Hiệu chỉnh carbon-14: vì sao tuổi carbon không phải năm lịch

Tuổi carbon-14 đo được chưa phải năm lịch, vì lượng carbon-14 trong khí quyển đã dao động qua các thời kỳ. Muốn ra năm thật, phòng thí nghiệm đặt kết quả lên một đường cong hiệu chỉnh dựng từ vòng cây và các tư liệu có niên đại độc lập, rồi đọc ra một khoảng năm.

Những năm đầu, người ta giả định tỷ lệ carbon-14 trong không khí luôn bằng nhau. Khi đem gỗ đã biết tuổi chính xác nhờ đếm vòng cây đi đo, các nhà khoa học thấy tuổi carbon lệch khỏi tuổi thật, có lúc trẻ hơn, có lúc già hơn, và độ lệch thay đổi theo thời kỳ. Từ đó, hiệu chỉnh thành bước bắt buộc. Bài này giúp bạn hiểu bước đó và đọc đúng những ký hiệu như cal BP, 68%, 95% thường thấy trong báo cáo khảo cổ.

Vì sao tuổi carbon-14 lệch khỏi năm lịch?

Nguyên nhân chính nằm ở chỗ lượng carbon-14 sinh ra không đều. Từ trường Trái Đất mạnh lên hay yếu đi làm thay đổi lượng tia vũ trụ lọt vào khí quyển; hoạt động Mặt Trời mạnh thì che bớt tia vũ trụ; sự trao đổi carbon giữa khí quyển và đại dương cũng đổi theo khí hậu. Khi không khí có nhiều carbon-14 hơn bình thường, mẫu của thời đó trông trẻ hơn tuổi thật, và ngược lại.

Độ lệch không nhỏ. Với mẫu khoảng vài nghìn năm, chênh lệch thường là vài trăm năm. Đi về khoảng hai mươi, ba mươi nghìn năm trước, tuổi carbon có thể trẻ hơn tuổi thật hàng nghìn năm. Vì thế một con số chưa hiệu chỉnh chỉ dùng để so trong cùng hệ carbon, không đặt cạnh niên biểu lịch sử được.

Thêm một nguồn lệch đến từ chính con người. Từ thời công nghiệp, đốt than đá và dầu mỏ thải ra carbon cổ không còn carbon-14, làm loãng tỷ lệ trong không khí. Giữa thế kỷ XX, các vụ thử vũ khí hạt nhân lại bơm thêm rất nhiều carbon-14. Đó là lý do mốc 1950 được chọn làm điểm “hiện tại” của thang BP.

Đường cong hiệu chỉnh được dựng từ đâu?

Đường cong hiệu chỉnh là bảng đối chiếu giữa tuổi carbon đo được và năm lịch thật, xây từ các tư liệu tự có niên đại.

Vòng cây

Nền móng của đường cong là các chuỗi vòng cây đã ghép liền nhau qua hàng nghìn năm, mỗi vòng ứng với một năm biết chính xác. Đo carbon-14 của từng nhóm vòng sẽ cho biết năm đó khí quyển có bao nhiêu carbon-14. Chuỗi vòng cây hiện phủ khoảng hơn mười ba nghìn năm gần đây.

Trầm tích phân lớp, thạch nhũ, san hô

Xa hơn phần vòng cây, người ta dùng trầm tích hồ có lớp năm đếm được, thạch nhũ và san hô định tuổi bằng urani–thori, rồi đo carbon-14 trên cùng mẫu. Nhờ đó đường cong kéo dài tới khoảng năm mươi lăm nghìn năm, nhưng phần cổ có sai số lớn hơn phần gần.

Bản cập nhật định kỳ

Một nhóm chuyên gia quốc tế gộp các dữ liệu này thành bộ đường cong chuẩn, cập nhật vài năm một lần. Bộ IntCal dùng cho Bắc bán cầu, trong đó có Việt Nam; bộ SHCal cho Nam bán cầu; bộ Marine cho sinh vật biển. Báo cáo tử tế luôn ghi rõ dùng bản nào, vì chuyển bản có thể dịch kết quả đi vài chục năm.

Đọc một kết quả đã hiệu chỉnh ra sao?

Kết quả hiệu chỉnh không phải một năm, mà là một hoặc vài khoảng năm kèm xác suất. Bảng dưới là cách đọc các ký hiệu bạn hay gặp.

Khi trích dẫn, cách an toàn là ghi khoảng 95% kèm tuổi carbon gốc và mã mẫu. Rút gọn thành một năm duy nhất, kiểu “năm 532 TCN”, là tạo ra độ chính xác giả.

Đoạn bằng phẳng: khi carbon-14 gần như đứng yên

Ở một số đoạn, đường cong gần như nằm ngang: suốt vài trăm năm lịch, tuổi carbon đo được gần như không đổi. Mẫu rơi vào đoạn này sẽ cho khoảng năm rất rộng dù máy đo rất chính xác. Đoạn nổi tiếng nhất trải khoảng từ thế kỷ VIII tới thế kỷ V TCN, giới chuyên môn quen gọi là cao nguyên Hallstatt theo tên một nền văn hoá ở châu Âu.

Với khảo cổ Việt Nam, đoạn này đáng để ý vì nó trùng với giai đoạn chuyển sang thời kim khí muộn. Một mẫu than đo được khoảng 2.450 BP có thể rơi vào bất cứ đâu trong vài thế kỷ đó. Người ta không giải được bằng cách đo lại một mẫu cho kỹ hơn, mà bằng cách đo nhiều mẫu xếp theo thứ tự địa tầng, hoặc dùng gỗ có nhiều vòng để khớp hình dạng đường cong.

Cách khớp hình dạng hoạt động như sau. Từ một khúc gỗ có khoảng một trăm vòng, phòng thí nghiệm cắt năm, sáu nhóm vòng cách nhau đúng số năm đã biết nhờ đếm, rồi đo carbon-14 từng nhóm. Chuỗi kết quả tạo thành một đoạn đường gấp khúc nhỏ. Trượt đoạn này dọc theo đường cong chuẩn cho tới khi các khúc lên xuống trùng nhau, người ta tìm được vị trí khớp nhất và thu hẹp khoảng năm của vòng ngoài cùng xuống còn vài chục năm. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích với cột gỗ, quan tài thân cây hay thuyền độc mộc còn giữ được nhiều vòng.

Những hiệu ứng làm tuổi carbon già hơn thật

Hiệu ứng nguồn carbon biển. Nước biển sâu chứa carbon đã tách khỏi khí quyển hàng trăm năm, nên vỏ sò, cá biển, san hô trông già hơn tuổi thật, trung bình toàn cầu khoảng 400 năm và khác nhau theo vùng biển. Phải dùng đường cong biển và số hiệu chỉnh riêng của vùng.

Hiệu ứng nước cứng. Sông, hồ chảy qua vùng đá vôi hoà tan carbon cổ từ đá. Ốc, cá nước ngọt và người ăn nhiều cá từ những nguồn này có thể cho tuổi già hơn hàng trăm năm.

Chế độ ăn của người. Xương người lấy carbon từ thức ăn. Một cộng đồng ăn nhiều hải sản sẽ mang một phần hiệu ứng biển, nên định tuổi xương người ven biển cần ước tính tỷ lệ thức ăn biển qua đồng vị bền.

Tự kiểm một niên đại hiệu chỉnh trước khi trích dẫn

Với giáo viên hay sinh viên dùng niên đại trong bài giảng, đây là thứ tự kiểm gọn.

1. Tìm tuổi carbon gốc kèm sai số và mã mẫu; thiếu thì coi kết quả là thông tin thứ cấp.
2. Xem báo cáo dùng đường cong nào; mẫu biển mà hiệu chỉnh bằng đường cong khí quyển là sai.
3. Lấy khoảng 95%, không lấy điểm giữa; nếu có nhiều khoảng rời nhau thì nêu khoảng có xác suất lớn nhất kèm chữ “khoảng”.
4. Đối chiếu với các niên đại khác cùng lớp; một con số lạc hẳn thường là mẫu lẫn từ lớp khác.
5. Khi chuyển sang năm Công nguyên, nhớ rằng không có năm 0: 1950 trừ 2.500 cho ra năm 551 TCN, không phải 550.

Việc không cần làm: tự cầm tuổi carbon thô trừ đi 1950 rồi đưa vào bài giảng như năm lịch. Đó là lỗi phổ biến nhất trong sách báo phổ thông.

Câu hỏi thường gặp