach skrzyni lub winie) radioaktywny ¹⁴C stopniowo rozpada się, przez co jego ilość co 5740 lat maleje o połowę.

Gdy w 1949 roku naukowcy odkryli, że badając zawartość atomów ¹⁴C w pozostałościach żywych organizmów można je datować (czyli określać, kiedy obumarły), nastąpił przełom w archeologii. Metoda ta ma oczywiście swoje ograniczenia. Po pierwsze nie pozwala datować obiektów starszych niż 60 tys. lat, ponieważ po takim czasie ilość atomów ¹⁴C spada do tak małego poziomu, że nie daje się go już wykryć. Po drugie, w tym okresie występowały fluktuacje składu atmosfery, co wymaga starannej kalibracji (dopracowania procedur pozwalających na przeliczanie zawartości atomów węgla w próbce na czas powstania tworzących ją materiałów). Po trzecie zaś, rozpad przebiega na tyle powoli, że dokładność datowania obiektów historycznych jest na poziomie kilku dekad lub nawet stuleci.

Datowanie węglowe a próby jądrowe

Na pierwsze duże zaburzenie ilości węgla ¹⁴C nie trzeba było czekać zbyt długo od opracowania metody. W latach 50. i 60. XX wieku, liczne eksplozje bomb termojądrowych na powierzchni Ziemi wprowadziły do atmosfery tak dużo radioaktywnego ¹⁴C, że jego względna koncentracja w stosunku do całości atomów węgla w atmosferze wzrosła aż o 70% (700 promili).

To, że względna koncentracja ¹⁴C/C w atmosferze mierzalnie zmieniała się z roku na rok, umożliwiło bardzo precyzyjne datowanie obiektów z tego okresu, takich jak np. guzy nowotworowe czy farby w fałszowanych obrazach starych mistrzów. Dzięki temu datowanie radiowęglowe rozpowszechniło się też poza archeologią, m.in. w medycynie czy kryminalistyce.

Nowe zaburzenie – emisje ze spalania paliw

Jednak od czasu zakończenia naziemnych testów jądrowych w czasach zimnej wojny, dominujące znaczenie dla  względnej koncentracji atomów izotopu ¹⁴C/C w atmosferze zaczął zyskiwać czynnik powodujący jej silny spadek: coraz szybsze spalanie paliw kopalnych. Złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego powstały z materii organicznej wiele milionów lat temu, przez co obecne w nich początkowo atomy ¹⁴C dawno się już rozpadły. Spalając paliwa kopalne i wpuszczając spaliny z kominów oraz rur wydechowych do atmosfery, wprowadzamy do niej CO₂ pozbawiony ¹⁴C, w rezultacie czego jego względna koncentracja w atmosferze coraz bardziej spada (patrz: ramka).

Jak pokazują dane pomiarowe (ilustracja 2), stężenie to w stacjach pomiarowych na półkuli północnej (gdzie ma miejsce lwia część emisji CO₂), już spadło do poziomu z lat 1950; na stacjach położonych na półkuli południowej, gdzie ze względu na ograniczone mieszanie powietrza między półkulami spadek stężenia ¹⁴C następuje z lekkim opóźnieniem, nastąpi to zaś w przeciągu roku. W rezultacie  emisje wynikające ze spalania paliw kopalnych w pełni zniwelowały pik (szczyt, widoczne na wykresie maksimum) stworzony przez eksplozje nuklearne. Inaczej mówiąc, wino z tegorocznych zbiorów będzie mieć taki sam poziom radioaktywności, jak to z rocznika 1950 (a biorąc pod uwagę powolny rozpad ¹⁴C i nieprecyzyjność pomiaru ¹⁴C, wina produkowane w najbliższych latach będą – pod względem poziomu radioaktywności – już nieodróżnialne od win zrobionych w ostatnich stuleciach).

Dalsze spalanie paliw kopalnych będzie prowadzić do jeszcze głębszego spadku koncentracji ¹⁴C w atmosferze, do poziomów charakterystycznych dla coraz bardziej odległych epok z przeszłości. Jak zauważają autorzy Graven, Keeling i Xu (2022), do ok. 2050 r. (zależnie od trajektorii przyszłych emisji CO₂), nowe przedmioty będą miały taki poziom radioaktywności ¹⁴C, jak te ze średniowiecza, tak więc użyteczność datowania radiowęglowego ulegnie mocnemu ograniczeniu.

Marcin Popkiewicz

Konsultacja merytoryczna: prof. Tomasz Goslar