Дендрохронология (или датирование по годичным кольцам ) — это научный метод датирования годичных колец (также называемых годичными кольцами) по точному году , когда они образовались на дереве. Помимо их датировки, это может дать данные для дендроклиматологии — изучения климата и атмосферных условий в разные периоды истории по древесине старых деревьев. Дендрохронология происходит от древнегреческого слова « дендрон » ( δένδρον ), что означает «дерево», «хронос » ( χρόνος ), что означает «время», и -логия ( -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 гибели дерева необходим полный образец до края, чего не может обеспечить большинство обрезных пиломатериалов. Он также дает данные о времени событий и темпах изменений в окружающей среде (особенно в климате), а также в древесине, найденной в археологии , или в произведениях искусства и архитектуры, таких как старые панно . Он также используется для проверки радиоуглеродного датирования для калибровки радиоуглеродного возраста . [2]
Новый рост у деревьев происходит в слое клеток вблизи коры. Скорость роста дерева меняется по предсказуемой схеме в течение года в ответ на сезонные изменения климата, в результате чего появляются видимые годичные кольца. Каждое кольцо отмечает полный цикл времен года или один год в жизни дерева. [2] По состоянию на 2020 год доступны надежно датированные данные о годичных кольцах Северного полушария за 13 910 лет. [3] Новый метод основан на измерении вариаций изотопов кислорода в каждом кольце, и эта «изотопная дендрохронология» может дать результаты на образцах, которые не подходят для традиционной дендрохронологии из-за слишком малого количества или слишком похожих колец. [4]
Греческий ботаник Теофраст (ок. 371 – ок. 287 до н. э.) впервые упомянул о том, что древесина деревьев имеет кольца. [5] [6] В своем « Трактате о живописи » Леонардо да Винчи (1452–1519) был первым, кто упомянул, что деревья ежегодно образуют кольца и что их толщина определяется условиями, в которых они росли. [7] В 1737 году французские исследователи Анри-Луи Дюамель дю Монсо и Жорж-Луи Леклерк де Бюффон исследовали влияние условий выращивания на форму годичных колец. [8] Они обнаружили, что в 1709 году суровая зима привела к появлению отчетливо темного кольца дерева, которое послужило ориентиром для последующих европейских натуралистов. [9] В США Александр Кэтлин Твининг (1801–1884) в 1833 году предположил, что закономерности годичных колец можно использовать для синхронизации дендрохронологии различных деревьев и, таким образом, для реконструкции климата прошлого во всех регионах. [10] Английский эрудит Чарльз Бэббидж предложил использовать дендрохронологию для датировки остатков деревьев в торфяниках или даже в геологических слоях (1835, 1838). [11]
Во второй половине девятнадцатого века начались научные исследования годичных колец и применение дендрохронологии. В 1859 году американец немецкого происхождения Джейкоб Кюхлер (1823–1893) использовал перекрестное датирование для изучения дубов ( Quercus stellata ) с целью изучения климатических данных в западном Техасе. [12] В 1866 году немецкий ботаник, энтомолог и лесник Юлиус Теодор Кристиан Ратцебург (1801–1871) наблюдал воздействие на годичные кольца дефолиации, вызванной заражением насекомыми. [13] К 1882 году это наблюдение уже появлялось в учебниках по лесному хозяйству . [14] В 1870-х годах голландский астроном Якобус Каптейн (1851–1922) использовал перекрестное датирование для реконструкции климатов Нидерландов и Германии. [15] В 1881 году швейцарско-австрийский лесник Артур фон Зекендорф -Гюдент (1845–1886) использовал перекрестное датирование. [16] С 1869 по 1901 год Роберт Хартиг (1839–1901), немецкий профессор лесной патологии, написал серию статей по анатомии и экологии годичных колец. [17] В 1892 году русский физик Федор Никифорович Шведов ( Фёдор Никифорович Шведов ; 1841–1905) писал, что он использовал закономерности, обнаруженные в годичных кольцах, для предсказания засух в 1882 и 1891 годах. [18]
В первой половине двадцатого века астроном А. Е. Дуглас основал Лабораторию исследования годичных колец в Университете Аризоны . Дуглас стремился лучше понять циклы активности солнечных пятен и пришел к выводу, что изменения солнечной активности повлияют на климатические условия на Земле, что впоследствии будет зафиксировано по моделям роста годичных колец ( т. е . солнечные пятна → климат → годичные кольца).
Горизонтальные разрезы ствола дерева могут выявить годовые кольца, также называемые годичными кольцами . Годовые кольца возникают в результате нового роста сосудистого камбия , слоя клеток вблизи коры , который ботаники классифицируют как латеральную меристему ; этот рост в диаметре известен как вторичный рост . Видимые кольца являются результатом изменения скорости роста в зависимости от сезона года; таким образом, что имеет решающее значение для метода титула, одно кольцо обычно отмечает прохождение одного года жизни дерева. Удаление коры дерева на определенном участке может вызвать деформацию колец, так как растение зарастет рубец.
Кольца более заметны на деревьях, выросших 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 «поздневесенняя древесина») . 19] ); внешняя часть представляет собой «позднюю древесину» (иногда называемую «летней древесиной», часто добываемую летом, хотя иногда и осенью) и более плотную. [20] [ нужен лучший источник ]
Многие деревья в зонах умеренного климата ежегодно образуют одно годичное кольцо, причем самое новое прилегает к коре. Таким образом, за весь период жизни дерева складывается годовая запись или кольцевой узор, отражающий возраст дерева и климатические условия, в которых оно росло. Адекватная влажность и длительный вегетационный период приводят к образованию широкого кольца, тогда как засушливый год может привести к очень узкому кольцу.
Непосредственное чтение хронологии колец деревьев — сложная наука по нескольким причинам. Во-первых, вопреки парадигме одного кольца в год, чередование плохих и благоприятных условий, таких как засуха в середине лета, может привести к образованию нескольких колец в течение одного года. Кроме того, у определенных пород деревьев могут быть «недостающие кольца», и это влияет на выбор деревьев для изучения в течение длительного периода времени. Например, отсутствие колец редко встречается у дубов и вязов . [21]
Крайне важно для науки то, что деревья из одного и того же региона, как правило, имеют одинаковую ширину колец для данного периода хронологического исследования. Исследователи могут сравнивать и сопоставлять эти узоры кольцо за кольцом с узорами деревьев, которые росли в то же время в той же географической зоне (и, следовательно, в аналогичных климатических условиях). Когда можно сопоставить эти шаблоны годичных колец с последовательными деревьями в одном и том же месте, перекрываясь, можно построить хронологию - как для целых географических регионов, так и для субрегионов. Более того, древесину древних построек с известной хронологией можно сопоставить с данными годичных колец (метод, называемый перекрестным датированием ), и таким образом можно точно определить возраст древесины. Первоначально дендрохронологи проводили перекрестное датирование путем визуального осмотра; совсем недавно они использовали компьютеры для выполнения этой задачи, применив статистические методы для оценки соответствия. Чтобы исключить индивидуальные различия 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, даты начала и окончания которой неизвестны, называется плавающей хронологией . Его можно закрепить путем сопоставления раздела с другой хронологией (историей годичных колец), даты которой известны.
Полностью закрепленная и перекрестно согласованная хронология дуба и сосны в Центральной Европе насчитывает 12 460 лет, [22] а хронология дуба насчитывает 7 429 лет в Ирландии и 6 939 лет в Англии . [23] Сравнение радиоуглеродного и дендрохронологического возраста подтверждает согласованность этих двух независимых дендрохронологических последовательностей. [24] Другая полностью закрепленная хронология, насчитывающая 8500 лет, существует для щетинистой сосны на юго-западе США ( Белые горы Калифорнии). [25]
Дендрохронологическое уравнение определяет закон роста годичных колец. Уравнение было предложено российским биофизиком Александром Н. Тетирингом в работе «Теория популяций» [26] в виде:
где Δ L — ширина годового кольца, t — время (в годах), ρ — плотность древесины, k v — некоторый коэффициент, M ( t ) — функция массового прироста дерева.
Без учета естественных синусоидальных колебаний 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 годового прироста древесного кольца Δ L ( t ) показаны на рисунках.
Дендрохронология позволяет точно датировать образцы некогда живого материала конкретным годом. [27] Даты часто представляются как предполагаемые календарные годы до настоящего времени , где «настоящее» относится к 1 января 1950 года. [27]
Образцы кернов древесины отбираются и используются для измерения ширины годовых колец; взяв образцы из разных мест в конкретном регионе, исследователи могут построить всеобъемлющую историческую последовательность. Методы дендрохронологии более последовательны в районах, где деревья росли в маргинальных условиях, таких как засушливость или полузасушливость, где рост колец более чувствителен к окружающей среде, а не во влажных районах, где рост годичных колец более равномерен (самоуспокоен). Кроме того, некоторые роды деревьев более подходят для такого типа анализа, чем другие. Например, сосна щетинистая исключительно долговечна и медленно растет, и ее широко использовали для хронологии; еще живые и мертвые экземпляры этого вида представляют собой узоры годичных колец, насчитывающие тысячи лет, а в некоторых регионах - более 10 000 лет. [28] В настоящее время максимальный интервал полностью закрепленной хронологии составляет немногим более 11 000 лет назад.
IntCal20 — это «калибровочная кривая радиоуглеродного возраста 2020 года», которая представляет собой калиброванную последовательность, датированную углеродом-14, насчитывающую 55 000 лет. Самая последняя часть, датируемая 13 900 лет назад, основана на годичных кольцах. [29]
Европейским хронологиям, основанным на деревянных конструкциях, первоначально было трудно преодолеть разрыв в четырнадцатом веке, когда произошел перерыв в строительстве, который совпал с Черной смертью [ 30] . Однако существуют непрерывные хронологии, относящиеся к доисторическим временам, например датская хронология, датируемая 352 г. до н.э. [31]
Учитывая образец древесины, изменение годичных годичных наростов не только обеспечивает соответствие по годам, но также может соответствовать местоположению, поскольку климат варьируется от места к месту. Это позволяет определить происхождение кораблей, а также более мелких изделий из дерева, но перевозившихся на большие расстояния, таких как панно для картин и корабельный брус. [ нужна цитата ]
События Мияке , такие как события 774–775 и 993–994 годов , могут обеспечить фиксированные точки отсчета в неизвестной временной последовательности, поскольку они обусловлены космическим излучением. Поскольку они появляются в виде пиков углерода 14 в годовых кольцах деревьев по всему миру, их можно использовать для датировки исторических событий этим годом. [32] Например, деревянные дома на стоянке викингов в Л'Анс-о-Медоуз в Ньюфаундленде были датированы путем обнаружения слоя с шипом 993 года, который показал, что древесина взята из дерева, срубленного в 1021 году. [33]
Кольцо инея — это термин, используемый для обозначения слоя деформированных, спавшихся трахеид и травмированных клеток паренхимы при анализе годичных колец. Они образуются при понижении температуры воздуха ниже нуля в период камбиальной деятельности. Их можно использовать в дендрохронологии для обозначения лет, которые холоднее, чем обычно. [34]
Даты дендрохронологии могут использоваться в качестве калибровки и проверки радиоуглеродного датирования . [27] Это можно сделать, сверив радиоуглеродные даты с длинными мастер-последовательностями, при этом калифорнийские сосны с щетинистыми шишками в Аризоне используются для разработки такого метода калибровки, как долговечность деревьев (до около 4900 лет) в дополнение к использование мертвых образцов означало, что можно было создать длинную, непрерывную последовательность годичных колец (датируемую примерно 6700 г. до н.э. ). Дополнительные исследования европейских дубов, такие как основная последовательность в Германии, датируемая ок . 8500 г. до н. э. , также может использоваться для резервного копирования и дальнейшей калибровки радиоуглеродных дат. [35]
Дендроклиматология — наука об определении климата прошлого по деревьям , прежде всего по свойствам годовых колец деревьев. [36] Было показано , что другие свойства годовых колец, такие как максимальная плотность поздней древесины (MXD), являются лучшими показателями, чем простая ширина колец. Используя годичные кольца, ученые оценили климат многих местных регионов на протяжении сотен и тысяч лет назад. [ нужна цитата ]
Дендрохронология стала важной для историков искусства при датировке панно . Однако в отличие от анализа образцов из зданий, которые обычно отправляются в лабораторию, деревянные подставки для картин обычно приходится измерять в отделе консервации музея, что накладывает ограничения на методы, которые можно использовать. [37]
Помимо датировки, дендрохронология также может предоставить информацию об источнике панели. Многие ранние нидерландские картины оказались написанными на панелях «балтийского дуба», доставленных из Вислинского региона через порты Ганзейского союза . Дубовые панели использовались в ряде северных стран, таких как Англия , Франция и Германия . Нидерландские художники редко использовали деревянные опоры, кроме дуба. [38]
Поскольку использовались панели из выдержанной древесины, при оценке дат необходимо учитывать неопределенное количество лет для выдержки. [39] Панели были обрезаны из внешних колец, и часто каждая панель использует только небольшую часть радиуса ствола . Следовательно, исследования датирования обычно приводят к определению « terminus post quem » (самой ранней возможной) даты и предварительной даты прибытия выдержанной необработанной панели с использованием предположений относительно этих факторов. [40] В результате установления многочисленных последовательностей удалось датировать 85–90% из 250 проанализированных картин четырнадцатого-семнадцатого веков в период с 1971 по 1982 год; [41] к настоящему времени проанализировано гораздо большее их количество.
Считалось, что портрет Марии, королевы Шотландии в Национальной портретной галерее в Лондоне, является копией восемнадцатого века. Однако дендрохронология показала, что древесина датируется второй половиной шестнадцатого века. Сейчас она считается оригинальной картиной неизвестного художника XVI века. [42]
С другой стороны, дендрохронология была применена к четырем картинам, изображающим один и тот же сюжет: Христос, изгоняющий ростовщиков из Храма . Результаты показали, что возраст дерева слишком поздний, чтобы какой-либо из них мог быть написан Иеронимом Босхом . [43]
Хотя дендрохронология стала важным инструментом для датировки дубовых панелей, она неэффективна для датировки панелей из тополя, часто используемых итальянскими художниками, из-за беспорядочных годичных колец на тополе. [44]
В шестнадцатом веке произошла постепенная замена деревянных панелей холстом в качестве основы для картин, а это означает, что эта техника реже применяется к более поздним картинам. [45] Кроме того, многие панно были перенесены на холст или другие подставки в девятнадцатом и двадцатом веках.
Датировка построек с деревянными конструкциями и деталями также производится с помощью дендрохронологии; дендроархеология — термин, обозначающий применение дендрохронологии в археологии. Хотя археологи могут датировать древесину и указать, когда она была срублена, может быть сложно окончательно определить возраст здания или сооружения, в котором использовалась древесина; древесина могла быть повторно использована из старой конструкции, могла быть срублена и оставлена на много лет перед использованием, или могла быть использована для замены поврежденного куска дерева. Таким образом, датировка зданий с помощью дендрохронологии требует знаний истории строительных технологий. [46] 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 датирования.
Примеры:
Существует множество различных форматов файлов, используемых для хранения данных о ширине годичных колец. Усилия по стандартизации были предприняты с разработкой TRiDaS. [52] [53] Дальнейшее развитие привело к созданию программного обеспечения для баз данных Tellervo, [54] которое основано на новом стандартном формате и в то же время позволяет импортировать множество различных форматов данных. Настольное приложение может быть подключено к измерительным устройствам и работает с сервером базы данных, который устанавливается отдельно. [55]
Бард и др. пишут в 2023 году: «Самые старые серии годичных колец известны как плавающие, поскольку, хотя составляющие их кольца можно подсчитать для создания относительной внутренней хронологии, их нельзя дендро сопоставить с основной абсолютной хронологией голоцена. Однако 14C Анализы, выполненные с высоким разрешением на перекрывающихся сериях абсолютных и плавающих годичных колец, позволяют связать их почти абсолютно и, следовательно, продлить калибровку годовых колец до ≈13 900 кал. лет назад». [56]
Гербхронология — это анализ годовых колец (или просто годовых колец) во вторичной корневой ксилеме многолетних травянистых растений . Аналогичные сезонные закономерности наблюдаются также в ледяных кернах и варвах (слоях отложений на дне озера, реки или моря). Характер отложений в керне будет различаться для замерзшего озера и для незамерзающего озера, а также в зависимости от крупности отложений. Склерохронология – это изучение отложений водорослей .
Некоторые столбчатые кактусы также демонстрируют схожие сезонные закономерности в изотопах углерода и кислорода в их колючках ( акантохронология ). Они используются для датирования аналогично дендрохронологии, и такие методы используются в сочетании с дендрохронологией, чтобы заполнить пробелы и расширить диапазон сезонных данных, доступных археологам и палеоклиматологам .
Аналогичный метод используется для оценки возраста рыбных запасов путем анализа годичных колец в костях отолитов .
Предыдущая версия «Отмечая время: бури космических лучей могут установить точные даты в истории от древнего Египта до викингов» появилась в журнале Science, том 380, выпуск 6641.
{{cite book}}
: CS1 maint: location (link)