Дендрохронология (или датирование по годичным кольцам ) — это научный метод датирования годичных колец деревьев (также называемых кольцами роста) до точного года, когда они образовались на дереве. Помимо датирования, это может дать данные для дендроклиматологии , изучения климата и атмосферных условий в различные периоды истории по древесине старых деревьев. Дендрохронология происходит от древнегреческого слова dendron ( δένδρον ), что означает «дерево», khronos ( χρόνος ), что означает «время», и -logia ( -λογία ), «изучение». [1]
Дендрохронология полезна для определения точного возраста образцов, особенно тех, которые слишком недавние для радиоуглеродного датирования , которое всегда дает диапазон, а не точную дату. Однако для точной даты смерти дерева необходим полный образец до края, чего большинство обрезанных пиломатериалов не даст. Она также дает данные о времени событий и скорости изменений в окружающей среде (прежде всего климате), а также в древесине, найденной в археологии или произведениях искусства и архитектуры, таких как старые картины на панелях . Она также используется в качестве проверки в радиоуглеродном датировании для калибровки радиоуглеродного возраста . [2]
Новый рост деревьев происходит в слое клеток около коры. Скорость роста дерева меняется предсказуемым образом в течение года в ответ на сезонные изменения климата, что приводит к появлению видимых годичных колец. Каждое кольцо отмечает полный цикл сезонов или один год в жизни дерева. [2] По состоянию на 2020 год надежно датированные данные о годичных кольцах деревьев для некоторых регионов Северного полушария доступны на протяжении 13 910 лет. [3] Новый метод основан на измерении изменений изотопов кислорода в каждом кольце, и эта «изотопная дендрохронология» может давать результаты на образцах, которые не подходят для традиционной дендрохронологии из-за слишком малого количества или слишком похожих колец. [4] В некоторых регионах есть «плавающие последовательности» с пробелами, что означает, что более ранние периоды можно датировать только приблизительно. По состоянию на 2024 год только три области имеют непрерывные последовательности, восходящие к доисторическим временам: предгорья Северных Альп , юго-запад США и Британские острова. События Мияке , представляющие собой крупные всплески космических лучей в известные даты, видны в кольцах деревьев и могут помочь установить дату плавающей последовательности. [5]
Греческий ботаник Теофраст (ок. 371 – ок. 287 до н. э.) впервые упомянул, что древесина деревьев имеет кольца. [6] [7] В своем «Трактате о живописи » Леонардо да Винчи (1452–1519) был первым человеком, который упомянул, что деревья ежегодно образуют кольца и что их толщина определяется условиями, в которых они росли. [8] В 1737 году французские исследователи Анри-Луи Дюамель дю Монсо и Жорж-Луи Леклерк де Бюффон исследовали влияние условий роста на форму годичных колец деревьев. [9] Они обнаружили, что в 1709 году суровая зима привела к появлению отчетливо темных годичных колец деревьев, которые послужили ориентиром для последующих европейских натуралистов. [10] В США Александр Кэтлин Твининг (1801–1884) в 1833 году предположил, что закономерности среди годичных колец можно использовать для синхронизации дендрохронологии различных деревьев и, таким образом, для реконструкции прошлых климатов во всех регионах. [11] Английский полимат Чарльз Бэббидж предложил использовать дендрохронологию для датирования останков деревьев в торфяных болотах или даже в геологических слоях (1835, 1838). [12]
Во второй половине девятнадцатого века началось научное изучение годичных колец деревьев и применение дендрохронологии. В 1859 году немецко-американский Якоб Кюхлер (1823–1893) использовал перекрестное датирование для изучения дубов ( Quercus stellata ) с целью изучения климатических данных в западном Техасе. [13] В 1866 году немецкий ботаник, энтомолог и лесовод Юлиус Теодор Кристиан Ратцебург (1801–1871) наблюдал влияние на годичные кольца дефолиации, вызванной заражением насекомыми. [14] К 1882 году это наблюдение уже появлялось в учебниках по лесоводству . [15] В 1870-х годах голландский астроном Якобус Каптейн (1851–1922) использовал перекрестное датирование для реконструкции климата Нидерландов и Германии. [16] В 1881 году швейцарско-австрийский лесничий Артур фон Зекендорф -Гудент (1845–1886) использовал перекрестное датирование. [17] С 1869 по 1901 год Роберт Гартиг (1839–1901), немецкий профессор лесной патологии, написал серию статей по анатомии и экологии годичных колец деревьев. [18] В 1892 году русский физик Федор Никифорович Шведов (1841–1905) написал, что он использовал закономерности, обнаруженные в годичных кольцах деревьев, для прогнозирования засух в 1882 и 1891 годах. [19]
В первой половине двадцатого века астроном А. Э. Дугласс основал Лабораторию исследований годичных колец в Университете Аризоны . Дугласс стремился лучше понять циклы активности солнечных пятен и пришел к выводу, что изменения солнечной активности повлияют на климатические закономерности на Земле, которые впоследствии будут зафиксированы моделями роста годичных колец деревьев ( т. е . солнечные пятна → климат → годичные кольца).
Горизонтальные поперечные сечения ствола дерева могут выявить годичные кольца, также называемые кольцами дерева или годичными кольцами . Годичные кольца являются результатом нового роста в сосудистом камбии , слое клеток около коры , который ботаники классифицируют как боковую меристему ; этот рост в диаметре известен как вторичный рост . Видимые кольца являются результатом изменения скорости роста в течение сезона года; таким образом, критически важно для метода названия, одно кольцо обычно отмечает прохождение одного года в жизни дерева. Удаление коры дерева в определенной области может вызвать деформацию колец, поскольку растение перерастает рубец.
Кольца более заметны у деревьев, которые росли в умеренных зонах , где времена года различаются более заметно. Внутренняя часть годичного кольца формируется в начале вегетационного периода, когда рост сравнительно быстрый (следовательно, древесина менее плотная) и известна как «ранняя древесина» (или «весенняя древесина», или «поздняя весенняя древесина» [20] ); внешняя часть — «поздняя древесина» (иногда называемая «летней древесиной», часто образующаяся летом, хотя иногда и осенью) и она более плотная. [21] [ нужен лучший источник ]
Многие деревья в умеренных зонах производят одно годичное кольцо каждый год, причем самое новое прилегает к коре. Таким образом, в течение всего периода жизни дерева из года в год формируется запись или кольцевой рисунок, отражающий возраст дерева и климатические условия, в которых оно росло. Достаточное количество влаги и длительный вегетационный период приводят к широкому кольцу, тогда как засушливый год может привести к очень узкому.
Прямое чтение хронологии годичных колец является сложной наукой по нескольким причинам. Во-первых, в отличие от парадигмы одного годичного кольца, чередование плохих и благоприятных условий, таких как засухи в середине лета, может привести к формированию нескольких колец в данном году. Кроме того, определенные виды деревьев могут иметь «отсутствующие кольца», и это влияет на выбор деревьев для изучения длительных временных промежутков. Например, отсутствующие кольца редко встречаются у дубов и вязов . [22]
Критически важным для науки является то, что деревья из одного региона, как правило, развивают одинаковые модели ширины колец в течение определенного периода хронологического исследования. Исследователи могут сравнивать и сопоставлять эти модели кольцо за кольцом с моделями деревьев, которые росли в то же время в той же географической зоне (и, следовательно, в схожих климатических условиях). Когда можно сопоставить эти модели годичных колец на последовательных деревьях в той же местности, в перекрывающейся манере, можно построить хронологии — как для целых географических регионов, так и для субрегионов. Более того, древесину из древних сооружений с известной хронологией можно сопоставить с данными годичных колец (метод, называемый перекрестным датированием ), и таким образом можно точно определить возраст древесины. Дендрохронологи изначально проводили перекрестное датирование путем визуального осмотра; в последнее время они задействовали компьютеры для выполнения этой задачи, применяя статистические методы для оценки соответствия. Чтобы устранить индивидуальные вариации в росте годичных колец, дендрохронологи берут сглаженное среднее значение ширины годичных колец нескольких образцов деревьев, чтобы построить историю колец , процесс, называемый репликацией. История годичных колец, начальные и конечные даты которой неизвестны, называется плавающей хронологией . Ее можно закрепить путем перекрестного сопоставления раздела с другой хронологией (историей годичных колец), даты которой известны.
Полностью закрепленная и перекрестно сопоставленная хронология для дуба и сосны в Центральной Европе насчитывает 12 460 лет, [23] а хронология дуба насчитывает 7 429 лет в Ирландии и 6 939 лет в Англии . [24] Сравнение радиоуглеродного и дендрохронологического возрастов подтверждает согласованность этих двух независимых дендрохронологических последовательностей. [25] Другая полностью закрепленная хронология, которая насчитывает 8 500 лет, существует для сосны остистой на юго-западе США ( Белые горы Калифорнии). [26]
Дендрохронологическое уравнение определяет закон роста годичных колец деревьев. Уравнение было предложено российским биофизиком Александром Николаевичем Тетеарингом в его работе «Теория популяций» [27] в виде:
где Δ L — ширина годичного кольца, t — время (в годах), ρ — плотность древесины, k v — некоторый коэффициент, M ( t ) — функция прироста массы дерева.
Игнорируя естественные синусоидальные колебания массы дерева, формула изменения ширины годичного кольца имеет вид:
где c 1 , c 2 и c 4 — некоторые коэффициенты, a 1 и a 2 — положительные константы.
Формула полезна для корректной аппроксимации данных выборок перед процедурой нормализации данных . Типичные формы функции Δ L ( t ) годичного прироста годичного кольца древесины показаны на рисунках.
Дендрохронология позволяет точно датировать образцы некогда живого материала определенным годом. [28] Даты часто представляются как предполагаемые календарные годы BP , для до настоящего времени, где «настоящее» относится к 1 января 1950 года. [28]
Образцы керна древесины отбираются и используются для измерения ширины годичных колец; беря образцы с разных участков в пределах определенного региона, исследователи могут построить всеобъемлющую историческую последовательность. Методы дендрохронологии более последовательны в областях, где деревья росли в пограничных условиях, таких как засушливость или полузасушливость, где рост колец более чувствителен к окружающей среде, а не во влажных областях, где рост колец более равномерный (самоуспокоенный). Кроме того, некоторые роды деревьев больше подходят для этого типа анализа, чем другие. Например, сосна остистая исключительно долгоживущая и медленнорастущая, и широко использовалась для хронологий; все еще живые и мертвые образцы этого вида обеспечивают образцы годичных колец, уходящие на тысячи лет назад, в некоторых регионах более чем на 10 000 лет. [29] В настоящее время максимальный промежуток для полностью закрепленной хронологии составляет чуть более 11 000 лет до н.э.
IntCal20 — это «калибровочная кривая радиоуглеродного возраста» 2020 года, которая обеспечивает калиброванную последовательность, датированную углеродом 14, насчитывающую 55 000 лет. Самая последняя часть, насчитывающая 13 900 лет, основана на годичных кольцах деревьев. [30]
Европейские хронологии, основанные на деревянных конструкциях, изначально столкнулись с трудностями при преодолении разрыва в четырнадцатом веке, когда был перерыв в строительстве, совпавший с Черной смертью . [31] Однако существуют непрерывные хронологии, восходящие к доисторическим временам, например, датская хронология, датируемая 352 годом до нашей эры. [32]
Учитывая образец древесины, вариация роста годичных колец не только обеспечивает соответствие по годам, но также может соответствовать местоположению, поскольку климат меняется от места к месту. Это позволяет определить источник кораблей, а также более мелких артефактов, сделанных из дерева, но которые были перевезены на большие расстояния, например, панели для картин и корабельные бревна. [ необходима цитата ]
События Мияке , такие как в 774-775 и 993-994 годах , могут предоставить фиксированные точки отсчета в неизвестной временной последовательности, поскольку они вызваны космическим излучением. [33] Поскольку они проявляются как всплески углерода 14 в годичных кольцах деревьев для этого года по всему миру, их можно использовать для датировки исторических событий по этому году. [34] Например, деревянные дома на стоянке викингов в Л'Анс-о-Медоуз в Ньюфаундленде были датированы путем обнаружения слоя со всплеском 993, который показал, что древесина была получена из дерева, срубленного в 1021 году. [35] Исследователи из Бернского университета предоставили точную датировку плавающей последовательности в неолитическом поселении на севере Греции, связав ее со всплеском космогенного радиоуглерода в 5259 году до нашей эры. [5] [33]
Морозное кольцо — термин, используемый для обозначения слоя деформированных, разрушенных трахеид и травмированных паренхимных клеток в анализе годичных колец деревьев. Они образуются, когда температура воздуха падает ниже нуля в период камбиальной активности. Их можно использовать в дендрохронологии для обозначения лет, которые холоднее обычных. [36]
Даты из дендрохронологии могут быть использованы в качестве калибровки и проверки радиоуглеродного датирования . [28] Это можно сделать, сверяя радиоуглеродные даты с длинными основными последовательностями, при этом калифорнийские сосны щетинистые в Аризоне использовались для разработки этого метода калибровки, поскольку долговечность деревьев (до ок. 4900 лет) в дополнение к использованию мертвых образцов означало, что можно было разработать длинную, непрерывную последовательность колец дерева (датируемую примерно 6700 г. до н. э. ). Дополнительные исследования европейских дубов, такие как основная последовательность в Германии, которая датируется примерно 8500 г. до н. э. , также могут быть использованы для резервного копирования и дальнейшей калибровки радиоуглеродных дат. [37]
Дендроклиматология — это наука об определении прошлых климатов по деревьям , в первую очередь по свойствам годичных колец. [38] Другие свойства годичных колец, такие как максимальная плотность поздней древесины (MXD), как было показано, являются лучшими косвенными показателями, чем простая ширина кольца. Используя годичные кольца, ученые оценили многие местные климаты за сотни и тысячи лет до этого. [ необходима цитата ]
Дендрохронология стала важной для историков искусства в датировке картин на панелях . Однако, в отличие от анализа образцов из зданий, которые обычно отправляются в лабораторию, деревянные подставки для картин обычно должны быть измерены в отделе консервации музея, что накладывает ограничения на методы, которые могут быть использованы. [39]
Помимо датировки, дендрохронология также может предоставить информацию об источнике панели. Многие ранние нидерландские картины оказались написанными на панелях из «балтийского дуба», отправленных из региона Вислы через порты Ганзейского союза . Дубовые панели использовались в ряде северных стран, таких как Англия , Франция и Германия . Деревянные подставки, отличные от дуба, редко использовались нидерландскими художниками. [40]
Поскольку использовались панели из выдержанной древесины, при оценке дат необходимо учитывать неопределенное количество лет для выдержки. [41] Панели были обрезаны по внешним кольцам, и часто каждая панель использует только небольшую часть радиуса ствола . Следовательно, исследования по датировке обычно приводят к « terminus post quem » (самой ранней возможной) дате и предварительной дате прибытия выдержанной необработанной панели с использованием предположений относительно этих факторов. [42] В результате установления многочисленных последовательностей удалось датировать 85–90% из 250 картин с четырнадцатого по семнадцатый век, проанализированных между 1971 и 1982 годами; [43] к настоящему времени проанализировано гораздо большее количество.
Портрет Марии, королевы Шотландии в Национальной портретной галерее в Лондоне считался копией восемнадцатого века. Однако дендрохронология показала, что древесина датируется второй половиной шестнадцатого века. Теперь она считается оригинальной картиной шестнадцатого века, написанной неизвестным художником. [44]
С другой стороны, дендрохронология была применена к четырем картинам, изображающим один и тот же сюжет, а именно, Христа, изгоняющего ростовщиков из Храма . Результаты показали, что возраст древесины был слишком поздним для того, чтобы любая из них была написана Иеронимом Босхом . [45]
В то время как дендрохронология стала важным инструментом для датирования дубовых панелей, она неэффективна для датирования тополевых панелей, часто используемых итальянскими художниками, из-за нерегулярных годичных колец у тополя. [46]
В шестнадцатом веке деревянные панели постепенно заменялись холстом в качестве основы для картин, что означает, что эта техника реже применяется к более поздним картинам. [47] Кроме того, многие картины на панелях были перенесены на холст или другие основы в девятнадцатом и двадцатом веках.
Датировка зданий с деревянными конструкциями и компонентами также выполняется дендрохронологией; дендроархеология — это термин для обозначения применения дендрохронологии в археологии. Хотя археологи могут датировать древесину и время ее рубки, может быть сложно окончательно определить возраст здания или сооружения, в котором использовалась древесина; древесина могла быть повторно использована из более старой конструкции, могла быть срублена и оставлена на много лет перед использованием или могла быть использована для замены поврежденного куска дерева. Таким образом, датировка здания с помощью дендрохронологии требует знания истории строительной технологии. [48] Многие доисторические формы зданий использовали «столбы», которые представляли собой целые молодые стволы деревьев; там, где нижняя часть столба сохранилась в земле, они могут быть особенно полезны для датировки.
Примеры:
Существует множество различных форматов файлов, используемых для хранения данных о ширине годичных колец. Усилия по стандартизации были предприняты с разработкой TRiDaS. [54] [55] Дальнейшее развитие привело к созданию программного обеспечения для работы с базами данных Tellervo, [56] которое основано на новом стандартном формате, но при этом способно импортировать множество различных форматов данных. Настольное приложение может быть подключено к измерительным устройствам и работает с сервером базы данных, который устанавливается отдельно. [57]
Бард и др. пишут в 2023 году: «Самые старые серии колец деревьев известны как плавающие, поскольку, хотя их составляющие кольца можно подсчитать, чтобы создать относительную внутреннюю хронологию, их нельзя дендро-сопоставить с основной абсолютной хронологией голоцена. Однако анализы 14C, выполненные с высоким разрешением на перекрывающихся абсолютных и плавающих сериях колец деревьев, позволяют связать их почти абсолютно и, следовательно, расширить калибровку годичных колец деревьев до ≈13 900 кал. лет назад». [58]
Гербхронология — это анализ годичных колец роста (или просто годичных колец) во вторичной корневой ксилеме многолетних травянистых растений . Аналогичные сезонные закономерности наблюдаются также в ледяных кернах и в варвах (слоях отложений осадка в озере, реке или морском дне). Характер отложений в керне будет различаться для замерзшего озера по сравнению с озером, свободным ото льда, а также в зависимости от тонкости осадка. Склерохронология — это изучение отложений водорослей .
Некоторые столбчатые кактусы также демонстрируют схожие сезонные закономерности в изотопах углерода и кислорода в своих колючках ( акантохронология ). Они используются для датирования способом, аналогичным дендрохронологии, и такие методы используются в сочетании с дендрохронологией, чтобы заполнить пробелы и расширить диапазон сезонных данных, доступных археологам и палеоклиматологам .
Похожий метод используется для оценки возраста рыбных запасов путем анализа годичных колец в отолитовых костях.
Предыдущая версия «Отметка времени: бури космических лучей могут устанавливать точные даты в истории от Древнего Египта до викингов» появилась в Science, том 380, выпуск 6641.
{{cite book}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка )