تأريخ بالكربون المشع

التأريخ باستخدام الكربون المشع هو التأريخ عن طريق تقنية الإشعاع بحيث يستخدم اضمحلال الكربون-14 ¹⁴C لتقدير عمر المواد العضوية، مثل الخشب والجلود، وتصل إلى نحو 58,000 إلى 62,000 سنة ماضية.التأريخ عن طريق الكربون اكتشف  عبر ويلارد ليبي في عام 1949، والذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء.
منذ إدخال التأريخ عن طريق الكربون، استخدمت هذه طريقة مرات عديدة، بما في ذلك عينات من مخطوطات البحر الميت، وكفن تورينو، وكذلك مع القطع الأثرية المصرية للحصول على التسلسل الزمني لللأسرات الفرعونية في مصر وكذلك مع الأوتزي
(رجل الثلج
).
يحتوي الغلاف الجوي للأرض نظائر مختلفة من الكربون، تقريبا بنسب ثابتة. وتشمل هذه النظائر: النظير المستقر الرئيسي ¹²C والنظير غير المستقر ¹⁴C. من خلال عملية التمثيل الضوئي، النباتات تمتص كلا نظائر ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وعندما يموت الكائن الحي، فإنه يحتوي على نسبة قياسية بين ¹⁴C و¹²C ولكن ¹⁴C يضمحل مع عدم وجود إمكانية التجديد، وبالتالي تختل النسبة بين ¹⁴C و¹²C بمقدار ثابت ومعروف. والوقت المستغرق للاضمحلال لنصف الكمية يسمى عمر النصف. وقياس النسبة المتبقية من النظير الكربوني في المواد العضوية يعطي تقديرا لعمرها (العمر الكربوني) . ومع ذلك، فهناك تقلبات صغيرة في نسبة ¹⁴C إلى ¹²C في الغلاف الجوي، والتقلبات هذه سجلت في الطبيعة ويمكن ملاحظتها في حلقات بعض جذوع الأشجار وأحجار الكهوف. هذه السجلات تتيح للباحثين تعديل، أو " معايرة "التأريخ الكربوني، لإعطاء تقدير أكثر دقة للعينة.  وأحد الاستخدامات الأكثر شيوعا من الكربون المشع هو تقدير عمر البقايا العضوية من المواقع الأثرية.

اكتشاف طريقة التأريخ باستخدام الكربون

في منتصف أربعينيات القرن الماضي ،أدرك ويلارد ليبي - الذي كان في جامعة شيكاغو- أن اضمحلال الكربون-14 قد يؤدي إلى وسيلة لتأريخ المادة العضوية. ليبي نشر ورقة في عام 1946م وبيّن أن الكربون في المواد الحية قد يشمل الكربون-14 وكذلك الكربون غير المشع. ليبي وعدد ممن هم معه بدأوا بتجربة مع غاز الميثان الذي تم جمعه من الصرف الصحي في بالتيمور، وبعد فصل النظائر تبينوا أن العينات تحتوي على الكربون المشع (كربون-14) .
على النقيض من ذلك، فغاز الميثان الناتج من النفط لم يحتوِ على أي نشاطٍ للكربون المشع. وقد لخصت النتائج في ورقة في دورية ساينس العلمية التي تنشرها الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم في عام 1947م، وعلق الباحثون أن نتائجها تبين أنه سيكون من الممكن تأريخ المواد العضوية بناء على المواد التي تحتوي على الكربون فيها. وهنا قام ليبي وجيمس ارنولد باختبارها على عينات من الخشب معروفة العمر، فقاما بأخذ عينتين من الخشب أُخذتا من قبر الفرعونين المصريين، زوسر وسنفرو، كانتا مؤرختين لـ 2625 قبل الميلاد زائد أو ناقص 75 عامًا، وعندما أرخت عبر الكربون المشع تبين أنها تعود إلى ما متوسطه 2800 قبل الميلاد زائد أو ناقص 250 سنة.هذه التجربة نشرت في دورية ساينس للعلوم في عام 1949م، وحينذاك بدأت " ثورة الكربون المشع " في علم الآثار، وسرعان ما أدت إلى تغييرات جذرية في التسلسل الزمني. وفي عام 1960م ، منحت جائزة نوبل في الكيمياء لليبي بسبب هذا الاكتشاف.

خزان تبادل الكربون

يقصد بخزان تبادل الكربون الأماكن التي يمكن أن يخزن فيها الكربون في الطبيعة حيث تجري عملية التبادل نتيجة الاضمحلال بين كربون-12 وكربون-14. هناك تفاوت في نسبة التخزين وفي الوقت اللازم للنظير كربون-14 ليتشكل من الأشعة الكونية وليختلط مع نظائر الكربون الأخرى. في الغلاف الجوي، حيث يتشكل ¹⁴C يوجد 1.9% من هذا النظير بالنسبة للكمية الكلية في جميع الخزانات، والكربون-14 الموجود فيه يحتاج إلى أقل من سبع سنوات للاختلاط. تعد نسبة الكربون-14 ¹⁴C إلى الكربون-12 ¹²C في الغلاف الجوي كأساس بالنسبة لباقي الخزانات؛ حيث أنه في حال كان أي خزان آخر نسبة أقل من ¹⁴C إلى ¹²C يشير ذلك إلى أن الكربون أقدم وبالتالي فإن بعض من ¹⁴C قد اضمحل.
إن سطح المحيط يعد مثالاً على ذلك، إذ أنه يحوي 2.4% من الكربون في خزان التبادل، ولكن هناك حوالي 95% من ¹⁴C متوقع وجودها في حال كانت النسبة نفسها الموجودة في الغلاف الجوي. إن الوقت المستغرق للكربون من الغلاف الجوي ليختلط مع سطح المحيط هو حوالي بضع سنين، ولكن المياه الموجودة على السطح تختلط أيضاً مع المياه القادمة من أعماق المحيط، والتي لديها أكثر من 90% من الكربون في الخزان. إن المياه في أعماق المحيط تستغرق حوالي 1,000 سنة كي تخضع لعملية تدوير من العمق إلى السطح، بالتالي فإن مياه السطح تحوي مزيجاً من مياه قديمة ذات محتوى منضب من ¹⁴C ومياه متشكلة حديثاً على السطح ذات محتوى من ¹⁴C بحالة توازن مع الغلاف الجوي.
إن المخلوقات التي تعيش بالقرب من سطح المحيط لديها نفس نسبة ¹⁴C كالمياه التي تعيش فيها. باستعمال طريقة الحساب المعطاة في الأعلى لحساب عمر الحياة البحرية فإنها تعطي عمراً بشكل وسطي مقداره 400 سنة. بالنسبة للمخلوقات التي تعيش على اليابسة فإنها على توازن أكبر مع الغلاف الجوي، وبالتالي فإن لها نفس نسبة ¹⁴C إلى ¹²C كما للغلاف الجوي.