Бомбовый импульс — это внезапное увеличение содержания углерода-14 ( 14 C) в атмосфере Земли из-за сотен наземных испытаний ядерных бомб , которые начались в 1945 году и усилились после 1950 года до 1963 года, когда Соединенными Штатами, Советским Союзом и Великобританией был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия . [2] За этими сотнями взрывов последовало удвоение относительной концентрации 14 C в атмосфере. [3]
Причина термина «относительная концентрация» заключается в том, что измерения уровней 14 C масс-спектрометрами наиболее точно производятся путем сравнения с другим изотопом углерода, часто распространенным изотопом 12 C. Коэффициенты распространенности изотопов не только легче измерять, они являются тем, что нужно исследователям углеродного датирования 14 C, поскольку именно доля углерода в образце, которая является 14 C, а не абсолютная концентрация, представляет интерес для измерений датирования. На рисунке показано, как доля углерода в атмосфере, которая является 14 C, порядка всего лишь одной части на триллион, изменилась за последние несколько десятилетий после испытаний бомб. Поскольку концентрация 12 C увеличилась примерно на 30% за последние пятьдесят лет, тот факт, что «pMC», измеряющий изотопное отношение, вернулся (почти) к своему значению 1955 года, означает, что концентрация 14 C в атмосфере остается примерно на 30% выше, чем когда-то. Углерод-14, радиоизотоп углерода, естественным образом вырабатывается в следовых количествах в атмосфере и может быть обнаружен во всех живых организмах. Углерод всех типов постоянно используется для формирования молекул клеток организмов . Удвоение концентрации 14 C в атмосфере отражается в тканях и клетках всех организмов, которые жили в период ядерных испытаний. Это свойство имеет множество применений в областях биологии и судебной экспертизы .
Радиоизотоп углерода-14 постоянно образуется из азота-14 ( 14N ) в верхних слоях атмосферы входящим космическим излучением , которое генерирует нейтроны . Эти нейтроны сталкиваются с 14N , образуя 14C , который затем соединяется с кислородом, образуя 14CO2 . Этот радиоактивный CO2 распространяется через нижние слои атмосферы и океаны, где он поглощается растениями и животными, которые питаются растениями. Таким образом, радиоизотоп 14C становится частью биосферы , так что все живые организмы содержат определенное количество 14C . Ядерные испытания вызвали быстрое увеличение атмосферного 14C (см. рисунок), поскольку взрыв атомной бомбы также создает нейтроны , которые снова сталкиваются с 14N и производят 14C . С момента запрета ядерных испытаний в 1963 году относительная концентрация атмосферного 14C медленно снижается со скоростью 4% в год. Это непрерывное снижение позволяет ученым, среди прочего, определять возраст умерших людей и позволяет им изучать активность клеток в тканях. Измеряя количество 14C в популяции клеток и сравнивая его с количеством 14C в атмосфере во время или после взрыва бомбы, ученые могут оценить, когда были созданы клетки и как часто они обновлялись с тех пор. [3]
Радиоуглеродное датирование используется с 1946 года для определения возраста органического материала возрастом до 50 000 лет. Когда организм умирает, обмен 14 C с окружающей средой прекращается, и включенный 14 C распадается. Учитывая постоянный распад радиоизотопов (период полураспада 14 C составляет около 5730 лет), относительное количество 14 C, оставшееся в мертвом организме, можно использовать для расчета того, как давно он умер. Датирование с помощью импульса бомбы следует считать особой формой углеродного датирования. Как обсуждалось выше и в эпизоде Radiolab , Элементы (раздел «Углерод») [4] при датировании с помощью импульса бомбы медленное поглощение атмосферного 14 C биосферой можно рассматривать как хронометр. Начиная с импульса около 1963 года (см. рисунок), относительное содержание атмосферного радиоуглерода уменьшалось примерно на 4% в год. Таким образом, при датировании с помощью импульса бомбы уменьшается относительное количество 14 C в атмосфере, а не количество 14 C в мертвых организмах, как в случае классического радиоуглеродного датирования. Это уменьшение атмосферного 14 C может быть измерено в клетках и тканях и позволило ученым определить возраст отдельных клеток и умерших людей. [5] [6] [7] Эти приложения очень похожи на эксперименты, проводимые с анализом импульса-преследования , в котором клеточные процессы изучаются с течением времени путем воздействия на клетки меченого соединения (импульс), а затем того же соединения в немеченой форме (преследование). Радиоактивность является широко используемой меткой в этих экспериментах. Важным отличием между анализом импульса-преследования и датированием с помощью импульса бомбы является отсутствие преследования в последнем.
Около 2030 года импульс бомбы прекратится. Каждый организм, родившийся после этого, не будет иметь обнаруживаемых следов импульса бомбы, и их клетки не могут быть датированы таким образом. Радиоактивные импульсы не могут этически вводиться людям только для изучения оборота их клеток, поэтому результаты импульса бомбы можно рассматривать как полезный побочный эффект ядерных испытаний. [4]
Тот факт, что клетки и ткани отражают удвоение 14 C в атмосфере во время и после ядерных испытаний, оказался весьма полезным для ряда биологических исследований, для судебной экспертизы и даже для определения года, в котором было произведено определенное вино. [8]
Биологические исследования, проведенные Кирсти Сполдинг, продемонстрировали, что нейрональные клетки по сути статичны и не восстанавливаются в течение жизни. [9] Она также показала, что количество жировых клеток устанавливается в детстве и подростковом возрасте. Учитывая количество 14 C, присутствующего в ДНК, она смогла установить, что 10% жировых клеток обновляются ежегодно. [10] Импульс радиоуглеродной бомбы использовался для проверки колец отолитов (возраст, оцененный по срезам отолитов) у нескольких видов рыб, включая пресноводного горбыля , [11] озерного осетра , [12 ] бледного осетра , [13] большеротого буйвола , [14] арктических лососевых , [15] Pristipomoides filamentosus [16] , нескольких рифовых рыб, [17] среди множества других проверенных пресноводных и морских видов. Точность проверки возраста радиоуглеродной бомбы обычно составляет +/- 2 года, поскольку период подъема (1956-1960) очень крутой. [11] [14] [15] Бомбоимпульс также использовался для оценки (но не подтверждения) возраста гренландских акул путем измерения включения 14 C в хрусталик глаза во время развития. После определения возраста и измерения длины акул, родившихся около бомбоимпульса, стало возможным создать математическую модель, в которой длина и возраст акул были соотнесены для того, чтобы вывести возраст более крупных акул. Исследование показало, что гренландская акула, возраст которой составляет 392 +/- 120 лет, является старейшим известным позвоночным. [18]
В момент смерти поглощение углерода прекращается. Учитывая, что ткань, которая содержала импульс бомбы 14 C, быстро уменьшалась со скоростью 4% в год, стало возможным установить время смерти двух женщин в судебном деле путем исследования тканей с быстрым оборотом. [5] Другим важным применением стала идентификация жертв цунами в Юго-Восточной Азии 2004 года путем исследования их зубов. [6]
Возмущение атмосферного 14 C в результате испытания бомбы дало возможность проверить модели атмосферного переноса и изучить перемещение углерода между атмосферой и океаническими или наземными поглотителями. [19]
Атмосферная бомба 14 C использовалась для подтверждения возраста годичных колец деревьев и датирования современных деревьев, не имеющих годичных колец. [20] Ее также можно использовать для определения скорости роста тропических деревьев и пальм, не имеющих видимых годичных колец. [21]