תיארוך פחמן-14

תיארוך פחמן-14 היא שיטת תיארוך רדיומטרי אשר הומצאה בשנת 1949. זו אחת מהשיטות המדויקות ביותר להערכת גילם של ממצאים גאולוגיים וארכאולוגיים אורגניים. את השיטה פיתח הכימאי האמריקאי וילארד פרנק ליבי (Willard Frank Libby), שזכה בפרס נובל על עבודתו.

תהליך המדידה

המדידות בעבר נעשו על ידי שיטות המונות את אטומי הפחמן-14 שדועכים בזמן המדידה. עבור דגימות בגודל מתאים (המכילות לפחות מספר גרמים של פחמן) השיטה הזו עדיין בשימוש נרחב גם בשנות ה-2000. לדוגמה, כל טבעות העצים המשמשות לצורכי כיול (ראו לקמן) נמדדו בשיטת המדידה הזו. אולם שיטת המדידה הזו, אינה רגישה באופן יחסי, וקיים בה חוסר ודאות סטטיסטית עבור דגימות קטנות. זאת מכיוון שכאשר בדגימה יש כמות קטנה של פחמן-14, רק מספר קטן של אטומים מתפרקים במהלך הזמן המיועד לבדיקה, דבר שמשפיע על דיוק הבדיקה.
שיטת בדיקה חדשה העושה שימוש ב"ספקטרומטר מסות מאיץ" (Accelerator mass spectrometry) היא רגישה ומדויקת יותר. באמצעות הטכניקה הזו ניתן למנות באופן ישיר את כמות אטומי הפחמן-14 בדגימה, ולא רק את אלו מתוכם שדועכים במשך זמן הבדיקה. באמצעות שיטה זו ניתן לתארך גם דגימות המכילות מיליגרמים בודדים של פחמן.
לרוב, תיארוכי פחמן-14 גולמיים (לא מכויילים), מסומנים בשנות "BP", כלומר, במספר שנים "לפני ההווה" (Before Present). כאשר ההווה לצורך העניין נחשב שנת 1950. תיארוך BP מבוסס על שיעורו היחסי של הפחמן-14 באטמוספירה כפי שהיה בשנת 1950 (כלומר, מניחים לצורך המדידה ששיעור הפחמן-14 בזמן החיים של הדגימה היה זהה לשיעורו בשנת 1950). גם ערך זמן מחצית החיים שבאמצעותו מתקבלים התיארוכים הגולמיים, הוא בעל סטיה קלה מזמן מחצית החיים האמיתי, ומבוסס על הערכות ישנות פחות מדויקות. משתמשים בצורת המדידה הזו, על מנת לשמור על עקביות במינוח עם מדידות ישנות יותר.
ישנו גבול גיל, שעד אליו ניתן לעשות תיארוך באמצעות פחמן-14, דגימות מבוגרות יותר מגבול הגיל, לא יכולות להימדד כיוון שהכמות המועטה של אטומי פחמן-14 אותו הן מכילות, נמהל בכמות קטנה של אטומי פחמן-14 החודרים לדגימה מסביבתה, דבר שמביא לתוצאות מוטעות. נכון לשנת 2007, הגבול המקסימלי המקובל שבו דגימה המכילה מיליגרם אחד של גרפיט (צורה מוצקה של פחמן) יכולה להימדד, הוא 60,000 שנה בקירוב. מעבר לגבול זה לא ניתן לקבל תאריכים נכונים בגלל הבעיה שהוזכרה. כך למשל דגימות של יהלומים טבעיים שגילם על פי הסטנדרטים הגאולוגיים המקובלים הוא כ-100 מיליון שנה, הניבו בבדיקת פחמן-14 גיל של 64,920±430 BP.

הצורך בכיול

לא ניתן להשתמש בתאריכים הגולמיים ישירות על מנת לקבל תאריך אמיתי, מכיוון שרמת הפחמן-14 באטמוספירה לא הייתה קבועה באופן מוחלט במהלך השנים.
רמת הפחמן-14 מושפעת משנויים ברמת הקרינה הקוסמית, שהיא עצמה מושפעת משינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ. בנוסף לכך, ישנם מאגרים גדולים של פחמן בחומרים אורגניים, באוקיינוסים, במצבורי המתאן שבאוקיינוסים ובסלעי משקע. שינויים באקלים כדור הארץ, יכולים להשפיע על זרימת הפחמן בין מאגרים אלו לאטמוספירה, מה שמוביל לשינוי בשיעור היחסי של פחמן-14 באטמוספירה.
מלבד השינויים שהם תוצאה של תהליכים טבעיים, רמות הפחמן-14 משתנות גם כתוצאה מפעילות אנושית.
מתחילת המהפכה התעשייתית במאה ה-18 עד שנות ה-50 של המאה ה-20, החלק היחסי של פחמן-14 באטמוספירה ירד, כתוצאה מתוספת של כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני לאטמוספירה, כתוצאה משימוש נרחב בדלקי מאובנים.
לעומת זאת, כמות הפחמן-14 באטמוספירה כמעט הוכפלה במהלך שנות ה-50 ושנות ה-60 של המאה ה-20 עקב הניסויים בנשק גרעיני שנעשו בתקופה זו.

שיטות כיול

על מנת להתגבר על הבעיה הנובעת משינוי רמות הפחמן-14, הוכנסו לשימוש עקומות כיול שבאמצעותן מכיילים את התיארוכים הגולמיים (המדווחים ב"שנות BP"), עקומות הכיול מבוססות על השוואה של התיארוך המתקבל באמצעות פחמן 14, לתיארוך המתקבל על ידי שיטות אחרות, כמו תיארוך באמצעות טבעות עצים (דנדרוכרונולוגיה), מדידת שכבות של סלעי משקע, שכבות אלמוגים ונטיפי מערות.
גרף הכיול הסטנדרטי בגרסתו משנת 2004 (INTCAL04), נמשך לאורך 26,000 השנים האחרונות. שיעור השגיאה המקסימלי שלו הוא 16± שנים עבור 6,000 השנים האחרונות. ולא יותר מ-163± שנים לאורך כל 26,000 השנים שעליהן הוא מוסב.
למרות זאת, צורתו של הגרף בתקופות מסוימות, גורמת לכך שלא תמיד יהיה ניתן לקבל תיארוך חד משמעי. כיוון שעקב השינויים ברמת הפחמן 14 באטמוספירה בתקופות מסוימות, דגימות בעלות שיעור זהה של פחמן 14, יכולות להיות שייכות לזמנים שונים. במהלך עשרת אלפים השנים האחרונות חוסר הוודאות הממוצע הוא 335 שנים, אף על פי שבאזורים מסוימים בגרף אי הוודאות מגיעה רק ל-113 שנה, ובאזורים אחרים היא יכולה להגיע עד ל-801 שנה.
ב-2009 פורסם גרף כיול רשמי נוסף (INTCAL09), המרחיב את הגרף הקודם ל-50,000 שנה אחורנית.
קיימת גם עקומת כיול מיוחדת לאזור ארץ ישראל שפורסמה על ידי מכון ויצמן.]

הקטנת טעות הדגימה

בתחילת השימוש בשיטה, לפני הכנסת ספקטרומטרי מסה, היו זקוקים לכמויות גדולות של חומר אורגני על מנת לבצע את הבדיקה ולכן השתמשו בגזעי עצים. עם השנים התברר שלעיתים קרובות בנאים, בעיקר באזורים מדבריים למחצה כמזרח התיכון, השתמשו בקורות עצים שנלקחו מתוך בניינים ישנים יותר (שימוש משני), דבר שהביא לתוצאות שגויות כאשר קבעו את תיארוך הבניינים החדשים יחסית בעזרת הקורות העתיקות יותר. כך לדוגמה, בעת בניית מסגד אל-אקצה במאה השביעית לספירה, השתמשו הבנאים בקורות ארז הלבנון וברוש עתיקות יותר. לאחר שיפוץ שנערך בשנות ה-30 של המאה ה-20 נחשפו הקורות וחלקן נבדקו מאוחר יותר בבדיקות פחמן 14. התברר שחלקן מהמאה הראשונה לפני הספירה ואחת מהמאה התשיעית לפני הספירה. לפיכך על פי ההיסטוריה המקובלת הקורות הן מבית המקדש ההרודיאני ואף מבית המקדש הראשון. כדי להימנע מטעות זאת משתמשים בדגימות של חומר אורגני קצר חיים שאינו ממוחזר כזרעי דגנים וגלעיני זיתים.
בנוסף, התברר כי לעיתים קרובות נספחים לפני השטח של הדגימה חלקיקים מתקופות אחרות המטים גם הם את תוצאות הדגימה ולכן יש להשתמש בחומר מעומקה של הדגימה.

תיארוך לתקופות שונות

חשיבותו של פחמן-14 בתיארוך חומרים אורגניים לתקופות של עשרות אלפי שנים, גדולה ביותר בגלל זמן מחצית החיים המתאים למדידות בטווחי זמן כאלו. לעומת זאת ישנם גם איזוטופים רדיואקטיביים אחרים שלהם זמן מחצית חיים ארוך בהרבה כמו אשלגן 40 שזמן מחצית החיים שלו הוא יותר ממיליארד שנה. לעומת זאת, זמן מחצית החיים של האיזוטופ הרדיואקטיבי קובלט 60 שנעשה בו שימוש לשם טיפול קרינה (רדיותרפיה), הוא 5.26 שנים. לפיכך דגימה שמכילה שמונה גרם מהחומר תכיל לאחר 5.26 שנים רק ארבעה גרם. כמות זאת נתונה בדיוק לאותו חוק של "זמן מחצית חיים" וגם מחצית ממנה תיעלם ותהפוך לחומר אחר בתוך 5.26 שנים ויישארו אז רק שני גרם שיהיו נתונים לאותו חוק ולכן, לאחר 5.26 שנים נוספות יישאר רק גרם אחד של החומר וכך הלאה.

היסטוריה

האפשרות לתארך באמצעות פחמן-14 פורסמה לראשונה בשנת 1949 על ידי וילארד ליבי וצוותו באוניברסיטת שיקגו. במדידות שנערכו אז ובשנים שאחריהן לעצמים שגילם היה ידוע ממקורות אחרים, הוכח שההנחה ששיעור הפחמן-14 קבוע באטמוספירה היא נכונה בקירוב, ומביאה לשגיאות לא גדולות במקרה הגרוע.
בעבודות מאוחרות יותר של זיס ואחרים הוכח שכמות הפחמן-14 נתונה לתנודות תקופתיות, אותן צריכים לקחת בחשבון אם רוצים להגיע לתיארוך מדויק יותר. עקב כך, החל משנות ה-60 של המאה ה-20 פותחו עקומות כיול שהתבססו על שיטות תיארוך אחרות.
בזמן הגילוי, ליבי היה סבור שזמן מחצית החיים של פחמן-14 הוא 5568±30 שנים, מספר זה ידוע כ"זמן מחצית החיים של ליבי". בוועידה שהתקיימה באוניברסיטת קיימברידג' בשנת 1962, הוסכם בהתבסס על ניסויים מאוחרים יותר, על זמן מחצית חיים מדויק יותר: 5730±40 שנים, (מספר זה ידוע כ "זמן מחצית החיים של קיימברידג'").
יושב ראש ועידת קיימברידג', הארי גודווין, המליץ שימשיך השימוש בזמן ליבי בפרסומים מדעיים, כיוון שיש היתכנות שזמן קיימברידג' עצמו ישתפר על ידי ניסויים מאוחרים יותר. במעבדות היום ממשיכים להשתמש בזמן ליבי, על מנת לשמור על עקביות עם פרסומים קודמים, וזאת אף על פי שזמן מחצית החיים של קיימברידג' הוא עדיין זמן מחצית החיים המדויק ביותר שידוע. לחוסר הדיוק של זמן ליבי, אין השפעה על התיארוך הסופי, כיוון שהתאריכים הגולמיים עוברים כיול (ראו לעיל).