معايرة الكربون المشع

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

معايرة الكربون المشع هي عملية تحويل النسب المئوية لنظائر الكربون الخام إلى تقديرات للعمر الفعلي للعينة. وهذا ضروري بشكل أساسي لأن الكربون المشع في الغلاف الجوي 14ج / 12لم تكن نسبة الكربون ثابتة تاريخياً.

تبدأ العملية بصيغة ثابتة تحول نسبة النظائر إلى عدد من "سنوات الكربون المشع" على افتراض أن نسبة النظائر البيئية كانت دائمًا هي نفسها كما كانت في عام 1950 وأن نصف عمر 14C هو 5568 سنة. [ 1 ] لكي يكون عمر الكربون المشع هو نفسه بغض النظر عن وقت قياسه، يُعطى هذا العمر غير المعاير عادةً بـ " 14 سنة كربون قبل الحاضر"، حيث تعني BP (حرفيًا " قبل الحاضر ") "قبل عام 1950".

تتمثل الخطوة الثانية في تعديل العمر غير المُعاير للحصول على تقدير أكثر دقة للعمر بالسنوات التقويمية. ويأخذ هذا في الاعتبار أن نصف العمر الحقيقي هو 14يبلغ عمر C 5730 عامًا، ويأخذ في الاعتبار أيضًا تغير نسب النظائر البيئية على مر السنين. ويتم التعديل بتطبيق " منحنى معايرة " يُحدَّث دوريًا. وقد حُدِّدت النقاط على المنحنى تجريبيًا بوسائل مثل قياس نسبة النظائر في الخشب الذي حُدِّد عمره بدقة عن طريق عدّ حلقات الأشجار. [ 1 ] ولأن المنحنى ليس رتيبًا ، فقد يكون من الممكن أحيانًا الحصول على أكثر من عمر تقويمي واحد. إضافةً إلى ذلك، فإن عدم اليقين في كلٍّ من قياس النظائر ومنحنى المعايرة يعني أن الأعمار المُعايرة تُذكر على شكل فترات ثقة تتكون من نطاق واحد أو أكثر والاحتمالية المرتبطة به. على سبيل المثال، قد يكون العمر المُعاير "2120-2144 أو 2150-2171 سنة قبل الحاضر بثقة 90%".

تاريخ

أشار ويلارد ليبي ، مخترع التأريخ بالكربون المشع ، في وقت مبكر من عام 1955 إلى احتمال تغير النسبة الجوية بمرور الوقت. وبدأت تظهر اختلافات بين الأعمار المقاسة والتواريخ التاريخية المعروفة للقطع الأثرية، وأصبح من الواضح أنه يجب تطبيق تصحيحات على أعمار الكربون المشع للحصول على تواريخ تقويمية. [ 2 ]

إنشاء منحنى

رسم بياني يوضح خط معايرة من 0 إلى أقل من 50000 سنة
رسم بياني يوضح خط معايرة من 0 إلى أكثر من 50000 سنة
منحنيات نصف الكرة الشمالي مأخوذة من INTCAL13 وINTCAL20. توجد رسوم بيانية منفصلة لنصف الكرة الجنوبي ولمعايرة البيانات البحرية. [ 3 ] [ 4 ]

لإنتاج منحنى يُستخدم لربط السنوات التقويمية بسنوات الكربون المشع، يلزم وجود سلسلة من العينات المؤرخة بدقة، والتي يمكن فحصها لتحديد عمرها بالكربون المشع. وقد أدى علم تحديد أعمار الأشجار ، أو دراسة حلقات الأشجار، إلى أول سلسلة من هذا النوع: إذ تُظهر حلقات الأشجار من قطع الخشب الفردية تسلسلات مميزة من الحلقات تختلف في سمكها تبعًا لعوامل بيئية مثل كمية الأمطار في سنة معينة. تؤثر هذه العوامل على جميع الأشجار في منطقة ما، ولذا فإن فحص تسلسلات حلقات الأشجار من الخشب القديم يسمح بتحديد التسلسلات المتداخلة. وبهذه الطريقة، يمكن تمديد سلسلة متصلة من حلقات الأشجار إلى فترات زمنية بعيدة في الماضي. وقد نُشرت أول سلسلة من هذا النوع، استنادًا إلى حلقات أشجار الصنوبر الشوكي، في ستينيات القرن الماضي على يد ويسلي فيرغسون . [ 5 ] أجرى هانز سويس قياسات الكربون المشع على حلقات أشجار الصنوبر الشوكي لنشر أول منحنى معايرة لتأريخ الكربون المشع في عام 1967. [ 2 ] [ 6 ] [ 7 ] أظهر المنحنى نوعين من التباين عن الخط المستقيم: تذبذب طويل الأمد بفترة تقارب 9000 عام، وتباين قصير الأمد، يُشار إليه غالبًا باسم "التموجات"، بفترة عقود. قال سويس إنه رسم الخط الذي يُظهر التموجات "بالفعل " ، أو يدويًا. لم يكن واضحًا لبعض الوقت ما إذا كانت التموجات حقيقية أم لا، لكنها الآن راسخة. [ 6 ] [ 7 ]

تفترض طريقة المعايرة أيضًا أن التغير الزمني في 14مستوى الكربون عالمي، بحيث يكفي عدد قليل من العينات من سنة معينة للمعايرة، وهو ما تم التحقق منه تجريبياً في الثمانينيات. [ 2 ]

على مدى الثلاثين عامًا التالية، نُشرت العديد من منحنيات المعايرة باستخدام طيف واسع من الأساليب والمناهج الإحصائية. [ 8 ] وقد حلت محلها سلسلة منحنيات INTCAL ، بدءًا من INTCAL98، الذي نُشر عام 1998، وتم تحديثه في أعوام 2004 و2009 و2013 و2020. [ 9 ] وتستند التحسينات التي أُدخلت على هذه المنحنيات إلى بيانات جديدة جُمعت من حلقات الأشجار، والطبقات الرسوبية ، والشعاب المرجانية، ودراسات أخرى. وتشمل الإضافات الهامة لمجموعات البيانات المستخدمة في INTCAL13 بيانات المنخربات البحرية غير الطبقية، والرواسب الكهفية المؤرخة باستخدام اليورانيوم-الثوريوم . وتتضمن بيانات INTCAL13 منحنيات منفصلة لنصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي، نظرًا لاختلافهما المنهجي بسبب تأثير نصف الكرة الأرضية. [ 10 ] كما يوجد منحنى معايرة بحري منفصل، نظرًا لاختلاف تركيزات الكربون المشع بين المحيط والغلاف الجوي. [ 11 ] يُعرف منحنى المعايرة لنصف الكرة الجنوبي باسم SHCal، على عكس IntCal لنصف الكرة الشمالي؛ وقد نُشرت أحدث نسخة منه في عام 2020. يوجد أيضًا منحنى للفترة التي تلت عام 1955، حيث تم تضخيم مستويات الكربون المشع بشكل مصطنع بسبب تجارب القنابل الذرية، ويختلف هذا المنحنى باختلاف خط العرض، ويُعرف باسم Bomb Cal. [ 12 ]

طُرق

احتمالي

مخرجات برنامج CALIB لقيم الإدخال من 1260 إلى 1280 سنة قبل الحاضر، باستخدام منحنى INTCAL13 لنصف الكرة الشمالي

تعتمد أساليب المعايرة الحديثة على التوزيع الطبيعي الأصلي لنطاقات أعمار الكربون المشع، وتستخدمه لإنشاء مدرج تكراري يوضح الاحتمالات النسبية للأعمار التقويمية. ويُجرى ذلك باستخدام أساليب عددية بدلاً من صيغة رياضية، لأن منحنى المعايرة لا يمكن وصفه بصيغة رياضية. [ 8 ] وتشمل البرامج المستخدمة لإجراء هذه الحسابات OxCal وCALIB. ويمكن الوصول إلى هذه البرامج عبر الإنترنت؛ حيث تتيح للمستخدم إدخال نطاق زمني بثقة انحراف معياري واحد لأعمار الكربون المشع، واختيار منحنى معايرة، وإنتاج مخرجات احتمالية في شكل بيانات جدولية ورسوم بيانية. [ 13 ] [ 14 ]

في مثال مخرجات برنامج CALIB الموضح على اليسار، تبلغ بيانات الإدخال 1270 سنة قبل الحاضر، بانحراف معياري قدره 10 سنوات كربونية مشعة. المنحنى المُختار هو منحنى INTCAL13 لنصف الكرة الشمالي، ويظهر جزء منه في المخرجات؛ ويتوافق العرض الرأسي للمنحنى مع عرض الخطأ المعياري في منحنى المعايرة عند تلك النقطة. يظهر التوزيع الطبيعي على اليسار؛ وهذه هي بيانات الإدخال، مُقاسةً بالسنوات الكربونية المشعة. يُمثل الجزء المركزي الداكن من منحنى التوزيع الطبيعي النطاق ضمن انحراف معياري واحد عن المتوسط؛ بينما تُظهر المنطقة الرمادية الفاتحة النطاق ضمن انحرافين معياريين عن المتوسط. تقع المخرجات على طول المحور السفلي؛ وهي عبارة عن رسم بياني ثلاثي الأنماط، بقمم عند حوالي 710 و740 و760 ميلادي. مرة أخرى، تظهر نطاقات الثقة 1σ باللون الرمادي الداكن، ونطاقات الثقة 2σ باللون الرمادي الفاتح. [ 14 ]

الاعتقال

قبل أن يصبح التوافر الواسع لأجهزة الكمبيوتر الشخصية يجعل المعايرة الاحتمالية عملية عملية، تم استخدام طريقة "التقاطع" الأبسط.

جزء من منحنى معايرة INTCAL13، يوضح الطرق الصحيحة (t 1 ) وغير الصحيحة (t 2 ) لتحديد نطاق السنة التقويمية من منحنى معايرة مع خطأ معين [ 3 ].

بعد أن يُنتج الاختبار عمرًا للعينة بالسنوات الكربونية المشعة مع هامش خطأ مصاحب يبلغ انحرافًا معياريًا واحدًا زائدًا أو ناقصًا (يُكتب عادةً ±σ)، يُمكن استخدام منحنى المعايرة لاستخلاص نطاق من الأعمار التقويمية للعينة. يحتوي منحنى المعايرة نفسه على حد خطأ مصاحب، يُمكن رؤيته في الرسم البياني المُسمى "خطأ المعايرة وخطأ القياس". يُظهر هذا الرسم البياني بيانات INTCAL13 للسنوات التقويمية من 3100 إلى 3500 قبل الحاضر. الخط المتصل هو منحنى معايرة INTCAL13، والخطوط المتقطعة تُظهر نطاق الخطأ المعياري، وكما هو الحال مع خطأ العينة، فإن هذا النطاق هو انحراف معياري واحد. إن قراءة نطاق السنوات الكربونية المشعة مقابل الخطوط المتقطعة، كما هو موضح للعينة t2 باللون الأحمر، تُعطي نطاقًا كبيرًا جدًا من السنوات التقويمية. يجب أن يكون حد الخطأ هو الجذر التربيعي لمجموع مربعي الخطأين: [ 15 ]

σالمجموع=σعينة2+σمعايرة2{\displaystyle \sigma _{\text{total}}={\sqrt {\sigma _{\text{sample}}^{2}+\sigma _{\text{calib}}^{2}}}}

يوضح المثال t 1 ، باللون الأخضر على الرسم البياني، هذه العملية - حيث يتم استخدام حد الخطأ الناتج، σ total ، للمدى، ويتم استخدام هذا المدى لقراءة النتيجة مباشرة من الرسم البياني نفسه دون الرجوع إلى الخطوط التي توضح خطأ المعايرة. [ 15 ]

يمكن أن تعطي تواريخ الكربون المشع المختلفة، ذات الأخطاء المعيارية المماثلة، نطاقات سنوات تقويمية مختلفة على نطاق واسع، اعتمادًا على شكل منحنى المعايرة عند كل نقطة.

قد تؤدي الاختلافات في منحنى المعايرة إلى نطاقات سنوات تقويمية مختلفة تمامًا للعينات ذات أعمار الكربون المشع المختلفة. يوضح الرسم البياني على اليمين جزءًا من منحنى معايرة INTCAL13 من 1000 إلى 1400 سنة قبل الحاضر، وهو نطاق يشهد انحرافات كبيرة عن العلاقة الخطية بين عمر الكربون المشع والعمر التقويمي. في المواضع التي يكون فيها منحنى المعايرة حادًا ولا يغير اتجاهه، كما في المثال t 1 باللون الأزرق على الرسم البياني على اليمين، يكون نطاق السنة التقويمية الناتج ضيقًا جدًا. عندما يتغير المنحنى بشكل ملحوظ صعودًا وهبوطًا، قد ينتج عن نطاق تاريخ واحد للكربون المشع نطاقان أو أكثر من نطاقات السنوات التقويمية المنفصلة. يوضح المثال t 2 ، باللون الأحمر على الرسم البياني، هذه الحالة: يتحول نطاق عمر الكربون المشع من حوالي 1260 إلى 1280 سنة قبل الحاضر إلى ثلاثة نطاقات منفصلة بين حوالي 1190 و1260 سنة قبل الحاضر. الاحتمال الثالث هو أن يكون المنحنى مسطحًا لنطاق معين من التواريخ التقويمية. في هذه الحالة، كما هو موضح في الشكل t 3 باللون الأخضر على الرسم البياني، ينتج عن نطاق يبلغ حوالي 30 سنة من الكربون المشع، من 1180 سنة قبل الحاضر إلى 1210 سنة قبل الحاضر، نطاق سنة تقويمية يبلغ حوالي قرن، من 1080 سنة قبل الحاضر إلى 1180 سنة قبل الحاضر. [ 8 ]

تعتمد طريقة التقاطع فقط على موقع نقاط التقاطع على الرسم البياني. وتُعتبر هذه النقاط حدود نطاق الثقة بنسبة 68%، أو انحرافًا معياريًا واحدًا. مع ذلك، لا تستخدم هذه الطريقة افتراض أن نطاق عمر الكربون المشع الأصلي متغير ذو توزيع طبيعي: فليست كل التواريخ في نطاق عمر الكربون المشع متساوية الاحتمالية، وبالتالي ليست كل التواريخ في عمر السنة التقويمية الناتج متساوية الاحتمالية. ولا يأخذ اشتقاق نطاق السنة التقويمية باستخدام نقاط التقاطع هذا الأمر في الحسبان. [ 8 ]

مطابقة التذبذب

بالنسبة لمجموعة من العينات ذات تسلسل معروف وفواصل زمنية محددة، مثل سلسلة حلقات الأشجار، تُشكّل أعمار الكربون المشع للعينات جزءًا صغيرًا من منحنى المعايرة. ويمكن بعد ذلك مطابقة المنحنى الناتج مع منحنى المعايرة الفعلي بتحديد المواضع، ضمن النطاق الذي تشير إليه تواريخ الكربون المشع، التي تتطابق فيها التذبذبات في منحنى المعايرة مع التذبذبات في منحنى تواريخ العينات. تُتيح تقنية "مطابقة التذبذبات" هذه تحديد أدقّ للتاريخ مقارنةً بما يُمكن تحقيقه باستخدام تواريخ الكربون المشع الفردية. [ 16 ] ونظرًا لأن نقاط البيانات على منحنى المعايرة تفصل بينها خمس سنوات أو أكثر، ولأن المطابقة تتطلب خمس نقاط على الأقل، فلا بد من وجود بيانات حلقات الأشجار (أو ما شابهها) على مدى 25 عامًا على الأقل لإتمام هذه المطابقة. يُمكن استخدام مطابقة التذبذبات في المواضع التي يوجد فيها استقرار على منحنى المعايرة، وبالتالي يُمكنها توفير تاريخ أكثر دقة بكثير مما تُنتجه طرق التقاطع أو الاحتمالية. [ 17 ] ولا تقتصر هذه التقنية على حلقات الأشجار فقط؛ على سبيل المثال، تم تحديد تاريخ تسلسل طبقات الرماد البركاني في نيوزيلندا، والمعروف أنه يسبق استيطان البشر للجزر، إلى عام 1314  ميلادي ± 12 عامًا عن طريق مطابقة التذبذب. [ 18 ]

مجموعة من التواريخ المعايرة

عند الحصول على عدة تواريخ بالكربون المشع لعينات معروفة أو يُشتبه في أنها من نفس الجسم، قد يكون من الممكن دمج القياسات للحصول على تاريخ أكثر دقة. ما لم تكن العينات من نفس العمر قطعًا (على سبيل المثال، إذا تم أخذهما فعليًا من قطعة واحدة)، يجب تطبيق اختبار إحصائي لتحديد ما إذا كانت التواريخ مستمدة من نفس الجسم. يتم ذلك بحساب حد خطأ مُجمّع لتواريخ الكربون المشع للعينات المعنية، ثم حساب متوسط ​​العمر المُجمّع. بعد ذلك، يمكن تطبيق اختبار T لتحديد ما إذا كانت العينات لها نفس المتوسط ​​الحقيقي. بمجرد الانتهاء من ذلك، يمكن حساب خطأ متوسط ​​العمر المُجمّع، مما يُعطي إجابة نهائية لتاريخ واحد ونطاق، مع توزيع احتمالي أضيق (أي دقة أكبر) نتيجة للقياسات المُجمّعة. [ 19 ]

يمكن تطبيق الأساليب الإحصائية البايزية عند الحاجة إلى معايرة عدة تواريخ كربون مشع. على سبيل المثال، إذا تم أخذ سلسلة من تواريخ الكربون المشع من مستويات مختلفة في تسلسل طبقي معين، فإن التحليل البايزي يساعد في تحديد ما إذا كان ينبغي استبعاد بعض التواريخ باعتبارها شاذة، ويمكن استخدام هذه المعلومات لتحسين توزيعات الاحتمالية الناتجة. [ 16 ]

مراجع

  1. 1 2 وحدة مسرع الكربون المشع في أكسفورد. "معايرة الكربون المشع" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يوليو 2025 .
  2. 1 2 3 أيتكن (1990)، ص. 66 – 67.
  3. 1 2 ريمر، باولا ج .؛ وآخرون (2013). "منحنيات معايرة أعمار الكربون المشع IntCal13 وMarine13 من 0 إلى 50000 سنة قبل الحاضر" . Radiocarbon . 55 (4): 1869-1887 . Bibcode : 2013Radcb..55.1869R . doi : 10.2458/azu_js_rc.55.16947 . hdl : 10289/8955 . 
  4. ↑ هيتون، تيموثي جيه؛ بلاو، مارتن؛ بلاكويل، بول جي؛ رامزي، كريستوفر برونك؛ رايمر، بولا جيه؛ سكوت، إي. ماريان (أغسطس 2020). "نهج IntCal20 لبناء منحنى معايرة الكربون المشع: منهجية جديدة باستخدام دوال بايزية مجزأة وأخطاء في المتغيرات" . راديوكربون . 62 (4): 821-863 . Bibcode : 2020Radcb..62..821H . doi : 10.1017/RDC.2020.46 . ISSN 0033-8222 . 
  5. ↑ تايلور (1987)، ص 19 – 21.
  6. 1 2 بومان (1995)، ص 16-20.
  7. 1 2 Suess (1970), ص. 303.
  8. 1 2 3 4 بومان (1995)، ص 43-49.
  9. ↑ رايمر، باولا جيه (2020). "منحنى معايرة عمر الكربون المشع في نصف الكرة الشمالي IntCal20 (0-55 ألف سنة قبل الحاضر)" . Radiocarbon . 62 (4): 725-757 . Bibcode : 2020Radcb..62..725R . doi : 10.1017/RDC.2020.41 . hdl : 11585/770531 .
  10. ↑ ستويفر، م.؛ برازيوناس، ت. ف. (1993). "نمذجة الغلاف الجوي 14تأثيرات C و 14تحديد أعمار عينات بحرية باستخدام الكربون المشع حتى 10000 قبل الميلاد . Radiocarbon . 35 (1): 137–189 . doi : 10.1017/S0033822200013874 .
  11. ^ هيتون، تيموثي ج. كولر، بيتر. بوتزين، مارتن؛ بارد، إدوارد. رايمر، رون دبليو. أوستن، وليام إن. رامزي، كريستوفر برونك؛ جروتس، بيتر م.؛ هيوجن، كونراد A .؛ كرومر، بيرند؛ رايمر، باولا J .؛ أدكينز، جيس. بيرك، أندريا؛ كوك، ميا س.؛ أولسن ، يسبر (2020). "Marine20 - منحنى معايرة عمر الكربون المشع البحري (0-55000 سعر حراري)" . الكربون المشع . 62 (4): 779– 820. بيب كود : 2020Radcb..62..779H . دوى : 10.1017/RDC.2020.68 . اتش دي ال : 1912/26513 . ISSN 0033-8222 . 
  12. ↑ "مناقشة: الإبلاغ عن بيانات الكربون المشع 14 ومعايرتها بعد القنبلة" . Radiocarbon . 46 (3): 1299–1304 . 2004. Bibcode : 2004Radcb..46.1299 . doi : 10.1017/S0033822200033154 . ISSN 0033-8222 . 
  13. ↑ "أوكسكال" . وحدة مسرع الكربون المشع في أكسفورد . جامعة أكسفورد. 23 مايو 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يونيو 2014 .
  14. 1 2 ستويفر، م.؛ رايمر، ب. ج. رايمر؛ رايمر، ر. (2013). "معايرة الكربون المشع CALIB" . برنامج معايرة الكربون المشع CALIB 14C . جامعة كوينز، بلفاست . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يونيو 2014 .
  15. 1 2 أيتكن (1990)، ص. 101.
  16. 1 2 ووكر (2005)، ص 35-37.
  17. ↑ أيتكن (1990)، ص 103-105.
  18. ↑ ووكر (2005)، ص 207-209.
  19. ↑ جيليسبي (1986)، ص 30-32.

فهرس

  • أيتكن، إم جيه (1990). التأريخ العلمي في علم الآثار . لندن: لونغمان. ISBN 978-0-582-49309-4.
  • باومان، شيريدان (1995) [1990]. التأريخ بالكربون المشع . لندن: مطبعة المتحف البريطاني. ISBN 978-0-7141-2047-8.
  • جيليسبي، ريتشارد (1986) [مع تصحيحات من الطبعة الأصلية لعام 1984]. دليل مستخدم التأريخ بالكربون المشع . أكسفورد: لجنة جامعة أكسفورد لعلم الآثار. ISBN 978-0-947816-03-2.
  • سويس، هـ. إي. (1970). "معايرة الصنوبر الشوكي للمقياس الزمني للكربون المشع من 5200 قبل الميلاد إلى الوقت الحاضر". في: أولسون، إنغريد يو. (محرر). تغيرات الكربون المشع والتسلسل الزمني المطلق . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ص 303-311 . 
  • تايلور، ر. إي. (1987). التأريخ بالكربون المشع . لندن: أكاديميك برس. ISBN 978-0-12-433663-6.
  • ووكر، مايك (2005). طرق التأريخ الرباعي (ملف PDF) . تشيتشستر: جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-470-86927-7أُرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 14 يوليو 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يوليو 2014 .

شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بمعايرة تواريخ الكربون المشع على ويكيميديا ​​كومنز