ხის რგოლებიდან რადიომეტრიამდე

ალბათ, ბევრჯერ გსმენიათ, რომ ხის ასაკს მისი რგოლების დახმარებით გავიგებთ. ეს მართლაც ასეა და ამ მეთოდს დენდროქრონოლოგია ჰქვია. თუმცა სამყაროში და მათ შორის, ჩვენს დედამიწაზეც არის ხის არსებობაზე ხანგრძლივი პროცესები, რომლებიც დროის გაცილებით დიდ ინტერვალზე ვრცელდება. მაგალითად, ნივთიერებათა რადიოაქტიური იზოტოპების ნახევარდაშლა.

მეთოდს, რომლის გავლითაც რადიოაქტიურ იზოტოპებს ქანებისა თუ მთლიანი დედამიწის დასათარიღებლად იყენებენ, რადიომეტრია ჰქვია. მისმა შემუშავებამ და დანერგვამ გეოლოგიის დარგში რევოლუციას დაუდო საფუძველი. მან მოგვცა საშუალება, დაგვენახა, თუ როგორი იყო დედამიწა მილიონობით ან მილიარდობით წლის წინ. მით უფრო, როცა ვიცით, რომ დედამიწაზე გავრცელებული იზოტოპების უმრავლესობა შორეულ წარსულში, დედამიწის წარმოქმნისდროინდელი ბირთვული პროცესებისას წარმოიშვა.

ეს მეთოდი, მაღალი სიზუსტის გამო, ყველაზე ხშირად გამოიყენება, თუმცა როგორ მუშაობს ის?

რადიომეტრიის მუშაობის პრინციპის გასაგებად ცოტა რამ უნდა ვიცოდეთ რადიოაქტიურ დაშლაზე, მანამდე კი ატომის შედგენილობა უნდა გავიხსენოთ. ატომი შედგება ბირთვისგან და მის გარშემო მოძრავი ელექტრონებისგან. რადიოაქტიური დაშლა ეწოდება პროცესს, რომლის დროსაც ატომბირთვი გამოყოფს ნაწილაკებს ან ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. ბირთვის დაშლის შედეგად ახალი ბირთვი ჩნდება, რომელსაც შვილობილი ბირთვი ეწოდება.

ყოველი ბირთვის დაშლის პროცესს გააჩნია უნიკალური მახასიათებელი სიდიდე — ნახევარდაშლის პერიოდი. ზუსტად ამ პერიოდთანაა დაკავშირებული დათარიღების მეთოდი და ისევ ხეებს რომ დავუბრუნდეთ — თუ ხეების ასაკის დადგენაში მათი რგოლები გვეხმარება, დედამიწის, მისი ქანებისა თუ სხვადასხვა არტეფაქტის დათარიღება რადიოაქტიური იზოტოპების ნახევარდაშლის პერიოდების ცოდნით შეგვიძლია და არამხოლოდ. თუმცა ახლა რადიომეტრულ დათარიღებაზე ვკონცენტრირდეთ.

როგორ ხდება რადიომეტრიული დათარიღება? (მათ შორის საქართველოში)

ზოგიერთი ბირთვის ნახევრდაშლის პერიოდი ძალიან გრძელია. მაგალითად ურან-238-ის ტყვია-206 მდე ნახევარდაშლის პერიოდი 4.5 მილიარდი წელიწადის ტოლია. გეოლოგები ამ და სხვა რადიოაქტიური დაშლის პროცესს გეოლოგიურ საათად იყენებენ. ისინი იღებენ გამოსაკვლევ მასალას (ფილას, ქვას, ქანის ნატეხს) და ზომავენ მასში ბირთვების და მათი შვილობილი ბირთვების რაოდენობას. მათი რაოდენობების შედარება კი იძლევა უპრეცედენტო სიზუსტით დათარიღების საშუალებას.

მაგალითად, 2019 წელს ჩატარებული კვლევის მიხედვით სწორედ ურანის და მისი შვილობილი ბირთვების რაოდენობის შედარებით მოხერხდა საქართველოში ძირულას მასივის ქანების დათარიღება და აღმოჩნდა, რომ მისი ასაკი დაახლოებით 330 მილიონი წელია.

ასევე იხილეთ: საიდან ვიცით, რომ ძირულას ქანები 330 მილიონი წლისაა

გარდა ამისა, რადიომეტრია გამოყენებულია საქართველოში არსებული მსოფლიო მნიშვნელობის არქეოლოგიური ძეგლების — დმანისისა და ოროზმანის დასათარიღებლად. რადიომეტრიის ერთ-ერთი მიმართულების — არგონ-არგონის დათარიღების მეთოდის მეშვეობით, 2010 წელს დაადგინეს ამ ძეგლების ასაკი, შესაბამისად, დედამიწაზე ზეზვასა და მზიას ცხოვრების პერიოდი.

///

დმანისის, ისევე როგორც ოროზმანის ძეგლი ორ ვულკანურ ამოფრქვევას შორისაა შემონახული. დაახლოებით 70 000-წლიანი ინტერვალით მომხდარმა ვულკანურმა ამოფრქვევებმა აქ ადამიანის ევოლუციის ისტორიისთვის ფასდაუდებლად მნიშვნელოვანი “დროის კაფსულა” ორ ვულკანურ ფენას შორის მოაქცია, ასე ვთქვათ, დააკონსერვა და შემოგვინახა. ძეგლების ქვედა და ზედა ზღვარზე (ვულკანურ ქანებზე) არგონის იზოტოპების (40Ar/39Ar) ნახევრდაშლის პერიოდზე დაკვირვებამ შესაძლებელი გახადა, გაგვერკვია, რამდენი წლის წინ ცხოვრობდნენ ჰომინიდები ახლანდელი საქართველოს ტერიტორიაზე. ეს 1 770 000-დან და 1 840 000 წლამდე პერიოდია.

ასევე იხილეთ: უძველესი ადამიანის კვალზე — საქართველოში 1.8 მილიონი წლის კიდევ ერთი ძეგლი აღმოაჩინეს

სხვადასხვა რადიოაქტიური იზოტოპის დაშლის დრო მათზე მრავალწლიანი დაკვირვების, ექსპერიმენტული შესწავლისა და მათემატიკური მოდელების დახმარებითაა დადგენილი. ცნობილია, რომ თითოეული იზოტოპის შემთხვევაში დროთა განმავლობაში ეს სიდიდე არ იცვლება. ეს საათი მუდმივად წიკწიკებს, ამა თუ იმ იზოტოპის ჩამოყალიბების დღიდან.

მაგალითად: როდესაც კალიუმი შედის მინერალში, რომელიც წარმოიქმნება ვულკანური ლავის გაციებისას, არგონი ატმოსფეროში გამოიყოფა, სანამ ლავა ჯერ კიდევ ცხელია. ხოლო როდესაც ლავა საკმარისად გაცივდება და მინერალად იქცევა, კალიუმის რადიოაქტიური იზოტოპი ნელ-ნელა დაშლას იწყებს და სტაბილურ არგონად იქცევა, რომელიც მინერალში გროვდება და მისგან გამოღწევას ვეღარ ახერხებს. სწორედ მისი შესწავლით ხერხდება ვულკანური ქანების დათარიღება. აქვე გეტყვით, რომ კალიუმის რადიოაქტიური იზოტოპის, კალიუმ-40-ის, ნახევარდაშლის პერიოდი 1.3 მილიარდი წელია, რაც კალიუმ-40-ით დათარიღებას არქეოლოგიისთვის განსაკუთრებით გამოსადეგად აქცევს.

როგორ დაათარიღეს უძველესი ნიმუში დედამიწაზე — 4.39 მილიარდი წლის ცირკონის კრისტალი

დედამიწის ევოლუციის პირველადი ფაზებიდან ჩვენს პლანეტაზე ერთადერთი ფიზიკური მტკიცებულება მოიპოვება და ეს ცირკონია. უძველესი მინერალის კრისტალებს, როგორც წესი, ურან-თორიუმის ნახევარდაშლაზე (U–Th–Pb) დაკვირვებით ათარიღებენ. 2014 წელს გამოქვეყნებულ კვლევაში კი დასავლეთ ავტრალიაში, კერძოდ ჯეკ ჰილსის კლდეზე ნაპოვნი ცირკონის კრისტალის დათარიღების გადასამოწმებლად მეთოდი სახელად Atom-probe tomography გამოიყენეს.

მიჩნეულია, რომ დაახლოებით 3 მილიარდი წლის წინ დედამიწის სიღრმეში ფორმირებული ეს მინერალები ზედაპირზე კონტინენტური ქერქის სახით ამოვიდა და მდინარის კალაპოტის ნაწილი გახდა. კვლევის ფარგლებში ავსტრალიაში ნაპოვნი 100 000-ზე მეტი მიკროსკოპული ცირკონი გამოყვეს, რომლებიც 3-იდან თითქმის 4.4 მილიარდი წლით იყო დათარიღებული. (შეგახსენებთ, რომ თვითონ დედამიწა 4.54 მილიარდი წლისაა). თითოეული კრისტალი მიკროსკოპულ ჩანართებს, ერთგვარ ბუშტუკებს შეიცავს, რაც უნიკალური შესაძლებლობაა მათი ფორმირების მომენტისთვის დედამიწაზე არსებული გარემოს შესასწავლად. 100 000 ცირკონის კრისტალიდან მხოლოდ 3 უძველესი იპოვეს, რომლებიც დაახლოებით 4.4 მილიარდი წლით თარიღდება.

აღსანიშნავია, რომ მათი ასაკი განხილვის საგანი იყო და იწვევდა ეჭვს, ხომ არ იყო კრისტალები რადიაციულად დაზიანებული. სხვაგვარად რომ ვთქვათ, ადამიანთა ნაწილი გამოთქვამდა ეჭვს, რომ შეიძლება ასაკი ზუსტი არ იყო და დათარიღების შედეგი რადიაციული დაბინძურების გავლენით იყო მიღებული.

ცირკონის კრისტალებში ურანის ორ ბუნებრივ იზოტოპს ვხვდებით. როგორც ზემოთ ავხსენი, ურანის ნახევარდაშლას 4.5 მილიარდი წელი სჭირდება და სწორედ ურანის ნახევარდაშლის გზით მიღებულ ტყვიის იზოტოპებზე დაკვირვებით ადგენენ ცირკონის კრისტალის ასაკს. თუმცა, კონკრეტულად, როცა კრისტალის დათარიღებაზე მიდგება საქმე, მიიჩნევა, რომ რადიოაქტიური დაშლისას გამოყოფილ ალფა ნაწილაკებს შეუძლია კრისტალი დააზიანოს და დეფექტები შექმნას. თავის მხრივ, დეფექტების შესაძლო არსებობა იმას ნიშნავს, რომ სხვადასხვა სითხესა თუ გარე ელემენტს კრისტალში შეღწევა შეუძლია. გარდა ამისა, ნახევარდაშლის პროცესში მიღებულ ტყვიას ცირკონში გადაადგილება შეუძლია, რამაც ასევე შეიძლება დათარიღებისას უზუსტობები წარმოქმნას. მსგავი მსჯელობები აქამდე კრისტალების რადიომეტრულ დათარიღებას ეჭვქვეშ აყენებდა. სწორედ ამ ეჭვების გადასამოწმებლად გადაწყვიტეს მკვლევრებმა ახალი მეთოდის გამოყენება.

Atom-probe tomography-ის გამოყენებით მკვლევრები უძველეს ცირკონის კრისტალს დააკვირდნენ. აღმოჩნდა, რომ რადიაციული დაზიანების მიუხედავად, ურანის ნახევარდაშლის შედეგად მიღებული ტყვიის ატომები ისევ კრისტალში იყრიდა თავს. მკვლევრებმა კრისტალში არსებული თითოეული ტყვიის ატომი დათვალეს. ცირკონის შიგნით ტყვიის ატომები დაზიანებულ ზონებში იყრიდა თავს, სულ რამდენიმე ნანომეტრის სიგანეზე.

"ჩვენ მოვახერხეთ იმის დემონსტრირება, რომ ცირკონი დახურული გეოქიმიური სისტემაა. ამის საშუალება აქამდე არასდროს გვქონია. ეჭვგარეშეა, რომ ცირკონები განიცდის რადიაციულ დაზიანებას, თუმცა ამ კონკრეტულ ცირკონის კრისტალებთან დაკავშირებით ეს კითხვა აქტუალური აღარაა", — განაცხადა Live Science-თან ინტერვიუში კვლევის წამყვანმა ავტორმა, ჯონ ვალეიმ.

კვლევამ, ტომოგრაფიულ მონაცემებზე დაყრდნობით, დაადასტურა, რომ ცირკონის კრისტალებთან მიმართებაში რადიმეტრული დათარიღებას შეგვიძლია თამამად ვენდოთ.

მეცნიერებმა დაადასტურეს, რომ ავსტრალიის მთებში ნაპოვნი კრისტალი 4.39 მილიარდი წლით თარიღდება. ეს მას პლანეტის ქერქის ყველაზე ადრეულ დადასტურებულ ნიმუშად აქცევს და გვაძლევს გარკვეულ მინიშნებებს იმის შესახებ, თუ როგორ გაჩნდა სიცოცხლე დედამიწაზე.

ნახეთ: დედამიწის უძველესი ნიმუში, რომელიც 4.4 მილიარდი წლით თარიღდება

როგორ ათარიღებენ ადამიანების ნაშთებს ან თიხის ნაკეთობებს?

რაც შეეხება ადამიანებისა თუ ცხოველების ძვლებს, ანუ ნარჩენებს, რომლებსაც ძველი სამარხები ან სულაც უახლესი წარსული გვინახავს — მათი ასაკის დასადგენად ხშირად რადიონახშირბადულ დათარიღებას იყენებენ. პრინციპი იგივეა — მეცნიერებისთვის ცნობილია, რომ ნახშირბად-14-ის ნახევარდაშლის პერიოდი 5 730 წელია. და როგორ გამოიყენება ეს ორგანიზმების ნარჩენების დასათარიღებლად?

ნახშირბადის რადიოაქტიური იზოტოპი, აზოტზე მზის სხივების ზემოქმედების გავლენით, მუდმივად წარმოიქმნება ატმოსფეროში და წარმოქმნის სხვა ნივთიერებებს, რომლებსაც ჩვენ — ადამიანები თუ სხვა ცოცხალი ორგანიზმები, ასევე მცენარეები ვიღებთ. ნახშირბად-14-ის სახელით ცნობილ იზოტოპს ადამიანები სუნთქვისას ამოვისუნთქავთ, მცენარეები კი მას შთანთქავენ. როცა ვკვდებით, ორგანიზმსა და გარემოს შორის ნახშირბადის ამ კონკრეტული იზოტოპის მიმოცვლაც წყდება. ორგანიზმში დარჩენილი ნახშირბად-14 იწყებს რადიოაქტიურ დაშლას. როგორც კი არქეოლოგები აღმოაჩენენ ძველი მცენარის ნაშთს ან ცხოველის ძვალს, მათ შეუძლიათ დაადგინონ მისი დაახლოებითი ასაკი, იმის მიხედვით, თუ რა რაოდენობის ნახშირბად-14 დაიშალა მისი სიკვდილიდან მიმდინარე მომენტამდე.

თიხის ნაკეთობების ასაკის დასადგენად კი მეოცე საუკუნის 60-იანი წლებიდან იყენებენ თერმოლუმინესცენტურ დათარიღებას. გამოწვის შემდეგ თიხაში არსებული რადიოაქტიური ელემენტები დაშლას განიცდის, თუმცა გამოყოფილი ენერგია გარეთ ვეღარ გამოდის და იქვე გროვდება. აღმოჩენილი კერამიკის ფრაგმენტის ხელმეორედ, მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელების შედეგად ხდება დაგროვილი ენერგიის სინათლის სახით გამოყოფა. სინათლის ინტენსივობის გაზომვით მეცნიერები ადგენენ, თუ რამდენი წლის წინაა გამომწვარი თიხის კონკრეტული ნაკეთობა.

დედამიწა მის მეხსიერებას სხვადასხვა ფორმით ინახავს, ჩვენ კი მის წაკითხვას სულ უფრო მრავალფეროვანი მეთოდებით ვახერხებთ. ერთ-ერთი ასეთი მეთოდი არქეომაგნეტიზმია, რომელიც დედამიწის მაგნიტური ველის მუდმივ მოძრაობას, ანუ გეომაგნეტურ ცვალებადობას ეყრდნობა.

გათხრებისას ნაპოვნი არტეფაქტები დედამიწის მაგნიტური ველის მდებარეობასთან დაკავშირებულ მონაცემებს, ერთგვარ ანაბეჭდს ინახავს. ზოგიერთი მასალის, მაგალითად გამომწვარი თიხის ნაკეთობის კონკრეტულ ტემპერატურაზე გაცხელების შედეგად ის ამ მაგნიტურ ჩანაწერს კარგავს (რკინის ოქსიდების სახით). სწორედ რკინის ოქსიდზე დაკვირვებით ადგენენ მეცნიერები აღმოჩენის ასაკს. აღსანიშნავია, რომ პარალელურად არსებობს დედამიწის მაგნიტური ველის ცვალებადობის გრაფიკი, რომელთან შედარების შემდეგაც ხდება ასაკის განსაზღვრა.

არქეომაგნეტიზმი, ერთდროულად, არქეოლოგიური ობიექტების დათარიღების საშუალებაცაა და დედამიწის მაგნიტური ველის ცვალებადობის უკეთ შესასწავლი ინსტრუმენტიც.

დედამიწა, როგორც საკვლევი ნიმუში

მიუხედავად იმისა, რომ დღეს დედამიწა მეტნაკლებად სტაბილურ პლანეტად მიგვაჩნია, 4.54 მილიარდი წლის განმავლობაში მისი ზედაპირი დრამატულად იცვლებოდა. ჩნდებოდა ოკეანეები, მთები თუ კონტინენტები. დედამიწის ზედაპირი ახლაც იცვლება, თუმცა ეს პროცესი იმდენად ნელა მიმდინარეობს, რომ ადამიანის ცხოვრების ციკლის მანძილზე მისი შემჩნევა შეუსრულებელი მისიაა.

დედამიწის და შესაბამისად, ჩვენი ისტორიის თავსატეხში თუნდაც ერთი კვანძის გასახსნელად ერთი ადამიანის სიცოცხლე საკმარისი შეიძლება არ იყოს, მაგრამ ამისთვის ხანდახან შეიძლება ერთი ცირკონის კრისტალი ან უძველესი ადამიანის ნაშთები ვიკმაროთ.

დედამიწაზე არსებული თითოეული ქვა, ნამარხი, კლდე თუ მღვიმე სპეციფიკურ ინფორმაციას ინახავს. მეცნიერებამ ნელ-ნელა ამ ჩვენი პლანეტის დროის ანაბეჭდებისა და მინიშნებების კითხვა დაიწყო. არტეფაქტების დათარიღების მეთოდების შემუშავება სწორედ ამის დასტურია. ზემოთ და ქვემოთ ჩამოთვლილი მეთოდების გარდა უამრავი გზა არსებობს, რითაც უძველეს ნიმუშებზე მეტის გაგება შეგვიძლია. ქვემოთ მოცემულ ცხრილში მხოლოდ რამდენიმე მათგანს გთავაზობთ.

დღეს არქეოლოგიის კუთხით მხოლოდ არქეოლოგები როდი მუშაობენ. ეს სფერო ერთ-ერთია იმ მრავალთაგან, რომელიც, თანამედროვე სტანდარტების გათვალისწინებით, მულტიდისციპლინარულ მიდგომას მოითხოვს. დათარიღების საქმეში მონაწილეობენ გეოლოგები, ფიზიკოსები, ქიმიკოსები, ბიოლოგები, გენეტიკოსები, ანთროპოლოგები, მხატვრები და ა.შ. დათარიღების მიზნის გარშემო სხვადასხვა პროფესიის ადამიანის გაერთიანება კი სამომავლოდ კიდევ უფრო მეტი მეთოდის არსებობის წინაპირობაა.