היכולת לתארך במדויק, או לזהות את גילו של עצם, יכולה ללמד אותנו מתי כדור הארץ נוצר, לעזור לחשוף את אקלים העבר ולספר לנו כיצד בני האדם המוקדמים חיו. אז כיצד מדענים עושים זאת?
תיארוך פחמן-14 היא ללא ספק השיטה הנפוצה ביותר. שיטה זו כוללת מדידת כמויות של פחמן-14, איזוטופ רדיואקטיבי של היסוד הכימי פחמן - או גרסה של אטום עם מספר שונה של נויטרונים. פחמן-14 נמצא בכל מקום בסביבה. אחרי שהוא נוצר גבוה באטמוספירה, צמחים נושמים אותו פנימה ובעלי חיים נושמים אותו החוצה, אמר תומס הייאם (Thomas Higham), ארכיאולוג ומומחה תיארוך פחמן באוניברסיטת אוקספורד באנגליה.
"כל מה שחי סופג את זה", אמר הייאם, בעוד שבצורה הנפוצה ביותר של פחמן יש שישה נויטרונים, לפחמן-14 יש שניים נוספים. זה הופך את האיזוטופ לכבד יותר והרבה פחות יציב מצורת הפחמן הנפוצה ביותר. אז אחרי אלפי שנים, פחמן-14 מתפרק בסופו של דבר. אחד הנייטרונים שלו מתפצל לפרוטון ולאלקטרון. בזמן שהאלקטרון בורח, הפרוטון נשאר חלק מהאטום. עם נויטרון אחד פחות ועוד פרוטון אחד, האיזוטופ מתפרק לחנקן.
כאשר יצורים חיים מתים, הם מפסיקים לספוג פחמן-14 והכמות שנותרה בגופם מתחילה את התהליך האיטי של התפוררות רדיואקטיבית. מדענים יודעים כמה זמן לוקח למחצית מכמות נתונה של פחמן-14 להתפרק - פרק זמן שנקרא זמן מחצית חיים. זה מאפשר להם למדוד את הגיל של פיסת חומר אורגנית - בין אם זה עור או שלד של בעלי חיים, אפר או טבעת עץ - על ידי מדידת היחס בין פחמן-14 לפחמן-12 שנותר בו והשוואה של כמות זו למחצית חיים של פחמן-14.
זמן מחצית חיים של פחמן-14 הוא 5,730 שנים, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור מדענים שרוצים לחקור את 50,000 השנים האחרונות של ההיסטוריה. "זה מכסה בעצם את החלק המעניין באמת בהיסטוריה האנושית", אומר הייאם, "מקורות החקלאות, התפתחות הציוויליזציות: כל הדברים האלה קרו בתקופת הפחמן הרדיואקטיבי".
עם זאת, עצמים מבוגרים מזה איבדו יותר מ-99% מהפחמן-14 שלהם, והותירו מעט מדי לזיהוי, אומר ברנדן קולטון (Brendan Culleton), עוזר פרופסור למחקר במעבדת פחמן רדיו באוניברסיטת המדינה של פנסילבניה. עבור עצמים קדומים יותר, מדענים אינם משתמשים בפחמן-14 כמדד לגיל. במקום זאת, הם מסתכלים לעתים קרובות על איזוטופים רדיואקטיביים של יסודות אחרים הנמצאים בסביבה.
עבור העצמים הקדומים בעולם, תיארוך אורניום-תוריום-עופרת היא השיטה השימושית ביותר. "אנחנו משתמשים בזה כדי לתארך את כדור הארץ", אומר הייאם. בעוד תיארוך פחמן-14 שימושי רק עבור חומרים שהיו פעם בחיים, מדענים יכולים להשתמש בתיארוך אורניום-תוריום-עופרת כדי למדוד את גילם של עצמים כגון סלעים. בשיטה זו, מדענים מודדים את הכמות של מגוון איזוטופים רדיואקטיביים שונים, שכולם מתפרקים לצורות יציבות של עופרת. שרשראות התפוררות נפרדות אלו מתחילות בפירוק של אורניום-238, אורניום-235 ותוריום-232.
"אורניום ותוריום הם איזוטופים כל כך גדולים, שהם פורצים מהחיבורים. הם תמיד לא יציבים", אומרת תמי ריטנור (Tammy Rittenour), גיאולוגית מאוניברסיטת המדינה של יוטה. ה"איזוטופים ההורים" הללו מתפרקים כל אחד בשרשרת אחרת של רדיואיזוטופים לפני שהם מסתיימים כעופרת. לכל אחד מהאיזוטופים הללו יש זמן מחצית חיים שונה, שנע בין ימים למיליארדי שנים, לפי הסוכנות להגנת הסביבה. בדיוק כמו תיארוך פחמן-14, מדענים מחשבים את היחסים בין האיזוטופים הללו, ומשווים אותם עם מחצית החיים שלהם בהתאמה. בשיטה זו הצליחו מדענים לתארך את הסלע העתיק ביותר שהתגלה אי פעם, גביש זירקון בן 4.4 מיליארד שנה שנמצא באוסטרליה.
לבסוף, שיטת תיארוך נוספת אומרת למדענים לא בן כמה עצם, אלא מתי הוא נחשף לאחרונה לחום או לאור השמש. שיטה זו, הנקראת תיארוך פליטת אור (luminescence dating), מועדפת על ידי מדענים גיאוגרפיים החוקרים שינויים בנופים במהלך מיליון השנים האחרונות - הם יכולים להשתמש בה כדי לגלות מתי קרחון נוצר או נסוג, מרבצי סלעים מעל עמק; או כאשר שיטפון השאיר משקעים מעל אגן נהר, אומרת ריטנור.
כאשר המינרלים בסלעים ובמשקעים הללו קבורים, הם נחשפים לקרינה הנפלטת מהמשקעים שסביבם. קרינה זו מוציאה אלקטרונים מהאטומים שלהם. חלק מהאלקטרונים נופלים בחזרה אל האטומים, אך אחרים נתקעים בחורים או פגמים אחרים ברשת האטומים הצפופה שסביבם. נדרשת חשיפה שניה לחום או לאור השמש כדי להחזיר את האלקטרונים הללו למקומם המקורי. זה בדיוק מה שמדענים עושים. הם חושפים דגימה לאור, וכשהאלקטרונים נופלים בחזרה לתוך האטומים, הם פולטים חום ואור, או אות זוהר.
"ככל שהאובייקט הזה קבור זמן רב יותר, כך הוא נחשף יותר לקרינה", אומרת ריטנור. למעשה, לעצמים שנקברו זמן רב ונחשפים לקרינה רבה, כמות עצומה של אלקטרונים יזרקו מחוץ למקומם, שיחד יפלטו אור בהיר כשהם חוזרים לאטומים שלהם. לכן, כמות האות הזוהר מספרת למדענים כמה זמן האובייקט היה קבור."
תיארוך עצמים אינו חשוב רק להבנת גיל העולם וכיצד חיו בני אדם קדומים. מדעני זיהוי פלילי משתמשים בו כדי לפתור פשעים, מרצח ועד זיוף אמנות. תיארוך עם פחמן-14 יכול לומר לנו כמה זמן יין או ויסקי משובח התיישן, ולפיכך האם הוא מזויף, אומר הייאם. "יש מגוון שלם של יישומים שונים."
מקורות:
