23 — 27 сентября 2024 г. в Университете Салерно (г. Лечче, южная Италия) прошла 4-я международная конференция «Радиоуглерод в природной среде» (Radiocarbon in the Environment), в которой приняли участие 150 исследователей из 20 стран мира.
Совещания по направлению «Радиоуглерод в природной среде» проводятся один раз в три года; данное мероприятие было уже четвертым, начиная с 2014 г. Конференция посвящена различным аспектам применения радиоуглеродного (14С) метода в современной науке — от изучения изменений природной среды в прошлом до анализа выбросов загрязняющих газов в атмосферу и криминалистики.
Поскольку 4-я конференция проводилась в Италии, было неудивительно, что все началось ... с небольшого концерта молодого пианиста Франческо Марра, который виртуозно исполнил (безо всяких нот!) отрывки из произведений Мендельсона, Шопена, Шумана и Прокофьева. Этот 11-летний подросток является победителем ряда международных конкурсов, и его выступление задало тон всего совещания. Место его проведения тоже было в некотором смысле необычным — заседания в г. Лечче (область Апулия, на кончике шпоры итальянского «сапога» на самом юге страны, между Адриатическим и Ионийским морями) проходили в главном зале замка Карла V, императора Священной Римской империи (XVI век) (фото 1–3).
Фото 1. Эмблема 4-й конференции «Радиоуглерод в природной среде»
Фото 2. Зал заседаний конференции в замке Карла V
Фото 3. Раскопки во дворе замка Карла V
Организатором конференции выступил Центр прикладной физики, датирования и диагностики (Centro di Fisica applicata, Datazione e Diagnostica; CEDAD) Университета Саленто. CEDAD, основанный в 2000 г., был первым в Италии центром 14С датирования методом ускорительной масс-спектрометрии (Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Здесь используются химические, ядерные и оптические технологии для изучения и оценки культурного наследия, мониторинга окружающей среды, материаловедения и разработки диагностических методов в биомедицине. В CEDAD можно проводить ионно-лучевой анализ материалов с помощью целого ряда методов: ускорительной масс-спектрометрии, протон-индуцированной рентгеновской эмиссии (PIXE), протон-индуцированной гамма-эмиссии (PIGE), спектрометрии обратного рассеяния Резерфорда (RBS), изотопной масс-спектрометрии (IRMS), рентгеновской флуоресценции (XRF), сканирующей электронной микроскопии (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), рамановской спектроскопии, рентгеновской дифракции (XRD), а также анализ 2-D и 3-D изображений. Сотрудники CEDAD работают в таких областях науки, как прикладная физика, археология, биология, науки об окружающей среде, геология, материаловедение и инженерия и криминалистика.
Всего на совещание собралось около 150 участников из 20 стран Европы, Азии и Америки, а также Австралии; было представлено 63 секционных сообщения и продемонстрирован 71 постер. Главными направлениями конференции были следующие: 1) изучение изменений природной среды за последние 50 тыс. лет с помощью 14С метода; 2) определение выбросов углекислого газа и метана в атмосферу от промышленных и природных объектов; 3) применение изотопных методов для изучения диеты и мобильности древнего населения; 4) исследования «эффекта резервуара» при 14С датировании морских организмов; 5) определения динамики «бомбового» радиоуглерода в атмосфере; 6) новые изотопы и методы в ускорительной масс-спектрометрии.
Конференция открылась лекцией ветерана радиоуглеродных исследований Вальтера Кучеры (г. Вена, Австрия), который напомнил о пионерах изотопных исследований в 1930-х — 1960-х гг. Докладчик подчеркнул, что из 118 известных на сегодня химических элементов, 80 — стабильные, а 38 — радиоактивные. У всех этих элементов есть 246 стабильных и 3303 радиоактивных изотопа, так что изотопный «парк» насчитывает 3349 наименования, и у исследователей все еще есть масса возможностей применить на практике измерения «новых» изотопов.
Из докладов конференции можно выделить следующие. Л. Волкер (г. Цюрих, Швейцария) представил результаты 14С датирования длинных дендрошкал Европы с разрешающей способностью 1 год. В 1970-х — 1990-х гг. при создании калибровочных кривых для перевода 14С возраста в календарный проводилось датирование блоками по 20 годичных колец. Более детальная кривая соотношения календарного и 14С возрастов дает возможность привязать некоторые события к абсолютной шкале времени с точностью до 1 года, что ранее было невозможно. Сегодня в распоряжении ученых имеются годичные определения 14С в древесных кольцах за последние 6000 лет, и работа продолжается!
Мое сообщение было посвящено пространственно-временным закономерностям существования и вымирания шерстистого мамонта в Сибири за последние 50 тыс. лет. На основе базы данных из 950 радиоуглеродных дат костей, зубов и бивней мамонта в Сибири было получено пространственно-временнóе распределение этого вида вымерших млекопитающих. Мамонты обитали на всей территории Сибири до 12 000 лет назад, после этого — преимущественно в Арктике, хотя до 10 700 лет назад существовали редкие рефугиумы («убежища») к югу от 60 градуса северной широты. Последние мамонты на крайнем севере материковой Сибири вымерли около 9700 лет назад, а на острове Врангеля — около 3700 лет назад. Связь между динамикой популяции мамонтов за последние 50 тыс. лет и климатическими колебаниями была сложной и нелинейной. В более теплые интервалы (межстадиальные периоды) численность мамонтов была, как правило, больше, чем в более холодные времена (стадиальные периоды), хотя разница часто незначительна.
И. Хайдас (г. Цюрих) представила результаты измерения активности 14С в листьях деревьев, собранных школьниками в парках Цюриха в 2016–2022 гг. Поскольку в результате ядерных испытаний в атмосфере в 1950-х — начале 1960-х гг. образовалось большое количество «дополнительного» изотопа 14С, фоновая активность 14С в 1964 г. в два раза превышала «естественный» фон в атмосфере. Однако «нет худа без добра»: содержание «лишнего» 14С после 1964 г. стало постепенно уменьшаться; зная активность образца, возникшего после 1964 г., можно установить его возраст с точностью до нескольких лет. Этот эффект часто используется криминалистами при находке останков людей, чей возраст является достаточно «молодым». В настоящее время фон 14С постепенно приближается к нормальному, характерному для периода до 1955 г.
Одним из примеров применения «после-бомбового» 14С анализа является проверка на подлинность предполагаемой картины Казимира Малевича «Черный квадрат, красный квадрат», созданной в 1915 году. Эта картина, хранящаяся в одном из крупнейших культурных учреждений Германии — Художественном собрании Северного Рейна-Вестфалии в г. Дюссельдорфе — была подарена музею немецким бизнесменом Вильгельмом Хаком; стоимость произведения оценивалась в 50 млн. евро. После 14С анализа, проведенного в 2017 г., выяснилось, что это подделка, сделанная в 1970-х годах, поскольку в картине изотоп 14С присутствует в слишком большом количестве, что противоречит «до-бомбовому» фону 14С начала XX века.
Доклад В. Чжанга (г. Хефей, Китай) касался перспектив использования изотопа 41Ca для датирования различных материалов, содержащих кальций (граниты; кости и зубы животных; морская вода и организмы типа кораллов и фораминифер). Хотя о возможности датирования с помощью 41Ca было известно еще в 1980-х гг., из-за технических проблем с измерением его количества работы не получили продолжения. Период полураспада 41Ca — около 100 тыс. лет; с его помощью можно датировать объекты возрастом от 20 до 500 тыс. лет, что весьма важно, поскольку для материалов древнее 50 тыс. лет известно всего несколько изотопных методов определения возраста. Главная проблема состоит в измерении содержания 41Ca, которое составляет всего 10-15 — 10-17 % от других изотопов кальция. Для получения данных о концентрации 41Ca используется методика с применением лазера.
М. Молнар (г. Дебрецен, Венгрия) поделился результатами измерений изотопа 14С в метане — втором по распространенности парниковом газе в атмосфере, доля которого составляет 17 %. Основным источником метана являются промышленность и земледелие; со времени начала индустриальной эпохи (конец XVIII в.) его количество в воздухе увеличилось почти в 3 раза. Для измерения содержания 14С в метане используется ускорительная масс-спектрометрия, размер пробы — 20 литров воздуха. Из нее получается всего около 50–100 микрограммов (0.05–0.1 миллиграмма) углекислого газа, и этого достаточно для получения надежных данных. Поскольку в метане, выбрасываемом промышленностью и автомобилями, нет изотопа 14С (источник этого метана — нефть с возрастом в несколько десятков и сотен миллионов лет), можно легко отличить «ископаемый» метан от газа, производимого растениями и продуктами их разложения.
Э. Смит (г. Сидней, Австралия) представил обзор работы центра ANTARES (часть Австралийской организации ядерной науки и технологий), в котором находится мощный ускорительный масс-спектрометр (рабочее напряжение — 10 млн. электрон-вольт). С его помощью можно определять содержание 14С в образцах весом не более 50–100 микрограммов. ANTARES на протяжении последних десятилетий занимался изучением 14С и метана в ледяных кернах Антарктиды для лучшего понимания глобальных изменений климата.
Что касается развития аппаратуры для ускорительной масс-спектрометрии, в настоящее время компанией Ionplus (г. Цюрих) начато производство малой машины LEA (Low Energy AMS) для измерения содержания изотопа 14С. Рабочее напряжение — всего 50 тыс. электрон-вольт; размеры — 3 × 2.2 × 1.5 м; вес — 3000 кг; предел измерения изотопа 14С — около 53–54 тыс. лет. Существует возможность измерения 14С не в форме графита (как в большинстве AMS лабораторий), а непосредственно в углекислом газе как носителе углерода (включая изотоп 14С), что делает минимальный размер образцов очень небольшим — до 150 микрограммов, т.е. 0.15 миллиграмма, и даже меньше. Это в настоящее время необходимо для измерения содержания 14С в выхлопных газах автомобилей и выбросах атомных электростанций.
Участники конференции посетили лабораторию CEDAD, где находится ускорительный масс-спектрометр с рабочим напряжением 3 млн. электрон-вольт (фото 4). Он позволяет измерять содержание многих изотопов (таких, как 10Be, 26Al, 36Cl, 129I и др.), количество которых в природе крайне невелико, до 10-10 % и даже ниже (для 14С — 1 атом на 10 миллиардов атомов изотопов 12С и 13С). Кроме детектора изотопа 14С, в установке CEDAD есть несколько дополнительных линий (фото 5; выделены квадратом на фото 4) для анализа других элементарных частиц. Насколько мне известно, такие установки весьма редки, и в большинстве лабораторий аппаратура способна измерять только количество 14С в образцах. Помимо радиоактивных изотопов, в CEDAD можно определять содержание стабильных изотопов углерода, азота, серы и кислорода для изучения изменений климата и диеты древних людей.
Фото 4. Общий вид аппаратуры лаборатории CEDAD
Фото 5. Линии анализа изотопов и других частиц лаборатории CEDAD
Для участников конференции была проведена вечерняя экскурсия по центру г. Лечче. Он возник еще в римское время и назывался Lupia (Лупия) — от латинского «lupus» (волк). Городской амфитеатр, раскопанный частично (фото 6), был построен в I–II вв. н. э., и имел размеры 102 × 83 м, а арена — 53 × 34 м; вместимость сооружения составляла около 25 000 человек. Символом Лечче является волк, и мозаика герба города выложена на площади (фото 7). У студентов Университета Салерно существует поверье — тот, кто наступит на изображение волка, никогда не закончит учебу ...
Фото 6. Римский амфитеатр в г. Лечче
Фото 7. Герб г. Лечче — волк
К сожалению, я был единственным представителем России на этой конференции. Некоторым сюрпризом стало то, что меня включили в международный оргкомитет мероприятия, что в нынешней сложной геополитической обстановке можно встретить очень редко. Научное сотрудничество, пусть и в сокращенном виде, продолжается!
Ведущий научный сотрудник, доктор географических наук Ярослав Кузьмин