A Nature Communications folyóiratban nemrég megjelent cikkben az ELKH-hoz tartozó debreceni Atomkiban működő IKER AMS-laboratórium, illetve a svájci ETH Zürich AMS-laboratórium kutatói több mint kétszáz egyedi faévgyűrűmintán végzett radiokarbon mérésen alapuló projekt eredményeit tették közzé. A tanulmányban foglalt komplex szakmai elemzés egy rendkívül érdekes témában folytatott kutatás eredményeit mutatja be, ebben a cikkben megismerhetik a kutatás tudományos hátterét.

A szén 14-es tömegszámú radioaktív izotópja (14C, más néven radiokarbon) természetes úton keletkezik, amikor a kozmikus sugárzás kölcsönhatásba lép a Föld légkörének felső rétegével. A kozmikus sugárzás a légkörbe hatolva többek között neutronokat hoz létre, amelyek az ütközések során lelassulva, majd a légköri nitrogén atommagjaival kölcsönhatásba lépve folyamatosan termelik a radiokarbont. Mivel a kozmikus sugárzás intenzitása közel állandó, és a Föld korához képest a radiokarbon felezési ideje rövid, a kozmikus hatásra folyamatosan keletkező (azaz kozmogén), illetve a folyamatosan elbomló 14C radioaktív izotóp egyensúlyi állapotban van, mennyisége közel állandó a Földön.

A radiokarbon beépül az élő szervezetekbe is. A légköri radiokarbon az oxidatív földi légkörben szén-dioxiddá alakul, ezzel a légköri szén-dioxid „nyomjelzője” lesz, amelynek aktivitása így szintén közel állandó. A radiokarbont tartalmazó szén-dioxid-molekula a nem radioaktív szén-dioxid-molekulákhoz hasonlóan a fotoszintézis során beépül a növényekbe, ennek következtében tehát az egész élővilágban jelen van. Az élőlények életük során folyamatosan építik be a szervezetükbe a radiokarbont, ezzel párhuzamosan pedig folyamatosan veszítenek is belőle, egyrészt az anyagcsere során, másrészt amiatt, hogy a radiokarbon nem stabil izotóp. A biológiai felezési idő – amely alatt az élőlényt alkotó szerves vegyületek fele kicserélődik – néhány év, ami nagyon rövid idő a radiokarbon felezési idejéhez képest. Így az élőlények biológiai szenének fajlagos aktivitása kvázi folyamatosan leköveti az atmoszférikus szén fajlagos radiokarbon-aktivitását, azaz értéke közel állandó.

A radiokarbon bomlása teszi lehetővé a pontos kormeghatározást, ugyanis ha az élőlény elpusztúl, akkor megszűnnek az anyagcsere-folyamatai is, így benne a 14C mennyisége már nem tart egyensúlyt az atmoszférikus koncentrációval. Innentől kezdve a radioaktív bomlás miatt folyamatosan csökken a radiokarbon mennyisége a maradványban, amennyiben zárt rendszerről van szó. Igen szerencsés körülmény, hogy a radiokarbon felezési ideje 5730 év, mert ez kifejezetten alkalmassá teszi az emberi léptékű történelmi korok vizsgálatára.

A radioaktív bomlástörvény alapján kiszámítható az életfolyamatok megszűnése óta eltelt idő, azaz a lelet kora. Ennek megfelelően ez egy abszolút kormeghatározási módszer, mely ideális esetben nem igényel semmilyen kiegészítő információt a mért mintával kapcsolatban. Ez a felismerés olyan horderejű volt a tudományban, hogy a módszer kidolgozásáért 1960-ban F. W. Libby Nobel-díjat kapott.

A 14C kormeghatározás alappillérét az elmúlt tízezer évre nézve a jól konzerválódott, és a „dendrokronológia” (faévgyűrűk tudománya) módszerével igen pontosan datálható faévgyűrű-kollekciók adják – pontosabban egy, az azok részletes szénizotópmérésével nyert adatbázis, az úgynevezett radiokarbon kalibrációs görbe. E kalibrációs görbe folyamatos tökéletesítése, hitelesítése, egyre nagyobb pontosságú felmérése az egyik legfontosabb feladata a ma működő, kormeghatározással foglalkozó kutatóműhelyeknek.

2012-ben Miyake és munkatársai a radioaktív 14C izotóp kiugróan magas koncentrációját figyelték meg az i. sz. 775-ből származó faévgyűrűkön. A jelenség globális létezését a Föld több kontinenséről származó korabeli faévgyűrűk vizsgálata révén több független laboratórium, köztük az Atomki is megerősítette. Azóta még további hasonló eseményeket azonosítottak az elmúlt néhány ezer évből – ezeket a felfedező kutató után immár „Miyake-eseményként” tartja számon a tudomány.

A Miyake és munkatársai által felfedezett radiokarboncsúcs az i. sz. 775-ben nőtt faévgyűrűkön. A szénizotópmérés eredményeit bemutató ábra az elsőként kimutatott Miyake-eseményről. (Miyake et al. 2012. Nature 486: 240-242.)

Ezek a Miyake-események azért érdekesek, mert a felső légkörben természetes úton, a kozmikus sugárzás hatására folyamatosan termelődő radiokarbon szintje azokban az időpontokban olyan ugrásszerű emelkedést mutat, melyre földi eredetű magyarázat nem adható. Ilyen léptékű változás ugyanis csak emberi hatásra történt a XX. század derekán, a légkörben végrehajtott nukleáris fegyverkísérletek következtében. A számítások szerint a 14C izotóp globális szintjében megfigyelt korábbi kiugrásokat tehát csak a kozmikus eredetű sugárzási szint hirtelen megemelkedése okozhatta, amelyet esetleg erős napkitöréssel vagy nem túl távoli szupernóva-robbanással lehet magyarázni. A világ vezető laboratóriumai jelenleg is intenzív és szisztematikus kutatást folytatnak faévgyűrű-kollekciókon annak érdekében, hogy évezredekre visszamenően feltérképezhessék a Miyake-eseményeket.

Wang és munkatársai egy 2017-ben megjelent publikációjukban újabb Miyake-eseményt jelentettek be: egy Kínából származó farönkmaradványon végzett vizsgálat alapján szerintük i. e. 3371-ből szintén szokatlan kiugrás figyelhető meg a háttérsugárzásban.

A bejelentett esemény ellenőrzése érdekében két további, más helyről (White Mountains, Egyesült Államok, illetve Moselle-völgy, Franciaország) származó, 5400 éves faévgyűrű-sorozat nagy pontosságú radiokarbon-elemzését végezték el a debreceni AMS-laboratórium (Atomki – Isotoptech Zrt.) kutatói amerikai, svájci és német kutatóintézetekkel együttműködésben.

Az i. e. 3371. évre feltételezett Miyake-esemény ellenőrzésére használt faévgyűrűs sorozat(ok) képe. Fent a két újabb vizsgálathoz használt metszetek, lent pedig az a kínai faminta, amelyen az eredeti mérések történtek. (Jull et al. 2021)

A Nature Communications folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban két laboratórium (IKER AMS-laboratórium, Atomki, Debrecen és ETH Zürich AMS-laboratórium, Svájc) egy több mint kétszáz egyedi faévgyűrűmintán végzett gyorsítós tömegspektrométeres (Accelerator Mass Spectrometer – AMS) radiokarbon-méréssel cáfolta meg, hogy az i. e. 3392–3351 időszakban előfordult volna a feltételezett anomália.

A debreceni Atomki (DeA), a svájci ETH Zürich (ETH), a Wang és munkatársai (Wang et al. 2017) által mért értékek, valamint az eddig elfogadott szénizotópos kalibrációs görbe (IntCal) adatai (Jull et al. 2021)

Bár a földi 14C szint ilyen mértékű emelkedéseihez valóban kozmikus szintű, jelentős háttérsugárzásbeli kiugrás szükséges, ezt csak a legmodernebb és legérzékenyebb gyorsítós tömegspektrométeres módszerrel lehet kimutatni. Ehhez viszont olyan szigorúan ellenőrzött és minőségbiztosított előkészítő laboratóriumi háttér szükséges, amelyből csak igen kevés van a világon – ezek közül az egyik épp hazánkban, a debreceni AMS-laboratóriumban működik.

A tanulmányban bemutatott kutatási projekt szakmai vezetője A. J. Timothy Jull vendégprofesszor volt. Az Atomki részéről további három kutató (Molnár Mihály, László Elemér és Varga Tamás) vett részt a vizsgálatokban, akik a 2016-ban létrehozott, és immár nemzetközi elismertségnek örvendő Izotópklimatológiai és Környezetkutató (IKER) Központ munkatársai. A kutatást az Európai Unió és Magyarország támogatta az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásában, a GINOP-2.3.2.-15-2016-00009 számú „IKER” projektben.

Hivatkozás:

Jull et al.: Rapid 14C excursion at 3372-3371 BCE not observed at two different locations cikkéhez (Nature Communications volume 12, Article number: 712 (2021))