Từ giữa thập niên 1950 tới đầu thập niên 1960, các vụ thử vũ khí hạt nhân trên mặt đất gần như nhân đôi lượng carbon-14 trong khí quyển Bắc bán cầu. Đỉnh nhọn ấy rồi giảm dần mỗi năm, nên đo carbon-14 một vật liệu sinh ra sau đó có thể cho biết năm hình thành, chính xác tới vài năm.
Với định tuổi carbon-14 thông thường, vụ thử hạt nhân là một phiền toái, lý do khiến mốc “hiện tại” bị chốt ở năm 1950. Nhưng với các nhà pháp y, sinh học và người chống buôn lậu động vật hoang dã, chính phiền toái ấy lại là món quà. Đây là một trong số ít trường hợp đồng hồ phóng xạ đo được tuổi của thứ chỉ vài chục năm, với độ phân giải tính bằng năm chứ không phải thế kỷ.
Phần dưới đi lần lượt từ cách đỉnh carbon bom hình thành, cách đọc đường cong, tới những ứng dụng đang dùng và những điểm phương pháp này bắt đầu kém đi.
Đỉnh carbon bom hình thành và giảm dần ra sao?
Một vụ nổ hạt nhân trong khí quyển giải phóng lượng lớn neutron. Giống như tia vũ trụ, các neutron này biến nitơ thành carbon-14, chỉ có điều với khối lượng khổng lồ trong thời gian ngắn. Lượng carbon-14 trong không khí Bắc bán cầu tăng vọt, đạt đỉnh vào khoảng năm 1963 đến 1965, gần gấp đôi mức trước đó. Nam bán cầu cũng tăng nhưng thấp hơn và trễ hơn đôi chút, vì không khí hai bán cầu trộn với nhau chậm.
Hiệp ước cấm thử hạt nhân trong khí quyển năm 1963 chấm dứt phần lớn các vụ thử trên mặt đất. Từ đó, lượng carbon-14 dư dần bị đại dương và sinh quyển hấp thụ, đồng thời bị pha loãng bởi carbon cổ từ đốt nhiên liệu hoá thạch. Đường cong đi xuống đều qua các thập niên và tới khoảng những năm gần đây đã về gần mức trước thời thử hạt nhân.
Nhờ các trạm đo khí quyển và vòng cây sống qua giai đoạn đó, giới khoa học có bản ghi carbon-14 theo từng năm, thậm chí theo mùa. Đó là đường cong tham chiếu cho mọi phép định tuổi bằng carbon bom.
Cần phân biệt rõ: lượng carbon-14 thêm vào là rất lớn so với mức tự nhiên của khí quyển, nhưng vẫn là lượng cực nhỏ về khối lượng và không phải nguồn phóng xạ đáng kể với sức khoẻ con người hôm nay. Giá trị của nó với khoa học nằm ở chỗ nó là một dấu thời gian lan ra toàn cầu, in vào mọi sinh vật sống trong những năm đó.
Đọc đường cong carbon bom: một giá trị, hai năm
Đường cong có dạng một ngọn núi nhọn: dốc lên rất nhanh, rồi thoải dần xuống. Vì vậy một mức carbon-14 đo được thường khớp với hai năm, một ở sườn lên và một ở sườn xuống.
| Giai đoạn | Thời gian xấp xỉ | Đặc điểm đường cong | Hệ quả khi định tuổi |
|---|---|---|---|
| Trước thử hạt nhân | trước khoảng 1955 | gần bằng mức tự nhiên, hơi giảm do nhiên liệu hoá thạch | không phân biệt được từng năm |
| Sườn lên | khoảng 1955 đến 1963 | tăng rất nhanh | độ phân giải tốt, gần từng năm |
| Đỉnh | khoảng 1963 đến 1965 | cao nhất, gần gấp đôi | mẫu rơi vào đỉnh khó tách vài năm |
| Sườn xuống | từ giữa thập niên 1960 tới nay | giảm dần, ngày càng thoải | gần đây độ phân giải kém dần |
Để chọn đúng sườn, người ta dùng thông tin khác: một chiếc răng có men đã hình thành trước hay sau đỉnh, một khúc gỗ có nhiều vòng thì đo hai vòng xa nhau để xem carbon-14 đang tăng hay giảm.
Carbon bom đang được dùng vào việc gì?
Ứng dụng đều xoay quanh một ý: vật liệu hình thành năm nào thì mang dấu carbon-14 của năm ấy.
Pháp y
Men răng hình thành trong thời thơ ấu, mỗi răng ở một độ tuổi khá ổn định, và sau đó không đổi mới. Đo carbon-14 trong men răng cho biết năm men hình thành, từ đó ước tính năm sinh của người chưa xác định danh tính, sai số vài năm với người sinh trong giai đoạn dốc của đường cong. Mô mềm hay tóc đổi mới liên tục thì phản ánh những năm gần lúc mất, giúp ước tính thời điểm tử vong.
Chống buôn lậu động vật hoang dã
Ngà voi, sừng tê giác mọc thêm theo thời gian. Đo phần gốc ngà cho biết con vật chết năm nào, nhờ đó phân biệt ngà cũ được phép lưu hành theo quy định với ngà từ những vụ săn trái phép gần đây. Đây là ứng dụng mà nhiều cơ quan kiểm lâm và hải quan quốc tế đã dùng.
Thực phẩm, rượu và hàng giả
Rượu vang, rượu mạnh ủ lâu năm mang carbon-14 của năm thu hoạch nho hay ngũ cốc. Đo carbon-14 giúp phát hiện chai ghi năm cổ nhưng thực chất là rượu mới. Cách làm tương tự áp dụng cho giấy, sợi vải để kiểm tra một văn bản hay tranh vẽ có thật sự trước thời kỳ thử hạt nhân hay không.
Sinh học
Vì mọi tế bào mới sinh ra đều mang carbon-14 của năm đó, các nhà sinh học dùng carbon bom để tìm hiểu mô nào trong cơ thể người đổi mới nhanh, mô nào gần như giữ nguyên từ lúc sinh ra, và tuổi thọ của những loài cây, loài cá khó đếm vòng.
Giới hạn của carbon bom là gì?
Thứ nhất, phương pháp chỉ có ích với vật liệu hình thành từ giữa thập niên 1950 trở về sau. Với vật trước đó, nó chỉ trả lời được câu hỏi “trước hay sau năm 1955”, vốn đã rất hữu ích khi kiểm tra đồ giả cổ.
Thứ hai, đường cong đang thoải dần. Mức carbon-14 trong không khí những năm gần đây đổi rất ít giữa các năm, lại bị nhiên liệu hoá thạch kéo xuống, nên vật liệu hình thành gần đây khó tách năm như vật liệu của thập niên 1960 hay 1970. Một số nhà nghiên cứu đã cảnh báo rằng trong vài thập niên tới, vật mới có thể bị nhầm là đồ cũ nếu chỉ dựa vào carbon-14.
Thứ ba, kết quả phụ thuộc vào nguồn carbon của sinh vật. Cây gần khu công nghiệp hay đường cao tốc hấp thụ thêm carbon cổ từ khí thải; sinh vật biển chịu hiệu ứng đại dương. Mọi phép đo đều phải đặt vào bối cảnh môi trường sống cụ thể.
Vì sao điều này liên quan tới định tuổi khảo cổ?
Mốc 1950. Thang BP chốt ở năm 1950 chính là để tránh phần khí quyển bị vụ thử hạt nhân xáo trộn.
Nhiễm bẩn hiện đại nặng hơn. Carbon thời nay mang nhiều carbon-14 hơn mức tự nhiên, nên một chút nhiễm bẩn từ rễ cây, vi khuẩn hay tay người sau thập niên 1950 kéo tuổi mẫu cổ trẻ đi mạnh hơn.
Kết quả “hiện đại”. Khi phòng thí nghiệm ghi một mẫu khảo cổ là “hiện đại” hoặc có tỷ lệ carbon-14 cao hơn mức chuẩn, nghĩa là mẫu hình thành sau thời thử hạt nhân hoặc bị lẫn vật liệu mới, chứ không phải máy hỏng.
Giấy tờ lưu trữ và bảo tàng. Với hiện vật trong kho bảo tàng, carbon bom giúp kiểm tra những miếng vá, lớp lót, sợi chỉ khâu được thêm vào trong các lần tu bổ ở thế kỷ XX, để tách chúng khỏi phần gốc trước khi lấy mẫu định tuổi chính hiện vật.
Câu hỏi thường gặp
Carbon bom là gì?
Là phần carbon-14 dư do các vụ thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển giữa thế kỷ XX tạo ra, làm lượng carbon-14 trong không khí Bắc bán cầu tăng gần gấp đôi vào khoảng năm 1963 đến 1965.
Carbon bom định tuổi chính xác tới mức nào?
Với vật liệu hình thành trong giai đoạn đường cong dốc của thập niên 1960 và 1970, sai số có thể chỉ một hai năm. Càng về gần đây đường cong càng thoải nên độ chính xác giảm.
Vì sao men răng dùng được để ước tính năm sinh?
Vì men răng hình thành trong thời thơ ấu ở độ tuổi khá ổn định và sau đó không đổi mới. Carbon-14 trong men ghi lại năm hình thành, từ đó suy ra năm sinh gần đúng.
Một mức carbon-14 sao lại khớp với hai năm khác nhau?
Vì đường cong carbon bom tăng lên rồi giảm xuống, nên cùng một mức có ở cả sườn lên và sườn xuống. Người ta dùng thông tin bổ sung để chọn đúng sườn.
Carbon bom có giúp phát hiện đồ giả cổ không?
Có. Nếu giấy, vải, gỗ của một món đồ được cho là cổ lại chứa carbon-14 ở mức của thời thử hạt nhân, vật liệu đó hình thành sau giữa thập niên 1950.