人类对碳循环的干扰 人类的碳排放

西班牙圣安娜洞穴考古发掘

大多数关于人类碳排放的讨论都围绕着温室效应和气候变化的影响。你知道碳排放还有其他影响吗？有些人甚至可能对海洋酸化很熟悉。例如，二氧化碳浓度的增加会溶解更多的气体，增加海洋的酸度。而考古学家进行研究的方式可能会被颠覆。

确定有机物年龄的常用方法是确定环境中碳的不同类型(同位素)。它可以测定至少100年、最多50，000年的有机物质的年代。你可能已经知道是碳定年或者碳14定年。因为我们每年在大气中排放9.000.000.000吨碳，不同碳同位素的自然平衡被扭曲，这进一步影响了这种碳年代测定方法的准确性。

接下来，我将概述碳年代测定的原理以及我们的碳排放对考古学的影响。

碳同位素的自然平衡原子由质子、中子和电子组成。因为一种元素的类型是由质子数决定的，所以同一种元素的不同原子之间可以存在不同的物种，这些物种被称为同位素。例如，碳有六个质子，原子的平均重量是12.0107。平均而言，原子核中仍有六个中子。它也可能包含更多的中子，如7或8。堆芯中7个中子的同位素仍然稳定，但8个中子的碳原子有放射性，会衰变。这个原子重14 (8个中子和6个质子)，所以被称为14C (C-14)。这个14C的半衰期是5700 (-30)年，也就是说大约5.700年后50%的14C会衰变为氮(14N)。

因为14C是不稳定同位素，所以在自然界中不会大量存在。然而，在9至15公里高度的大气中，宇宙辐射与现有的氮原子相互作用，不断将14N转化为14C。再加上14c持续衰变回到14N，这将导致14C浓度和稳定的12C浓度之间的自然平衡。每万亿个12C原子中大约有一个14C原子。

碳14衰变和形成的物理学：表示宇宙辐射产生的14N和14C表示14c的放射性衰变；表示不同同位素的近似浓度。

从这个平衡可以得出结论，大气中的气体粒子与碳14的衰变速率相比，反应相对较快。因此，如果一个重量为14的碳原子与一个氧原子反应生成二氧化碳，然后被生物吸收，那么我们可以假设这个生物体内的14C和12C的平衡与大气中的相同。在生物的整个生命周期中，它们都在与环境交换碳，它们的平衡几乎等于大气的平衡。

当有机体死亡时，它停止与环境交换碳原子。只有14C的衰变继续发生。假设你在地下深处发现一块不知年代的木头。你可以测量碳14原子的放射性辐射。如果你发现这个辐射只是大气中14C浓度的一半，那么你可以推断这块木头有5.700年的历史。请注意，你测量的年龄是生物体停止与环境交换碳的年龄！所以这也是生物体死亡的时间。

4c浓度的自然波动纵观历史，许多活动影响了14C的平衡。例如，在地球磁场较弱或太阳活动增强的时期，更多的宇宙辐射可以到达大气，更多的N14可以转化为14C，这可能导致碳年龄测定过高或过低。例如，如果宇宙射线增加一倍，14C的浓度也增加一倍。在此期间死亡的树木具有与5。700年后，正常死去的树还是老样子。正因为如此，由于宇宙活动的波动，这棵树的实测年龄比实际年龄年轻了5.700岁。当大气中14C的浓度较低时，情况正好相反。

为了解决这个问题，人们创造了曲线来修正这些波动。他们设法获得了已知年龄物质(如年轮)的准确14c浓度，并构建了一个校准图。

校准结果的变化。在Y轴上，根据当前14c活度和5700年的恒定半衰期测量年龄。彩色线代表某个年龄段的概率，三个例子都是相等的。通过将测量的年龄投影到曲线上，可以读取X轴上测量值的校准日历年龄。显然，校准后的年龄会根据取样时的大气条件发生显著变化。

如果大气中存在恒定浓度的14c，我们预测的直线是45度，预测的碳年龄与测量的碳年龄相同。14C浓度的突然降低将使校准曲线变平。

人类是如何影响碳年代测定的？我们平时燃烧的化石燃料是碳排放的主要部分，实际上是有机化合物。当我们以二氧化碳的形式释放这些碳原子时，我们会强烈稀释14C的浓度。在过去的50年里，我们的二氧化碳排放量增加了近30%(从1960年的320ppm增加到2018年的410ppm)。这将导致校准曲线的平坦化和碳衰变日期的不确定性。

这个怎么理解？当生物死亡时，14C的浓度由于衰变而降低。然而，当大气中14C的浓度也下降时，很难判断生物何时停止与环境交换14C。如果14C下降的速度和它衰变的速度一样快，甚至无法确定它何时会停止与环境交换碳。

希瑟格雷文(Heather D.Graven)对这个问题的专门研究已经确定，按照这个速度，有机物在2050年将有1000年的历史，相当于每年老化30年的速度。因此，在大气中，14C下降的速度比只有衰变起作用时要快。

大气14C浓度下的放射性碳年龄观测和模式测量。

结论也很有意思，人类活动从另一个方向影响了这种现象。由于核弹和核试验，产生了更多类似宇宙射线的能量。根据文献记载，从1950年到1960年，大气中14C的浓度几乎翻了一番。但由于碳循环的大沉降，几十年后这一峰值有所下降。

虽然碳年代测定法非常流行，但它不是测定物质年代的唯一方法。还有许多其他同位素可以用来测量物质，并不是所有的年代测定技术都需要同位素。然而，在目前的趋势下，碳测年在测量这个时代的物体时似乎并不准确。幸运的是，我们生活在一个充满信息的社会。至少对于未来的考古学家来说，有其他方法可以确定某样东西的年代。

人类碳排放如何干扰考古？大多数关于人类碳排放的讨论都围绕着温室效应和气候变化的影响。你知道碳排放还有其他影响吗？有些人甚至可能对海洋酸化很熟悉。例如，二氧化碳浓度的增加会溶解更多的气体，增加海洋的酸度。而考古学家进行研究的方式可能会被颠覆。确定有机物年龄的常用方法是确定环境中碳的不同类型(同位素)。它可以测定至少100年、最多50，000年的有机物质的年代。你可能已经知道是碳定年或者碳14定年。因为我们每年在大气中排放9.000.000.000吨碳，不同碳同位素的自然平衡被扭曲，这进一步影响了这种碳年代测定方法的准确性。接下来，我将概述碳定年的原理。我们的碳排放对考古学的影响是由质子、中子和电子组成的。因为一种元素的类型是由质子数决定的，所以同一种元素的不同原子之间可以存在不同的物种，这些物种被称为同位素。例如，碳有六个质子，原子的平均重量是12.0107。平均而言，原子核中仍有六个中子。它也可能包含更多的中子，如7或8。堆芯中7个中子的同位素仍然稳定，但8个中子的碳原子有放射性，会衰变。这个原子重14 (8个中子和6个质子)，所以被称为14C (C-14)。这个14C的半衰期是5700 (-30)年，也就是说大约5.700年后50%的14C会衰变为氮(14N)。因为14C是不稳定同位素，所以在自然界中不会大量存在。然而，在9至15公里高度的大气中，宇宙辐射与现有的氮原子相互作用，不断将14N转化为14C。再加上14c持续衰变回到14N，这将导致14C浓度和稳定的12C浓度之间的自然平衡。每万亿个12C原子中大约有一个14C原子。与碳14的衰变速率相比，大气中的气体粒子反应相对较快。因此，如果一个重量为14的碳原子与一个氧原子反应生成二氧化碳，然后被生物吸收，那么我们可以假设这个生物体内的14C和12C的平衡与大气中的相同。在生物的整个生命周期中，它们都在与环境交换碳，它们的平衡几乎等于大气的平衡。当有机体死亡时，它停止与环境交换碳原子。只有14C的衰变继续发生。假设你在地下深处发现一块不知年代的木头。你可以测量碳14原子的放射性辐射。如果你发现这个辐射只是大气中14C浓度的一半，那么你可以推断这块木头有5.700年的历史。请注意，你测量的年龄是生物体停止与环境交换碳的年龄！所以这也是生物体死亡的时间。纵观历史，许多活动影响了14C的平衡。例如，在地球磁场较弱或太阳活动增强的时期，更多的宇宙辐射可以到达大气，更多的N14可以转化为14C，这可能导致碳年龄测定过高或过低。例如，如果宇宙射线增加一倍，14C的浓度也增加一倍。在此期间死亡的树木具有与5。700年后，正常死去的树还是老样子。正因为如此，由于宇宙活动的波动，这棵树的实测年龄比实际年龄年轻了5.700岁。当大气中14C的浓度较低时，情况正好相反。为了解决这个问题，人们创造了曲线来修正这些波动。他们设法获得了已知年龄物质(如年轮)的准确14c浓度，并构建了一个校准图。如果大气中存在恒定浓度的14c，我们预测的直线是45度，预测的碳年龄与测量的碳年龄相同。14C浓度的突然降低将使校准曲线变平。我们通常燃烧的化石燃料是碳排放的主要部分，实际上是有机化合物。当我们以二氧化碳的形式释放这些碳原子时，我们会强烈稀释14C的浓度。

在过去的50年里，我们的二氧化碳排放量增加了近30%(从1960年的320ppm增加到2018年的410ppm)。这将导致校准曲线的平坦化和碳衰变日期的不确定性。这个怎么理解？当生物死亡时，14C的浓度由于衰变而降低。然而，当大气中14C的浓度也下降时，很难判断生物何时停止与环境交换14C。如果14C下降的速度和它衰变的速度一样快，甚至无法确定它何时会停止与环境交换碳。希瑟格雷文(Heather D.Graven)对这个问题的专门研究已经确定，按照这个速度，有机物在2050年将有1000年的历史，相当于每年老化30年的速度。因此，在大气中，14C下降的速度比只有衰变起作用时要快。同样有趣的是，人类活动也从另一个方向影响着这一现象。由于核弹和核试验，产生了更多类似宇宙射线的能量。根据文献记载，从1950年到1960年，大气中14C的浓度几乎翻了一番。但由于碳循环的大沉降，几十年后这一峰值有所下降。虽然碳年代测定法非常流行，但它不是测定物质年代的唯一方法。还有许多其他同位素可以用来测量物质，并不是所有的年代测定技术都需要同位素。然而，在目前的趋势下，碳测年在测量这个时代的物体时似乎并不准确。幸运的是，我们生活在一个充满信息的社会。至少对于未来的考古学家来说，有其他方法可以确定某样东西的年代。

碳-14发展简史因为它的半衰期达到5730年，而碳是有机物的元素之一，所以我们可以从死亡生物体内残留的碳-14成分来推断它的年龄。当生物需要呼吸时，其体内的碳-14含量基本不变。生物死亡时会停止呼吸，体内的碳14开始减少。因为自然界中碳同位素的比例一直是稳定的，所以人们可以通过测量一件古董的碳14含量来估算它的大概年代。这种方法被称为放射性碳年代测定法。用这种方法估算的大气碳14含量，可以用植物年轮(最早约1万年前)或洞穴沉积物(如钟乳石，最早约4.5万年前)来估算。根据这一计算(更确切地说)，可以通过年轮与洞穴沉积物的对比，建立碳-14的年龄变化模型，从而获得其他样品的年龄。而碳14测年法的最大测量时间不超过6万年，测得的年龄有相当大的误差。而且它假设大气中的碳-14浓度不会随时间变化，也与事实相差甚远。此外，碳-14的测定还可能受到火山喷发等自然因素的影响，因为火山喷发时大量的地下气体和物质被带入大气，影响了某一地区大气中碳-14的含量。所以，如果没有其他的测年方法(比如利用树木年轮)，单纯依靠碳-14的测年数据是不完全可靠的。随着现代工业的快速发展和大量化石燃料的应用，古代深埋地下的碳-14被排放到大气中，进入生物循环，放射性碳测年法的结果容易受到干扰。利用宇宙射线产生的放射性同位素碳14来确定含碳物质的年龄，称为碳14测年。它是由美国科学家马丁卡门和同事塞缪尔鲁宾在1940年发现的。著名考古学家夏耐老师高度评价了碳14测年的作用：“碳14测年方法的采用，使不同地区的各种新石器时代文化有了时间关系框架，中国新石器时代考古因年代顺序确切而进入了一个新时代。那么，碳14测年是如何确定古代遗迹的年龄的呢？原来，宇宙射线可以在大气中产生放射性碳-14，碳-14可以与氧气结合形成二氧化碳，进入所有的活组织，先被植物吸收，再被动物掺入。植物或动物只要活着，就会不断吸收碳-14，并在体内维持一定水平。当生物体死亡时，它将停止呼吸碳14，其组织中的碳14将开始衰变并逐渐消失，半衰期为5730年。对于任何含碳物质，只要确定剩余放射性碳-14的含量，就可以推断其年代。