Мы писали раньше о том, что такое радиоуглеродный анализ и как его используют для определения возраста органических останков (https://goo.gl/hbJHpG). Коротко говоря, мы измеряем — сколько в изучаемом образце осталось нестабильного изотопа углерода ¹⁴C, и, зная период его полураспада (5730 лет), можем примерно вычислить возраст образца. Но образцы старше 60 тысяч лет уже не могут быть датированы — слишком мало ¹⁴C остается после 10 периодов полураспада. Есть ли какой-то другой способ, с помощью которого мы могли бы датировать органические останки животных, вымерших сотни тысяч лет назад? Он есть.
Этот метод называется «оптическое датирование» или «люминесцентное датирование». Я сейчас попробую в самых общих чертах объяснить его суть.
В отличие от радиоуглеродного метода, оптическому датированию подвергаются неорганические соединения, чаще всего — обычный песок. Представим себе, что какой-нибудь древний гениорнис отложил яйца в австралийский песок и закопал их. Птенцы вылупились и ушли, а скорлупа осталась в песке, и спустя несколько лет песок окончательно погреб под собой осколки скорлупы.
Теперь пришли ученые, откопали скорлупу и взяли образцы песка, причем так, чтобы на этот песок ни в коем случае не попал дневной свет. Дело в том, что в любой породе есть радиоактивные элементы, например уран, торий, рубидий, калий. Они медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается песком. Дальше — самое интересное. Кристаллическая структура песка или полевого шпата имеет множество дефектов. В результате, когда ионизирующее излучение бьет по атомам, многие электроны вырываются со своих электронных орбит (подробнее об устройстве атома тут: https://goo.gl/ccvodf, https://goo.gl/uaJYN5, https://goo.gl/78Pi3R, https://goo.gl/xXg5Ca). Затем, испуская фотон, электроны возвращаются обратно на свои орбиты. Но не все! Именно за счет кристаллических дефектов некоторые выбитые со своей орбиты электроны имеют недостаточно энергии, чтобы вернуться домой, и остаются в межатомных ловушках, постепенно накапливаясь там. Но стоит только обычному свету осветить песчинку, как фотоны света передают электронам достаточно энергии, чтобы они вернулись на свои места, и ловушки опустеют. Именно поэтому образцы песка должны быть извлечены и переданы в лабораторию так, чтобы на них не попадал свет.
В лаборатории песчинку облучают светом определенной длины волны, после чего электроны испускают энергию в виде фотонов и возвращаются на свои орбиты. Мы замеряем количество выпущенных фотонов и, таким образом, узнаем — сколько же электронов было захвачено. И, разделив это количество на количество ежегодно попадаемых в ловушку электронов, мы теперь можем узнать возраст образца.
Таким образом мы можем довольно точно измерять возраст образцов органики и окаменевшей органики вплоть до 800 000 лет, что позволяет нам определять время жизни представителей разной флоры и фауны, жившей в те эпохи, предшествующие нашей.