リチャード・モーランによるまとめ
放射性炭素とは
約75年前、シカゴ大学化学教授のウィリアド F. リビーは、炭素14として知られる放射性同位体が自然界に存在すると予言しました。 炭素は、水素と一緒にすべての有機化合物に含まれる、生命の基礎となる物質である。 リビーは数人の共同研究者とともに、ボルチモア下水道のメタンから放射性炭素の放射能を検出し、放射性炭素が自然に存在することを証明した。 一方、石油製品から作られたメタンには、測定可能な放射能はありませんでした。
この発見により、自然界に存在する炭素の同位体は3つであることが判明しました。
- carbon-12 (c12) は炭素原子の99%
- carbon-13 (c13) は炭素原子の約1%
- carbon-14 (c14) は1兆分の1の炭素原子
12 と 13 は安定同位体だが、14 は不安定または放射性同位体である。
放射性炭素年代測定法とは
炭素14は、宇宙線が窒素原子に衝突した際に、大気圏上層部で生成されます。 この時、原子間の相互作用により炭素14が生成され、大気中に拡散していきます。 植物は光合成によって他の炭素同位体とともに大気中に存在する割合でc14を取り込み、動物はその植物（または他の動物）を食べることによってc14を獲得します。 生物の一生において、組織中のc14の量は、（放射性崩壊による）損失と（光合成による取り込みや有機固定炭素の消費による）獲得が釣り合っているため、平衡状態に保たれている。 しかし、生物が死ぬとc14の量は減少し、死後時間が経つほど有機組織中のc14の濃度は低くなる。 8008>
放射性物質の崩壊速度の測定は半減期と呼ばれ、試料の半分が崩壊するのにかかる時間として知られている。 リビーはc14の半減期を5568±30年と計算した。 これは、ある生物が死んでから5568年経つまでにc14の半分が崩壊し、死後11136年経つまでに残りの半分が崩壊する、といった意味である。 このように、崩壊によってレベルが低下するため、c14を使った時間の推定は約5万年が有効な限界となる。 この時期を過ぎると、c14はほとんど残らない。 その後の研究により、放射性炭素の半減期は5730±40年であり、Libbyの半減期と比較すると3%の差があることがわかりました。 しかし、混乱を避けるため、すべての放射性炭素研究所ではLibbyが計算した半減期を使用しており、時には5570年に丸めることもあります。 現代のAMS(加速器質量分析)法では50mg程度の微量な試料が必要です。 AMSの技術により、以前は不可能だった非常に小さなサンプル(種子など)の年代測定が可能になりました。 この方法の年代測定範囲には実用上の限界があるため、ほとんどのサンプルは5万年よりも若く、100年よりも古いものでなければなりません。 ほとんどの試料は、その純度を確保するため、あるいは物質の特定の成分を回収するために化学的な前処理を必要とします。 前処理の目的は、分析される炭素が年代測定に提出された試料に由来するものであることを確認することです。 前処理は、不正確な年代をもたらす可能性のある汚染された炭素を試料から取り除くことを目的としています。 汚染された炭酸塩を除去するために酸が使用されることがあります。
試料の種類によっては、より高度な前処理を必要とするものもあり、これらの方法は放射性炭素年代測定が始まってから50年以上の間に発展してきました。 例えば、かつては骨を丸ごと焼くことが標準的な方法でしたが、最終的にはその結果は信頼できないとされました。 しかし、骨に含まれる有機物（コラーゲン）と無機物（アパタイト）を分離する化学的手法により、両方の年代を測定し、結果を比較する機会が生まれました。
どのように放射性炭素を測定するのですか？
様々な前処理に加えて、試料を燃焼し、測定器に適した形に変換する必要があります。
最初の放射性炭素の測定は、固体試料をスクリーンで囲ったガイガーカウンターで測定する方法でした。 しかし、この「固体炭素」年代測定は予想よりかなり若い年代を示すことがすぐに判明し、また試料の準備やカウンターの操作に関連する技術的な問題も多くありました。 ガス比例計数管は、まもなくすべての研究所で固体炭素法に取って代わり、試料は二酸化炭素、二硫化炭素、メタン、アセチレンなどのガスに変換されるようになった。 現在では多くの研究所で液体シンチレーションカウンターが使われ、試料はベンゼンに変換される。 8008>
さらに最近の技術革新は、加速器質量分析計（AMS）によるC14原子の直接計数である。 試料はグラファイトに変えられ，イオン源に取り付けられ，そこからスパッタリングされて磁場中で加速される。磁場は異なる質量の原子を異なるように偏向させる（重い原子はあまり偏向しない）。
放射性炭素年代測定の年代限界は？
「現代の」試料として報告された多くの試料は、シュウ酸などの現代の標準試料と区別できないレベルの放射能を有しています。 原爆実験による汚染で、現代の標準試料よりさらに高い放射能を持つ試料もあります。 また、非常に若いサンプルには、4万年といった上限が設定されている場合もあります。 非常に古い試料は放射能が低いので、背景の放射線と確実に区別することができません。
なぜ放射性炭素年代にはプラスマイナス記号があるのですか？
放射性炭素年代測定には不確実性が伴います。 どの研究所においても、地理的、時間的に変化するバックグラウンド放射線を考慮する必要があります。 バックグラウンド放射線の変動は、無煙炭、シュウ酸、特定の年代物のような標準物質を定期的に測定することによってモニターされます。 標準試料は未知の試料の放射能を解釈するための基礎となりますが、どのような測定にもある程度の不確かさがあります。
ほとんどの研究所では、不確かさを1標準偏差（±1シグマ）で表し、試料の真の年齢が規定の範囲内（たとえば±100年）に入る確率が約67%であることを意味している。 ほとんどの研究所では、1シグマ限界値を設定する際に、計数統計、すなわち、試料、標準試料、およびバックグラウンドの放射能のみを考慮します。 しかし、一部の研究所では、半減期の測定の不確かさなど、他の変数も考慮しています。 カナダ地質調査所とウォータールー大学の2つの研究所は、2シグマの誤差を報告するという型破りな方法をとっており、これは試料の真の年齢が規定の範囲内にあることを約95％の確率で意味する。 8008>
ほとんどの研究所では、2シグマの基準で最低年齢と最高年齢を設定している。
BPの意味
最初に報告された放射性炭素年代は、最も近い年まで計算され、現在より前の年（BP）で表現されていました。 しかし、BPの意味は毎年変わり、試料の年代を理解するためには分析日を知る必要があることがすぐに明らかになりました。 そこで、国際的な取り決めにより、西暦1950年を基準として、BPという表現を使うことになった。 8008>
放射性炭素年代を暦年齢で表す場合、1950年を引くという方法があります。 放射性炭素年代は暦年間と等価ではないことが知られているため、この方法は正しくありません。
関連性とは何ですか？
放射性炭素年代は有機物からしか得られませんが、多くの遺跡では有機物がほとんど保存されていないのが現状です。 また、有機物の保存状態が良好であっても、有機物そのものが考古学者にとって最大の関心事とは限りません。 しかし、家屋跡や暖炉などの文化的特徴との関連性から、炭や骨などの有機物が放射性炭素年代測定に適している場合があります。
カナダ北極圏の多くの遺跡には、古代人が収集し燃料として使用した流木から作られた木炭が含まれています。 流木の放射性炭素年代は、火をつけるために使われる何百年も前に木が枯れていたかもしれないので、予想より数世紀古いかもしれません。 森林地帯では、炭化した木の根が遺跡の深いところに埋まっている考古学的資料の下方に伸びているのを見つけることがよくあります。
骨の年代測定
骨は木炭に次いで放射性炭素年代測定に使用される材料として選ばれます。 木炭と比較すると、いくつかの利点があります。 例えば、骨と遺物の関連性を証明することは、木炭と遺物の関連性を証明することよりも簡単な場合があります。 実際、多くの研究が動物の死亡時刻を特定するために行われていますが、サンプルの中にその動物の骨が含まれていれば、関連性についての疑問は生じません。
しかし、骨には特別な課題があり、骨、鹿角、角、牙のサンプルの前処理方法は、過去50年間に大きな変化を遂げました。 当初、ほとんどの研究所では、骨全体または骨片を単に焼却し、骨に固有の有機および無機の炭素と、存在したかもしれない炭素質の汚染物を試料に残留させていました。 実際、元素炭との類似性から、骨は「激しく炭化した場合」に放射性炭素年代測定に適していると考えられていました(Rainey and Ralph, 1959: 366)。 このような方法で測定された骨の年代は非常に疑わしいものです。 このような方法による骨の年代測定は非常に疑わしいものであり、若い年代である可能性が高いのですが、その信頼性を予測することはできません。
骨の有機・無機成分から炭素を分離する化学的方法の開発は、大きな前進であった。 Berger, Horney, and Libby (1964)は骨から有機炭素を抽出する方法を発表した。 多くの研究室がこの方法を採用し、コラーゲンを主成分とすると推定されるゼラチンが生成された。 本データベースでは、この方法を「不溶性コラーゲン抽出法」と呼んでいる。 Longin（1971）は、コラーゲンを可溶性で抽出することで、より高度に試料を汚染除去できることを示した。 多くの研究室がこの方法を採用し、本データベースでは「可溶性コラーゲン抽出法」と呼んでいる。
C.V. Haynes（1968）は、骨から無機炭素を抽出する方法を発表しました。 この方法は、骨にコラーゲンがほとんど保存されていない、あるいは保存状態が悪い地域での使用に適しているとされた。 その後の研究により、この方法の信頼性には疑問が投げかけられた。 Hassan and others (1977; Hassan and Ortner, 1977) は、骨のアパタイトに含まれる無機炭素は、埋蔵環境中の若い炭素や古い炭素による汚染の影響を非常に受けやすいことを示した。 現在では、不溶性コラーゲンの抽出は、たとえあったとしても、通常、若い側に偏っている（Rutherford and Wittenberg, 1979）のに対し、骨アパタイトは、実際の年代よりも古いか若いか、しばしばかなりの差をもって年代を示すことがあるようである。
現在も、特にAMS年代測定用の小さな試料からコラーゲンを抽出する方法を改良する研究が続けられています。 例えば、D.E.Nelson と彼の共同研究者は、成分を「公称分子量 >30 kD と <30 kD (kilo-Daltons) の二つの画分」に分離するために限外ろ過を使用するなど、Longin の方法の修正について実験を行っている (Morlan, et al. 1990: 77; Brown, et al. 1988; Nelson, et al. 1986)。 T.W. Stafford (1990; Stafford, et al. 1987) は、骨からアミノ酸を抽出し、その年代を個別に測定している。 Hedges and Van Klinken (1992)は骨の前処理におけるその他の進歩をレビューしています。
なぜ放射性炭素年代は校正が必要なのか
この方法の初期の仮定は放射性炭素の生成速度が一定であることでした。 この仮定は現在では間違っており、放射性炭素年は暦年と同等ではないことが知られています。 放射性炭素の生成速度の長期的な変動は、地球の磁場の強さの変動に対応するようです。 短期的な変動である「ウィグル」は、デフリース効果（ヘッセル・デフリースにちなむ）として知られ、黒点活動の変動に関連している可能性がある。
多くの研究室による国際的な共同研究により、校正曲線はますます精巧になってきています。 デフリース氏の教え子であるミンゼ・ストゥイヴァー氏は、この取り組みの主要なリーダーであった。 INTCAL98と呼ばれる最新の校正データセットでは、樹木の年輪記録とサンゴのウラントリウム年代測定、そして最終的に地中鍾乳石年代を結びつけて、0年から24000年の区間での校正を達成している。 CALIB 4.0は、INTCAL98に基づくコンピュータプログラムです。
放射性炭素年代を較正しなければならないかどうかは、目的によって異なります。 ある研究は完全に放射性炭素年代で実施することができます。
リザーバー効果とは何ですか？
炭素リザーバーの例は大気、岩石圏、海洋、生物圏で見つかります。 陸上植物とその食物連鎖は大気から、海洋食物連鎖は主に海洋から炭素を獲得しています。 C-14は、大気圏上部で年間約7.5kg生成され、海洋中の炭素との混合は、大気中の炭素との混合に比べて完全ではありません。 また、海洋深層水の上昇流は、古代の非放射性炭素を表層水へ運んでくる。 そのため、海洋生物は相対的にC-14を欠乏させ、現代の海洋動植物は数百年の見かけ上の年齢を得ることができる。 このような不一致をリザーバー効果と呼びます。
かつてリザーバー効果は全海洋で400年程度と考えられていましたが、現在ではその大きさが地理的、時間的に異なることが分かっています。
スース効果とは何ですか？
ハンス・スースは、化石燃料の燃焼がカーボンリザーバーに大きな影響を与えることを初めて指摘しました。 地殻から得られるこれらの燃料は非常に古いもので、C-14をまったく含んでいません。 実際、これらの物質の一部は、研究所がバックグラウンド放射線をモニターするための標準物質として使用されている。 燃料が燃やされると、その炭素は二酸化炭素や他の化合物として大気中に放出される。 この「死んだ」炭素の年間放出量は、大気圏上層部で宇宙線によって年間 7.5 kg の C-14 が生成されるのに対して、およそ 5,000,000,000,000 kg です。
同位体分別とは何でしょうか？
光合成中に、植物は炭素の重い同位体を識別して、炭素貯蔵所にあるより割合少なく C-13 と C-14 を取り込みます。 その結果、同位体分別が行われ、植物の消費者（草食動物）とその消費者（肉食動物）に伝わります。 実際、草食動物が植物を食べるとき、肉食動物が草食動物を食べるときにも、さらなる分画が起こる。 すべての生物はC-14をC-13の約2倍識別していると考えられており、安定なC-12原子とC-13原子の比を利用して、C-14の初期枯渇を補正することができるのである。 放射性炭素年代は同位体分別の補正が可能で、この補正は正規化と呼ばれています。 同位体分別の量は植物の光合成経路に依存します。 ほとんどの顕花植物、樹木、低木、温帯草本類はカルビン・ベンソン光合成サイクルを用いて炭素原子3個の分子を作るのでC3植物と呼ばれます。 一方、乾燥地域に適応した草であるバッファローグラス（Bouteloua）やトウモロコシ（Zea）は、ハッチ-スラックサイクルによって4つの炭素原子をもつ分子を作り出すため、C4植物と呼ばれる。
放射性炭素年代はどのように標準化されますか？
標準化とは同位体分別の補正のことです。 Pee Dee Belemnite (PDB)と呼ばれる標準試料を基準とし、δ13Cと呼ばれるC-12とC-13の比率をparts per mil (parts per thousand)で表します。 ベレムナイトはサウスカロライナ州ピーディーで発見された白亜紀の石灰質化石である。 ほとんどの有機物はPDBよりC-13が少なく、δ13Cは負の値になる。 例えば、C3植物のC-13比は-25ppmに近いのに対し、C4植物のC-13比は-10ppmから-12.5ppmの範囲にある。 草食動物は重い同位体に対する選択性が低く、骨のコラーゲンは食餌との関係で1milあたり5ppm濃縮されている。 さらに、肉食動物では、骨コラーゲンがさらに1ppm濃縮されるという変化が起こる。 海洋植物はC3植物と似ているが、大気中とは同位体比が異なる海洋重炭酸塩を溶かし込んで炭素を得ており、この違いが海洋食物連鎖に受け継がれているのである。
放射性炭素年代は任意の値に正規化することができ、国際的な慣習で選ばれた値は、国際的に認められたオーク材の標準に基づく-25ppmです。 25ppmの差は16年分に相当します。 例えば、海洋哺乳類の骨コラーゲンのC-13比率は、一般的に-15ppmである。 8008>
C-13比が不明の場合は？
あるサンプルについてδ13Cが測定されていない場合、すでに報告されている何千もの測定値を基に推定することができます。 しかし、この推定値にも不確かさがあり、補正式に誤差項として反映される。 一般的な年代物の同位体分別の補正は以下のようにまとめられる。
| 物質 | δ13C | PPM | |
|---|---|---|---|
| 泥炭、腐植 | -27 | ||
| 炭.珪藻土 | 炭化物炭化物 | -25 | 0 |
| 海洋哺乳類脂肪 | -23 | ||
| 陸上コラーゲン | – | 80 ± 20 | |
| バイソンコラーゲン | -20 | 80 ± 20 | |
| ヒトコラーゲン | -19 | ||
| マリンコラーゲン | -…15 | 160 ± 20 | |
| トウモロコシ | -10 | 245 ± 20 | |
| 骨アパタイト | – のような。10 | 245 ± 35 | |
| 淡水産貝殻 | -.8 | 275 ± 50 | |
| marine shell | 0 | 410 ± 70 |
バイソンのコラーゲンと人間のコラーゲンに対する公式は最小補正しかもたらさないことに注意する必要がある。 バイソンの場合、δ13Cを測定しない限り、その動物の食餌を構成していたC4植物の割合を知ることはできない。 推定値である-20ppmは、その動物がC4植物を全く摂取していない場合にのみ、適切な補正が可能である。 同様に、ヒトのコラーゲンの推定値である-19ppmは、海洋資源もC4植物食のバイソンもトウモロコシも摂取していないヒトに対して適切な補正を行うものである。 これらの食事資源が増加すると、C-13比率が-19以上に濃縮され、比率が1ppm変化するごとに年齢補正が16年小さくなりすぎてしまう
。