Χρονολόγηση θερμοφωταύγειας

Η χρονολόγηση θερμοφωταύγειας (TL), μέθοδος αρχαιολογικού ενδιαφέροντος, είναι ο προσδιορισμός, μέσω της μέτρησης της συσσωρευμένης δόσης ακτινοβολίας, του χρόνου που πέρασε από τότε που το υλικό που περιέχει κρυσταλλικά ορυκτά είτε θερμάνθηκε (λάβα, κεραμικά) είτε εκτέθηκε στο ηλιακό φως ( ιζήματα). Η φωταύγεια είναι το φως που εκπέμπεται από ένα ορυκτό κρύσταλλο (κυρίως χαλαζία και άστριο) όταν υποβάλλεται σε θέρμανση ή όταν εκτίθεται στο φως. Η μέθοδος της θερμοφωταύγειας εφαρμόζεται σε ανόργανα υλικά κατάλοιπα που είναι προϊόντα θέρμανσης, όπως κεραμεικά αντικείμενα, καμένα υλικά από κλιβάνους ή εστίες, μεταλλουργικές σκωρίες, καμένα πυριτολιθικά εργαλεία, λάβα κ.λπ. Βασίζεται στην αρχή ότι όλα αυτά τα κρυσταλλικά υλικά έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν την ενέργεια της φυσικής ακτινοβολίας που ενυπάρχει σε αυτά (από ραδιενεργές προσμείξεις και από το περιβάλλον). Η θερμοφωταύγεια ενός δείγματος είναι συνάρτηση της ηλικίας του. Όσο παλαιότερο είναι το δείγμα, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ένταση της θερμοφωταύγειαςΚαθώς το κρυσταλλικό υλικό θερμαίνεται κατά τις μετρήσεις, ξεκινά η διαδικασία της θερμοφωταύγειας. Η θερμοφωταύγεια εκπέμπει ένα ασθενές φωτεινό σήμα που είναι ανάλογο με τη δόση ακτινοβολίας που απορροφάται από το υλικό. Είναι ένας τύπος χρονολόγησης φωταύγειας. Η τεχνική έχει ευρεία εφαρμογή και είναι σχετικά φθηνή σε περίπου 300–700$ ανά αντικείμενο και ιδανικά ελέγχεται ένας αριθμός δειγμάτων. Τα ιζήματα είναι πιο ακριβά μέχρι σήμερα. Η καταστροφή μιας σχετικά σημαντικής ποσότητας δείγματος υλικού είναι απαραίτητη, κάτι που μπορεί να αποτελέσει περιορισμό στην περίπτωση των έργων τέχνης. Η θέρμανση που πρέπει να έχει πάρει το αντικείμενο είναι πάνω από 500 °C και καλύπτει τα περισσότερα κεραμικά, αν και η πορσελάνη με πολύ υψηλή καύση δημιουργεί άλλες δυσκολίες. Συχνά λειτουργεί καλά με πέτρες που έχουν θερμανθεί με φωτιά και λειτουργεί με τον πήλινος πυρήνα των ορειχάλκινων γλυπτών που κατασκευάστηκαν με τεχνική του χαμένου κεριού.Τα διαφορετικά υλικά διαφέρουν σημαντικά ως προς την καταλληλότητά τους για την τεχνική, ανάλογα με διάφορους παράγοντες. Η επακόλουθη ακτινοβολία, για παράδειγμα εάν ληφθεί ακτινογραφία, μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια, όπως και η «ετήσια δόση» ακτινοβολίας που έχει λάβει ένα θαμμένο αντικείμενο από το περιβάλλον έδαφος. Στην ιδανική περίπτωση, αυτό αξιολογείται με μετρήσεις που γίνονται στο ακριβές σημείο εύρεσης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για τα έργα τέχνης, μπορεί να αρκεί να επιβεβαιωθεί εάν ένα έργο είναι γενικά αρχαίο ή σύγχρονο (δηλαδή αυθεντικό ή ψεύτικο) και αυτό μπορεί να είναι δυνατό ακόμη και αν δεν μπορεί να εκτιμηθεί η ακριβής ημερομηνία.

 Μια άλλη σημαντική τεχνική στη δοκιμή δειγμάτων από έναν ιστορικό ή αρχαιολογικό χώρο είναι μια διαδικασία γνωστή ως δοκιμή θερμοφωταύγειας, η οποία περιλαμβάνει την αρχή ότι όλα τα αντικείμενα απορροφούν ακτινοβολία από το περιβάλλον. Αυτή η διαδικασία ελευθερώνει ηλεκτρόνια μέσα σε στοιχεία ή ορυκτά που παραμένουν παγιδευμένα στο αντικείμενο. Η δοκιμή θερμοφωταύγειας περιλαμβάνει τη θέρμανση ενός δείγματος έως ότου απελευθερώσει ένα είδος φωτός, το οποίο στη συνέχεια μετράται για να προσδιοριστεί η τελευταία φορά που θερμάνθηκε το αντικείμενο. Θερμαινόμενα τα δείγματα σε υψηλή θερμοκρασία, εκπέμπουν την αποθηκευμένη ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας. Έτσι, είναι δυνατόν να χρονολογηθούν τα διάφορα κρυσταλλικά υλικά, προσδιορίζοντας τον χρόνο που μεσολάβησε αφότου αυτά θερμάνθηκαν για τελευταία φορά σε υψηλή θερμοκρασία. Έτσι μετράται η θερμοφωταύγειά τους, δηλαδή η αποθηκευμένη ενέργειά τους, καθώς και η επιδεκτικότητά τους να παράγουν θερμοφωταύγεια. Επειδή η θερμοφωταύγεια αυξάνεται συνεχώς με την πάροδο του χρόνου (εκτός εάν τα υλικά αναθερμανθούν σε περιπτώσεις επανάχρησης), η μέθοδος παρέχει δυνατότητες απεριόριστης χρονολόγησης όσον αφορά στα γεωλογικά υλικά, όπως η λάβα. Όσον αφορά στα κεραμεικά και τα πυριτολιθικά εργαλεία, έως τώρα υφίσταται το όριο των 10.000 και 100.000 χρόνων π.π. αντίστοιχα. Στη χρονολόγηση θερμοφωταύγειας, αυτές οι μακροπρόθεσμες παγίδες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ηλικίας των υλικών: Όταν το ακτινοβολημένο κρυσταλλικό υλικό θερμαίνεται ξανά ή εκτίθεται σε ισχυρό φως, τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια λαμβάνουν αρκετή ενέργεια για να διαφύγουν. Κατά τη διαδικασία του ανασυνδυασμού χάνουν ενέργεια και εκπέμπουν φωτόνια ( κβάντα φωτός), ανιχνεύσιμα στο εργαστήριο . Η ποσότητα του παραγόμενου φωτός είναι ανάλογη με τον αριθμό των παγιδευμένων ηλεκτρονίων που έχουν απελευθερωθεί, ο οποίος με τη σειρά του είναι ανάλογος με τη συσσωρευμένη δόση ακτινοβολίας. Προκειμένου να συσχετιστεί το σήμα (η θερμοφωταύγεια — φως που παράγεται όταν θερμαίνεται το υλικό) με τη δόση ακτινοβολίας που το προκάλεσε, είναι απαραίτητο να βαθμονομηθεί το υλικό με γνωστές δόσεις ακτινοβολίας, καθώς η πυκνότητα των υλικών-παγίδων είναι πολύ μεταβλητή. Η χρονολόγηση θερμοφωταύγειας προϋποθέτει ένα σημείο «μηδέν» στην ιστορία του υλικού, είτε θέρμανση (στην περίπτωση κεραμικής ή λάβας) είτε έκθεση στο ηλιακό φως (στην περίπτωση των ιζημάτων), που απομακρύνει τα προϋπάρχοντα παγιδευμένα ηλεκτρόνια. Επομένως, σε εκείνο το σημείο το σήμα θερμοφωταύγειας είναι μηδέν. Καθώς περνά ο χρόνος το πεδίο ιονίζουσας ακτινοβολίας γύρω από το υλικό προκαλεί τη συσσώρευση των παγιδευμένων ηλεκτρονίων ( Εικόνα 1 ). Στο εργαστήριο, η συσσωρευμένη δόση ακτινοβολίας μπορεί να μετρηθεί, αλλά αυτό από μόνο του είναι ανεπαρκές για τον προσδιορισμό του χρόνου από το συμβάν μηδενισμού. Ο ρυθμός δόσης ακτινοβολίας -η δόση που συσσωρεύεται ανά έτος- πρέπει να καθοριστεί πρώτα. Αυτό γίνεται συνήθως με μέτρηση της ραδιενέργειας άλφα (περιεκτικότητα σε ουράνιο και θόριο) και της περιεκτικότητας σε κάλιο (το K-40 είναι ένας πομπός βήτα και γάμμα) του υλικού του δείγματος. Συχνά το πεδίο ακτινοβολίας γάμμα στη θέση του υλικού του δείγματος μετριέται ή μπορεί να υπολογιστεί από την ραδιενέργεια άλφα και την περιεκτικότητα σε κάλιο του περιβάλλοντος του δείγματος και προστίθεται η δόση της κοσμικής ακτίνας . Μόλις προσδιοριστούν όλα τα συστατικά του πεδίου ακτινοβολίας, η συσσωρευμένη δόση από τις μετρήσεις της θερμοφωταύγειας διαιρείται με τη δόση που συσσωρεύεται κάθε χρόνο, για να ληφθούν τα έτη από το χρονικό σημείο μηδέν. Οπτικά διεγερμένη χρονολόγηση φωταύγειας είναι μια σχετική μέθοδος μέτρησης που αντικαθιστά τη θέρμανση με έκθεση σε έντονο φως. Το υλικό του δείγματος φωτίζεται με μια πολύ φωτεινή πηγή πράσινου ή μπλε φωτός (για χαλαζία ) ή υπέρυθρου φωτός (για άστριο καλίου ). Το υπεριώδες φως που εκπέμπεται από το δείγμα ανιχνεύεται για μέτρηση. GlobalNet.co.uk, Quaternary TL Surveys - Guide to thermoluminescence date measurement Aitken, M.J., Thermoluminescence Dating, Academic Press, London (1985) – Standard text for introduction to the field. Quite complete and rather technical, but well written and well organized. There is a second edition. Aitken, M.J., Introduction to Optical Dating, Oxford University Press (1998) – Good introduction to the field. Keizars, K.Z. 2003. NRTL as a method of analysis of sand transport along the coast of the St. Joseph Peninsula, Florida. GAC/MAC 2003. Presentation: Brock University, St. Catharines, Ontario, Canada. JCRonline.org, Ķeizars, Z., Forrest, B., Rink, W.J. 2008. Natural Residual Thermoluminescence as a Method of Analysis of Sand Transport along the Coast of the St. Joseph Peninsula, Florida. Journal of Coastal Research, 24: 500–507. Keizars, Z. 2008b. NRTL trends observed in the sands of St. Joseph Peninsula, Florida. Queen's University. Presentation: Queen's University, Kingston, Ontario, Canada. Liritzis, I., 2011. Surface Dating by Luminescence: An Overview. Geochronometria, 38(3): 292–302. Mortlock, AJ; Price, D and Gardiner, G. The Discovery and Preliminary Thermoluminescence Dating of Two Aboriginal Cave Shelters in the Selwyn Ranges, Queensland [online]. Australian Archaeology, No. 9, Nov 1979: 82–86. Availability: <[1]> ISSN 0312-2417. [cited 04 Feb 15]. Antiquity.ac.uk, Rink, W. J., Bartoll, J. 2005. Dating the geometric Nasca lines in the Peruvian desert. Antiquity, 79: 390–401. Sullasi, H. S., Andrade, M. B., Ayta, W. E. F., Frade, M., Sastry, M. D., & Watanabe, S. (2004). Irradiation for dating Brazilian fish fossil by thermoluminescence and EPR technique. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 213, 756–760.doi:10.1016/S0168-583X(03)01698-7 Brief introduction on TL technique