人类对碳循环的干扰,人类碳排放

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？有些人甚至可能熟悉海洋酸化。例如，二氧化碳浓度的增加会使更多的气体溶解并增加海洋的酸度。而且考古学家进行研究的方式也可能因此而被颠覆。

一种常用的确定有机物质年代的方法是根据环境中碳的不同类型(同位素)来测定。它允许对至少有100年历史、最高可达5万年的有机物质进行年代测定。你可能已经知道了它就是碳定年法或碳14定年法。由于我们每年在大气中排放9.000.000.000吨碳，导致不同碳同位素的自然平衡被扭曲，进而影响了这种碳年代测定方法的准确性。

下面我将概述碳年代测定法的原理，我们的碳排放对考古学的影响

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碳同位素的自然平衡

原子有质子、中子和电子构成。由于元素的类型是由质子的数量决定的，所以同一元素的不同原子之间可以存在不同的种类，这些种类被称为同位素。例如，碳有6个质子，原子的平均重量是12.0107。就平均而言，核中还有6个中子。也可能含有更多的中子，例如7或8个。核心中有7个中子的同位素仍然是稳定的，但是有8个中子的碳原子就具有放射性，会发生衰变。这个原子的重量为14 (8个中子 6个质子)，因此被称为 14C (C-14)。这14C的半衰期为5700 ( - 30)年，意味着50%的14C将在大约5.700年内衰变为氮（14N）。

因为14C是一种不稳定的同位素，所以在自然界中不会大量的存在。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，将14N持续转变为14C。再加上14c持续衰变回到14N，这样就会导致14C浓度与稳定12C浓度之间的自然平衡。每万亿12C原子大约有一个14C原子。

?碳14衰变和生成的物理学:①表示14N和宇宙辐射产生14C, ②表示14C的放射性衰变，③表示不同同位素的近似浓度。

从这种平衡中得出年龄

与碳14的衰变速率相比，大气中的气体粒子反应得速度相对较快。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，然后被一个有机体吸收，那么我们就可以假设这个有机体体内的14C和12C的平衡与大气中的一样。在有机体的整个生命周期中，它们都在与环境交换碳，其平衡就几乎等同于大气的平衡。

当有机体死亡时，它就停止与环境交换碳原子。只有14C的衰变还在继续发生。假设你在地下深处发现了一块未知年代的木头。你可以测量碳14原子的放射性辐射。如果你发现这种辐射只有大气中14C浓度的一半，那么你就可以推断这块木头已经有5.700年的历史了。请注意，你测量的年龄是有机体停止与环境交换碳的年龄!所以这也是有机体死亡的时间。

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层，更多的N14可以转化为14C，这可能导致对碳年龄的过高或过低测定。举个例子说明一下:假如宇宙射线是原来的两倍，14C的浓度也是原来的两倍。在这个时期死亡的树，其放射性活动与5。700年后正常情况下死亡的树相同。正因为如此，由于宇宙活动的波动，这棵树被测量的年龄要比实际年龄小5.700岁。在大气中14C浓度较低的时期，情况也正好相反。

为了解决这个问题，人们创建了曲线来修正这些波动。他们设法获得了已知年龄的物质（如年轮）的精确14c浓度，并构建了校准图。

校准结果的变化。在Y轴上，根据当前的14c活动和5700年的恒定半衰期测量年龄。彩色线条表示某一年龄段的概率，这三个例子都是相等的。通过将测量的年龄投影到曲线上，您可以在X轴上读取测量值的校准日历年龄。很明显，根据采样时的大气条件，校准后的年龄会发生显著变化。

如果恒定浓度的14c存在于大气中，我们预计的直线为45度，预计碳年龄与测得的碳年龄相同。突然减少14C浓度会导致校准曲线变平。

人类如何影响碳年代测定

我们通常燃烧的化石燃料，是碳排放的主要部分，实际上也是有机化合物。当我们以二氧化碳的形式释放这些碳原子时，我们会强力稀释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)。这将导致校准曲线变平和碳衰变日期的不确定性。

怎样理解这一点呢？当生物体死亡时，14C浓度因衰变而下降。但是当大气中的14C浓度也下降时，就很难分辨出生物体何时停止与环境交换14C。如果14C的下降速度和衰变速度一样快，甚至不可能确定它何时停止与环境交换碳。

希瑟·D·格雷文(Heather D.Graven)对这一问题的专门研究确定，如果按照这一速度，2050年有机物质将出现1.000年的历史，相当于每年30年的老化速度。因此，在大气中，14C下降的速度比仅仅是衰变起作用时的速度要快

大气14C浓度下的无线电碳年龄观测和模型测量。

结论

同样有趣的是，人类活动也从另一个方向影响了这一现象。由于核弹和核试验，生成了更多的类似于宇宙射线的能量。根据文献记载，大气中14C的浓度在1950年到1960年间几乎翻了一番。但是由于碳循环有很大的下沉量，这个峰值在几十年后下降了，

尽管碳年代测定法非常受欢迎，但它并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于测量物质，并非所有的年代测定技术都需要同位素。但是在目前的趋势下，当测量这个时代的物体时，碳年代测定似乎已经表现得不准确。幸运的是，我们生活在一个充满信息的社会里，至少对未来的考古学家来说，还有其他方法可以确定某样东西的年龄。

人类的碳排放是如何扰乱考古学的

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？有些人甚至可能熟悉海洋酸化。例如，二氧化碳浓度的增加会使更多的气体溶解并增加海洋的酸度。而且考古学家进行研究的方式也可能因此而被颠覆。

一种常用的确定有机物质年代的方法是根据环境中碳的不同类型(同位素)来测定。它允许对至少有100年 历史 、最高可达5万年的有机物质进行年代测定。你可能已经知道了它就是碳定年法或碳14定年法。由于我们每年在大气中排放9.000.000.000吨碳，导致不同碳同位素的自然平衡被扭曲，进而影响了这种碳年代测定方法的准确性。

下面我将概述碳年代测定法的原理，我们的碳排放对考古学的影响



原子有质子、中子和电子构成。由于元素的类型是由质子的数量决定的，所以同一元素的不同原子之间可以存在不同的种类，这些种类被称为同位素。例如，碳有6个质子，原子的平均重量是12.0107。就平均而言，核中还有6个中子。也可能含有更多的中子，例如7或8个。核心中有7个中子的同位素仍然是稳定的，但是有8个中子的碳原子就具有放射性，会发生衰变。这个原子的重量为14 (8个中子+ 6个质子)，因此被称为 14C (C-14)。这14C的半衰期为5700 (+- 30)年，意味着50%的14C将在大约5.700年内衰变为氮（14N）。

因为14C是一种不稳定的同位素，所以在自然界中不会大量的存在。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，将14N持续转变为14C。再加上14c持续衰变回到14N，这样就会导致14C浓度与稳定12C浓度之间的自然平衡。每万亿12C原子大约有一个14C原子。
与碳14的衰变速率相比，大气中的气体粒子反应得速度相对较快。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，然后被一个有机体吸收，那么我们就可以假设这个有机体体内的14C和12C的平衡与大气中的一样。在有机体的整个生命周期中，它们都在与环境交换碳，其平衡就几乎等同于大气的平衡。

当有机体死亡时，它就停止与环境交换碳原子。只有14C的衰变还在继续发生。假设你在地下深处发现了一块未知年代的木头。你可以测量碳14原子的放射性辐射。如果你发现这种辐射只有大气中14C浓度的一半，那么你就可以推断这块木头已经有5.700年的 历史 了。请注意，你测量的年龄是有机体停止与环境交换碳的年龄!所以这也是有机体死亡的时间。

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层，更多的N14可以转化为14C，这可能导致对碳年龄的过高或过低测定。举个例子说明一下:假如宇宙射线是原来的两倍，14C的浓度也是原来的两倍。在这个时期死亡的树，其放射性活动与5。700年后正常情况下死亡的树相同。正因为如此，由于宇宙活动的波动，这棵树被测量的年龄要比实际年龄小5.700岁。在大气中14C浓度较低的时期，情况也正好相反。

为了解决这个问题，人们创建了曲线来修正这些波动。他们设法获得了已知年龄的物质（如年轮）的精确14c浓度，并构建了校准图。
如果恒定浓度的14c存在于大气中，我们预计的直线为45度，预计碳年龄与测得的碳年龄相同。突然减少14C浓度会导致校准曲线变平。

我们通常燃烧的化石燃料，是碳排放的主要部分，实际上也是有机化合物。当我们以二氧化碳的形式释放这些碳原子时，我们会强力稀释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)。这将导致校准曲线变平和碳衰变日期的不确定性。

怎样理解这一点呢？当生物体死亡时，14C浓度因衰变而下降。但是当大气中的14C浓度也下降时，就很难分辨出生物体何时停止与环境交换14C。如果14C的下降速度和衰变速度一样快，甚至不可能确定它何时停止与环境交换碳。

希瑟·D·格雷文(Heather D.Graven)对这一问题的专门研究确定，如果按照这一速度，2050年有机物质将出现1.000年的 历史 ，相当于每年30年的老化速度。因此，在大气中，14C下降的速度比仅仅是衰变起作用时的速度要快
同样有趣的是，人类活动也从另一个方向影响了这一现象。由于核弹和核试验，生成了更多的类似于宇宙射线的能量。根据文献记载，大气中14C的浓度在1950年到1960年间几乎翻了一番。但是由于碳循环有很大的下沉量，这个峰值在几十年后下降了，

尽管碳年代测定法非常受欢迎，但它并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于测量物质，并非所有的年代测定技术都需要同位素。但是在目前的趋势下，当测量这个时代的物体时，碳年代测定似乎已经表现得不准确。幸运的是，我们生活在一个充满信息的 社会 里，至少对未来的考古学家来说，还有其他方法可以确定某样东西的年龄。

碳14的发展简史

由于其半衰期达5,730年，且碳是有机物的元素之一，我们可以根据死亡生物体的体内残余碳-14成分来推断它的存在年龄。生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳-14开始减少。由于碳元素在自然界的各个同位素的比例一直都很稳定，人们可透过测量一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄。这种方法称之为放射性碳定年法。
这个方法估计的大气碳-14含量通过植物年轮（最多可推算到大约10000年前）或者洞穴堆积物（例如钟乳石，最多可推算到大约45000年前）来推算。根据这个推算（更确切的说）对比年轮和洞穴堆积物就可以建立起碳-14的年代变化模型，从而获得其它样本的年龄。
不过，碳-14测年法最大测算时间不超过6万年，而且所测得的年代有颇大的误差。而且它的假定，即大气中的碳-14浓度不会随时间而改变，也与事实有落差。此外，碳-14测定法亦有可能受到诸如火山爆发等自然因素影响，因为在火山喷发时将地下大量气体和物质带到大气中，从而影响碳-14在某区域大气中的含量。所以，若没有其他年代测定方法（如：利用树木的年轮）来检订，单单依赖碳-14的测年数据并不完全可靠。随着现代工业的高速发展和大量化石燃料的应用，古代深藏地下的碳-14被排放到大气中并进入生物循环，放射性碳定年法的结果因此也十分容易受到干扰。
利用宇宙射线产生的放射性同位素碳—14来测定含碳物质的年龄，就叫碳—14测年。由美国科学家马丁·卡门与同事塞缪尔·鲁宾于1940年发现。已故著名考古学家夏鼐先生对碳—14测定考古年代的作用给了极高的评价：“由于碳—14测定年代法的采用，使不同地区的各种新石器文化有了时间关系的框架，使中国的新石器考古学因为有了确切的年代序列而进入了一个新时期。
那么，碳—14测年法是如何测定古代遗存的年龄呢？原来，宇宙射线在大气中能够产生放射性碳—14，并能与氧结合成二氧化碳形后进入所有活组织，先为植物吸收，后为动物纳入。只要植物或动物生存着，它们就会持续不断地吸收碳—14，在机体内保持一定的水平。而当有机体死亡后，即会停止呼吸碳—14，其组织内的碳—14便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失。对于任何含碳物质，只要测定剩下的放射性碳—14的含量，就可推断其年代。