«Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Естественнонаучные методы в археологии рабочая программа для студентов направления 030400 ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

«Естественнонаучные методы в археологии»

рабочая программа

для студентов направления 030400 «История»

очной формы обучения по модульно-рейтинговой системе организации учебного процесса Составители:

В.С. Мыглан, кин, доц. СФУ Ю.А. Абдулина, ассист. каф. СФУ И.Ю. Слюсаренко, кин, снс ИАЭТ СО РАН М.В. Скомаркова, кбн, ИЛ СО РАН О.В. Сидорова, кбн, ИЛ СО РАН Л.В. Карпенко, кбн, ИЛ СО РАН М.В. Мороз, снс, ИАЭТ СО РАН Е.В. Рыбина, кин, снс ИАЭТ М.А. Чемякина, ки.н, снс, ИАЭРТ СО РАН КРАСНОЯРСК Содержание Введение Раздел 1. Метод радиоуглеродного датирования Тема 1.1 (В.С. Мыглан, Ю.А. Абдулина) Открытие Либби и история развития метода. Природа и свойства радиоуглерода. Теоретические принципы работы метода, его возможности и ограничения.

Способы измерения содержания радиоуглерода в образцах: газовый, сцинтилляционный, ускорительная масс-спектрометрия. Методика отбора образцов, особенности различных углеродсодержащих материалов для радиоуглеродного датирования.

Тема 1.2 (В.С. Мыглан, Ю.А. Абдулина) Радиоуглеродный возраст и калиброванная дата. Калибровочные шкалы и процедура калибровки. Фракционирования изотопов углерода и возраст образца.

Примеры применения отечественной и зарубежной практике.

Раздел 2. Дендрохронология Тема 2.1 (И.Ю. Слюсаренко, М.В. Скомаркова) Дендрохронология. История развития метода. Основные принципы работы метода, его возможности и ограничения. Дендрохронологические исследования в Западной Европе (Германия, Ирландия, Швейцария), Северной Америке (США) и России.

Тема 2.2 (И.Ю. Слюсаренко) Дендроархеология. Абсолютные древесно-кольцевые шкалы и процедура датировки археологических, архитектурных памятников. Методика отбора образцов.

Дендроархеология городов Древней Руси: Древний Новгород, Псков, Старая Ладога и др. «Плавающие» древесно-кольцевые шкалы и их значение для хронологического определения времени сооружения элитных курганов СаяноАлтая: Аржан, Пазырык, Туэкта.

Тема 2.3 (М.В. Скомаркова) Дендроклиматология. Методическая основа для выполнения климатических реконструкций. Использование таких показателей как ширина годичного кольца, плотность и толщина клеточной стенки. Перспективы и результаты. Международные банки дендроклиматических данных и их значение для пространственной реконструкции изменений температуры и осадков в историческом прошлом.

Тема 2.4 (О.В. Сидорова) Древесные кольца и изотопы. Изотопы углерода-14, кислорода-18 и бериллияв исследованиях изменений среды в прошлом. Гренландские льды, льды Арктики и Антарктики - летопись глобальных климатических изменений в Плейстоцене и Голоцене.

Раздел 3. Спорово-пыльцевой анализ Тема 3.1 (Л.В. Карпенко) История развития метода спорового анализа, применение метода при изучении третичных и мезозойских отложений. Морфология спор и пыльцы растений, остатки которых наиболее часто встречаются в ископаемом состоянии. Границы применения палинологии при археологических реконструкциях. Связь образцов для палинологических исследований с культурными слоями археологического памятника. Примеры использования метода в археологии.

Раздел 4. Реставрационные методы в археологии Тема 4.1 (М.В. Мороз) Виды проводимых реставрационных работ. Область применения. Способы сохранения археологического материала в полевых условиях.

Раздел 5. Статистические методы в археологии Тема 5.1 (Е.В. Рыбина) Статистика. Массовые находки как основная область применения количественных методов и компьютерной обработки (базы данных). Нормальное распределение. Доверительные интервалы. Признаки как средство описания и основа многомерного статистического анализа. Круг задач и виды статистических методов. Примеры применения в отечественной и зарубежной практике.

Раздел 6. Применение ГИС методов в археологии Аэрофотосъемка, геофизические методы разведки: электрические, магнитометрические; фосфатный анализ. Поиск грунтовых могильников и поселений. Определение их границ. Основные принципы используемых методов. Их возможности, достоинства и ограничения.

Введение Целью преподавания дисциплины «Естественнонаучные методы в археологии» является приобретение студентами гуманитарных факультетов знаний о теоретических основах и современной проблематике использования естественнонаучных методов, формирование практических навыков их применения при исследовании археологических объектов. Представленное методическое пособие является основой методического обеспечения новых учебных дисциплин инновационной образовательной программы (ИОП № 008), выполняемой в Сибирском федеральном университете. Курс «Естественнонаучные методы в археологии» включает в себя 30 лекционных часов, 20 часов практических и 4 часа лабораторных занятий.

Разрабатываемое пособие соответствует направлению подготовки 030400 – «История», создается для методического сопровождения обучения студентов и других категорий слушателей в рамках для цикла дисциплин СДМ учебного плана, в том числе, для дистанционного обучения. Курс обобщает полученные ранее профессиональные навыки и базовые знания, способствует развитию способностей студентов самостоятельно приобретать новые знания, используя современные информационные технологии, а также умение работать в команде.

Научно-техническая революция, бурное развитие наукоемких отраслей привели к перевороту в историко-археологической науке, связанному как с совершенствованием традиционных приемов, так и с привлечением новых методов. В результате, ведущую роль в гуманитарных науках начинают играть междисциплинарные исследования, связанные с использованием методов естественных и точных наук. Междисциплинарность – на сегодняшний день, это главный методологический принцип современного научного исследования. Он предполагает широкое использование научной информации независимо от ее дисциплинарной принадлежности, поэтому выступает как методологическое оформление реального синтеза научных достижений различных дисциплин в крупных научных проектах и исследованиях. В этом смысле университетское образование должно стать важнейшим звеном, поскольку именно на этом этапе формируются основы научного мировоззрения; в процессе воспитания, образования и профессиональной подготовки приобретаются знания, убеждения и навыки из различных областей науки, культуры, т.е. идет формирование будущих научных кадров. Предлагаемый курс лекций, практических и лабораторных занятий как раз направлен на решение этих задач.

В рамках данного методического пособия рассматривается применение методов естественных наук для решения следующих задач в археологии:

1. датировка, периодизация и хронологизация древнейших эпох истории человечества, датировка памятников археологии и отдельных артефактов;

2. обработка археологического материала, определение происхождения, состава, технологии изготовления, назначения и характера использования;

3. реконструкция палеосреды, влияние среды обитания на человека;

4. выявление новых памятников археологии, определение границ объекта, его особенности и свойств.

Для решения каждой из поставленных задач, в разделах методического пособия детально разработаны свои методы и методики.

Основным достоинством данного курса является то обстоятельство, что он направлен на формирование у студентов практических навыков работы, на основе современного закупленного научного оборудования и программного обеспечения.

Раздел 1. Метод радиоуглеродного датирования Открытие Либби и история развития метода. Природа и свойства радиоуглерода.

Теоретические принципы работы метода, его возможности и ограничения. Способы измерения содержания радиоуглерода в образцах: газовый, сцинтилляционный, ускорительная масс-спектрометрия. Методика отбора образцов, особенности различных углеродсодержащих материалов для радиоуглеродного датирования.

Радиоуглеродный метод был изобретён и разработан в 1950-х годах американскими химиком Уилардом Либби. Появление метода радиоуглеродного датирования произвело настоящий переворот в археологии, предоставив в ее распоряжение недорогой, надежный и доступный для широкого применения способ получения абсолютных дат.

27 февраля 1940 г. американский физик Мартин Дэвид Камен со своим сотрудником Самуэлем Рубеном открыл изотоп углерода – углерод-14 (14С).

Либби предположил, что этот изотоп, генерируемый под действием космического излучения из атомов азота атмосферы с постоянной скоростью, однажды попав в молекулу, в ней остается, быстро окисляется до углекислого газа и поглощается растениями путем фотосинтеза. В этом случае любой организм, потребляющий растения, поглощает вместе с ними и радиоактивные атомы углерода-14. Однако со смертью организма обмен веществ прекращается, следовательно, углерод-14 перестает поступать в организм. В результате Либби пришел к заключению, что «должна существовать возможность путем измерения оставшейся радиоактивности измерять время, которое прошло с момента смерти, если она произошла от 500 до 30 000 лет тому назад».

Либби проверил точность предлагаемого им метода датирования, измерив радиоактивность образцов красного дерева и пихты, точный возраст которых был установлен путем подсчета годовых колец. Дальнейшее подтверждение своей теории он получил, проанализировав извлеченные при археологических раскопках предметы (возраст которых был уже известен), например, кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона, взятый в Чикагском музее естественной истории. Среди археологических находок, датированных с помощью метода Либби, были: кусочки ткани, которыми были перевязаны манускрипты, найденные в районе Мертвого моря, хлеб из дома в Помпеях, погребенных под вулканическим пеплом в 79 н.э., древесный уголь со стоянки древних людей в Стоунхендже (Англия) и др. Либби также установил, что последний ледниковый период в Северной Америке окончился тысяч лет назад, а не 25 тысяч, как было подсчитано ранее. В 1960 г. Либби стал Нобелевским лауреатом по химии за обоснование этого метода и его применение.

Однако на первоначальном этапе становления метода были определенные проблемы. Первые радиоуглеродные определения (выполненные примерно 60 лет назад) возраста органики из могил Древнего царства в Египте оказались моложе традиционных на несколько сот лет. Это вызвало недоверие к новому методу, поскольку в это время, никто и помыслить не смел о ревизии построенной на письменных источниках древнеегипетской хронологии. Еще более сенсационными и абсолютно неправдоподобными показались радиоуглеродные даты для культур Европейского континента. Их передатировка выглядела невероятной по сравнению с традиционными представлениями историков и археологов. Полученные даты удревняли события более чем на тысячу лет. В соответствии с устоявшимися тогда взглядами, все кардинальные технологические инновации древности появились на Востоке, и в северных регионах они должны датироваться более поздним временем.

Вспыхнула горячая дискуссия, и первоначально противников метода среди археологов и историков было заметно больше, чем его сторонников.

Подобные расхождения между историческими и радиоуглеродными датировками возникали потому, что на ранних стадиях использования метода не было известно об изменчивости атмосферной концентрации радиоуглерода со временем, было неясно, как именно она изменялась, расчеты возраста делались исходя из предположения о ее постоянстве. Датировки, вычисленные таким образом, используются по инерции и сегодня, они дают так называемый радиоуглеродный возраст материала.

На сегодняшний день, радиоуглеродный метод позволяет получать даты в интервале от сотен до 40-60 тысяч лет и является одним из самых надежных и распространенных методов ядерной геохронологии для определения возраста природных и антропогенных объектов. Его широкое применение в археологии объясняется наличием обширного круга углеродсодержащих материалов – от костных остатков до дерева или древесного угля. При использовании абсорбционной масс-спектрометрии достаточно одного грамма органического вещества для получения надежной даты, относящейся к периоду примерно с 70 тысяч лет до н.э по 1600 г. н.э.

Естественный радиоуглерод в природе Земля и ее атмосфера постоянно подвергаются радиоактивной бомбардировке потоками элементарных частиц из межзвездного пространства. В верхних слоях атмосферы (на высотах от 8 до 18 км) из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит образование атомов радиоуглерода со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Химически активный 14С практически мгновенно окисляется до 14CO, а затем в течение нескольких недель радикалом ОН далее в CO2. Образовавшийся радиоактивный диоксид (углекислый газ) постепенно диффундирует к нижним слоям атмосферы и перемешивается с обычной углекислотой. В конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Относительное содержание радиоуглерода 14C в атмосфере остается чрезвычайно малым, в атмосфере Земли в общей сложности постоянно находится около 80 тонн радиоуглерода. Удельная активность углерода в обменной системе составляет около 15 распадов за 1 минуту на 1 г углерода, за 80 лет распадается около 1% первоначального числа атомов 14С.

Если поток космических лучей постоянен, то общее количество атмосферного 14С должно находиться в вековом равновесии (подвижное равновесие между распадом и образованием 14С, которое может со временем нарушаться). Отклонения естественного уровня 14С от равновесия можно связать со следующими причинами. Во-первых, скоростью его образования.

1) Изменения вариации потока галактических космических лучей. На протяжении последних 50 тысяч лет зафиксирован лишь один период ~ тысяч лет назад когда, вероятно, этот поток возрос почти вдвое в течение нескольких тысяч лет.

2) Солнечная модуляция потока галактических лучей. Солнце своими магнитными полями и солнечным ветром как бы выметает из гелиосферы галактические космические лучи. Вариации скорости образования из-за этой причины порядка ±25% от среднего. Иногда, во время великих минимумов Солнца, вроде Маундеровского (1645-1740 гг.), скорость образования может вырасти на 40-50%.

3) Солнечные космические лучи. Они не делают значительный вклад в образование радиоуглерода. Даже в случае очень сильных вспышек усредненный за год эффект мал.

Рис.1. Зависимость содержания радиоуглерода в атмосфере и мировом океане от солнечной активности, интенсивности геомагнитного поля и углеродного цикла.

4) Геомагнитное поле. Вследствие вариаций геомагнитного поля оно отклоняет или не пропускает к атмосфере галактические космические лучи, тем самым, меняя и скорость образования 14C. Чем сильнее поле, тем меньше образования. За последние 10 тысяч лет поле было наиболее сильным лет назад (примерно в 1,3 раза сильнее, чем сейчас). Скорость образования при этом была около 0,88 от современной.

Во-вторых, не меньшее значение оказывают вариации углеродообменной системы. Радиоуглерод, образовавшийся в виде 14CO2 включается в биогеохимический цикл обращения углерода. Из атмосферы он переходит в биосферу, захватываясь в виде CO 2 растениями в ходе фотосинтеза, поглощается поверхностными слоями океана. Оттуда он может вернуться опять в атмосферу или уйти в глубинные слои океана. Океанские воды служат огромным резервуаром СО2. Так, время газообмена между глубинными слоями океана и атмосферой имеет масштаб тысячелетий. Поскольку в «старой» углекислоте глубинных вод распалось больше 14C, следовательно, с каждым перемешиванием океана содержание атмосферного радиоуглерода падает. В результате, путешествуя по всем этим путям, часть радиоуглерода выводится из оборота практически безвозвратно - в осадочные породы, часть возвращается назад в атмосферу, часть естественно распадается, поэтому в разных резервуарах его относительное содержание будет различным.

Примером работы углеродообменной системы является классический экспоненциальный хвост спадания мощного импульса радиоуглерода, инжектированного в атмосферу во время атмосферных ядерных испытаний.

Спад атмосферного содержания 14C связан с выведением радиоуглерода в другие резервуары, что будет продолжаться до тех пор пока вся система не найдет новое равновесное отношение.

В-третьих, определенное значение имеет антропогенное воздействие, связанное с массовым использованием ископаемого топлива. Оно обеднено изотопом 13C, 14С почти полностью отсутствует, в результате происходит смещение изотопного отношения CO2 в атмосфере в сторону легких изотопов. Накладываясь на эффект от сведения лесов, этот процесс приводит к стремительному увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере примерно с 250 ppm (промилле) до 360 ppm. В тоже время на этот процесс наложились и ядерные испытания, проведенные в 50-е - 60-е годы ХХ в.

Практически мгновенно в атмосферу было инжектировано огромное количество радиоуглерода, образующегося при атомном взрыве в азотной среде.

Отношение изотопа 14С/12С в северном полушарии в атмосфере удвоилось лишь за 5 лет (т.е. вариация в 100%). Особенностью этого воздействия была его локальность, т.е. взрывы в основном проводились в северном полушарии, и наиболее мощные в высоких широтах.

Рис. 2. 14С в биосфере Из атмосферы в биосферу углерод попадает практически единственным путем - через фотосинтез растений. При переходе углекислого газа через барьер в устьицах растений и в фотосинтетической реакции происходит изотопное фракционирование. Величина фракционирования измеряется в сдвиге изотопного отношения 13С/12С по сравнению с эталоном - мировым стандартом. В растениях, глюкозе и целлюлозе эта величина разная от -12 до -30 ppm (зависит от растения, условий роста, температуры, влажности и т.д.). Причем растения делятся на две группы: C4 и C3 по величине фотосинтетического фракционирования. У первой группы эта величина лежит в диопазоне - 12- ppm, то во второй - 21-29 ppm. Средняя величина изотопного фракционирования у деревьев около - 25 ppm.

Целлюлоза в растениях относится к неподвижной фракции и является основным строительным материалом растений. Таким образом, если у однолетних растений все построено из углекислого газа (ассимилированного за вегетационный период), то для долгоживущих видов все немного сложнее.

Впадая в неактивный период (зимовка и пр.) растение часть сахаров направляет на хранение, обычно в корневую систему (клубни, луковицы и др.). Этот материал будет использован на начальном этапе новой вегетации, при формировании зоны "ранней" древесины годичных колец деревьев, плодов и др.

Животные, употребляя растения, строят свои организмы из этого же углерода. Причем, в основном, конечно же, употребляется свежий прирост, отражающий текущее содержание 14С в атмосфере. Однолетние животные (мотыльки, некоторые бабочки), таким образом, также несут изотопный сигнал непосредственно соответствующего года. Более долгоживущие организмы интегрируют изотопный сигнал по времени свой жизни.

Несколько по-другому этот круговорот происходит в океане. Углекислый газ весьма растворим, особенно в холодной воде. Холодные области планеты, где формируются глубинные воды мирового океана являются областями стока атмосферного углекислого газа. При растворении углекислого газа в воде также происходит фракционирование изотопов порядка 2-3 ppm (в зависимости от температуры). В воде растворенный углекислый газ используется водными растениями практически по тому же циклу, что и на суше. Отличие заключается в том, что углерод в виде различных карбонатов используется организмами для построения своих частей (например, кораллы, раковины и пр.), а затем этот углерод (связанный углекислый газ) в виде карбонатов выводится из оборота в осадочные слои. В результате, растворенный углекислый газ, неся атмосферный радиоуглеродный сигнал, немедленно оказывается сильно разбавленным "мертвым" углеродом. Поэтому для океана и организмов, там живущих, характерны заметные обеднения отношения С/ С по сравнению с атмосферными (сухопутно-биосферными).

Выполнение радиоуглеродных датировок без учета различия содержания радиоуглерода в сухопутных и морских организмов приводило в XX в. к парадоксам:

1) Живых моллюсков "датировали", используя радиоуглеродный метод.

Результаты анализа показали их "возраст" 2300 лет. Ошибка составила две тысячи триста лет. Данные опубликованы в журнале "Science", № 130, 11 декабря 1959 года.

2) Отстрелянных тюленей "датировали" по содержанию 14С. Их "возраст" определили в 1300 лет. Мумифицированные трупы тюленей, умерших всего 30 лет тому назад, были "датированы" как имеющие возраст 4600 лет.

Результаты были опубликованы в "Antarctic Journal of the United States", № 6, 1971 год.

Детальное изложение причин этого явления дано в разделе «Калибровка».

Теоретические принципы и способы измерения 14С В процессе фотосинтеза радиоуглерод попадает в биосферу. При отмирании живых организмов ассимиляции 14С прекращается, хотя распад его атомов продолжается. Поэтому содержание 14С в органических материалах является функцией времени, прошедшею с момента их выпадения из углеродообменного цикла. В отмерших организмах со временем будет происходить уменьшение содержания 14С вследствие ничем не компенсируемого распада ядер его атомов. Уменьшение количества 14С по сравнению с его содержанием в живом веществе служит мерой времени, прошедшего с момента смерти организма, то есть является возрастом датируемого объекта (Либби, 1954;

Старик, 1961). Т.е. если органическое вещество изолировано от источника образования 14С, то активюность радиоуглерода в нем уменьшается по обычному экспоненциальному закону радиоактивного распада: А1 = Ао*ехр (- a*t), где А1 - удельная активность спустя t лет после выхода образца из обменного резервуара, Aо - удельная активность в начальный момент t=0, a - постоянная радиоактивного распада. Отсюда легко рассчитать возраст исследуемого образца по оставшейся на момент измерения активности 14С : t = 0,693 Т1/2*ln (Aо/A1) (где Т1/2 — период полураспада 14С, равный 5730 годам).

Обратим внимание, что когда метод был только предложен, Либби определил величину полураспада в 5568±25 лет. И в течение некоторого времени все пользовались этим значением. Однако по прошествии около 20 лет были проведены несколько серий особо точных измерений периода полураспада с использованием новых технических разработок. В результате была установлена величина полураспада в 5730±30 лет. Несколько последовавших проверок подтвердили полученный результат. Однако в радиоуглеродных расчетах по прежнему продолжают использовать старое значение, которое теперь называют периодом полураспада Либби. Это делается для того, чтобы сохранить преемственность и возможность напрямую сравнивать измерения, сделанные в разное время. Возраст, рассчитанный по значению Либби, называют радиоуглеродным возрастом, и все знают, что он не соответствует календарному возрасту и возрасту, рассчитанному с точным значением периода. Разница невелика, всего лишь коэффициент 1.03. Но эту поправку не вносят напрямую, а учитывают при калибровке возраста по калибровочной кривой. Более точный период полураспада тоже используют, но не в датировочных работах, а в геофизических исследованиях. Для геофизических образцов применяют именно это значение.

Для определения содержания радиоуглерода в используется несколько методов.

Газовый метод счета активности 14С, разработанный Фризом и Барендсеном в начале 1950-х годов, имел широкое признание в большинстве радиоуглеродных лабораторий. Он основан на синтезе газообразных соединений углерода (СО2, CH4, С3Н6, С2Н2) для пропорционального газового метода счета. Счетчик (сходный по принципу работы со счетчиком Гейгера) наполняли углекислым или иным газом (метаном либо ацетиленом), полученным из образца. Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс. Энергия радиационного фона окружающей среды обычно колеблется в широких пределах, в отличие от радиации, вызванной распадом 14С, энергия которого, как правило, близка к нижней границе фонового спектра. Весьма нежелательное соотношение фоновых величин и данных по 14С улучшалось путем изоляции счетчика от внешней радиации. С этой целью счетчик закрывают экранами из железа или высокочистого свинца толщиной в несколько сантиметров. Кроме того, стенки самого счетчика экранируют расположенными вплотную один к другому счетчиками Гейгера, которые, задерживая все космическое излучение, примерно на 0,0001 секунды дезактивируют и сам счетчик, содержащий образец. Метод экранирования сводит фоновый сигнал до нескольких распадов в минуту (образец древесины массой 3 г, относящийся к XVIII в., дает ~40 случаев распада 14С в минуту), что позволяет датировать довольно древние образцы.

Преимущество газового метода заключается в применении небольших количеств испытуемого материала (до 0,5-2 г углерода). Широкое применение газового метода ограничивается громоздкостью аппаратуры для очистки углекислоты и продолжительностью процедуры.

Примерно с 1965 г. широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. Он основан на способности некоторых растворов преобразовывать часть поглощаемой ими энергии -излучения в световые вспышки, регистрация которых осуществляется фотоумножителем и электронно-счетной системой. При использовании этого метода, полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде (т.о. концентрируется большое количество углерода в незначительном объеме). В жидкость добавляют специальное вещество (сцинтиллятор), которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов 14С.

Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой.

Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол (из-за высокого содержания в его молекуле углерода (92%) и хороших сцинтилляционных свойств). Процесс начинается с реакции между диоксидом углерода и расплавленным литием, в результате которой образуется карбид лития. В карбид понемногу добавляют воду, и он растворяется, выделяя ацетилен. Этот газ, содержащий весь углерод образца, под действием катализатора превращается в прозрачную жидкость – бензол. Представленная цепочка химических формул показывает, как углерод в этом процессе переходит из одного соединения в другое.

Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 тысяч лет. За счет технологических ухищрений фоновые уровни для жидкосцинтилляционных спектрометров удалось заметно снизить и сделать лучше чем для газонаполненных счетчиков. Тем не менее, у них тоже есть минусы: в первую очередь большая величина образца (от сотен грамм), кроме того, рабочее вещество (бензол) является канцерогеном.

Прямой масс-спектрометрический метод называют АМС-датировкой.

Появление этого метода, связано с современным техническим прогрессом.

Принцип метода основан на использовании масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать 14N и 14С. На Рис. 3 показан ускоритель и масс-спектрометр Центра ускорительной масс-спектрометрии (LLNL, США). При использовании этого метода нет необходимости ждать, пока произойдет распад, счет 14С можно осуществить меньше, чем за час; достаточно иметь образец массой в 1 мг.

Рис. 3. Масс-спектрометр с ускорителем.

С появлением методики 14С датирования с помощью ускорителя (в данном методе непосредственно считаются частицы 14C, а не акты распада) открылась возможность использования не только микроколичеств (10 мг) традиционных углеродсодержащих материалов, древесного угля, гумуса, карбонатов и др., но и совершенно новых объектов. Например, стало возможным датировать керамику по органическому веществу, сорбированному во время обжига, как по включениям обугленных остатков растений, так и по микроостаткам пищи пригоревшей к поверхности керамических сосудов. Эта методика успешно применяется также для датирования текстиля, старых карт, строительной извести.

Точности измерения содержания радиоуглерода в образцах весьма высоки. Для ускорительной масс-спектрометрии обычным являются измерения на уровне 1%. В особых случаях возможно и лучше. Для радиометрических методов обычным уровнем являются 0,3-0,7%. Несмотря на то, что радиометрические методы дешевле ускорительного, однако, область применения радиометрических методов уже, за счет того, что необходима гораздо большая масса образца.

Методика отбора образцов Для получения достаточно надежных и точных результатов радиоуглеродного датирования материалов органического происхождения важно соблюдение определенных правил отбора образцов и их механической и химической обработки. При взятии образцов важно исключить их загрязнение корешками живых растений, растворами современных гумусовых веществ или грунтовыми водами. Присутствие посторонних радиоактивных веществ также может исказить результаты радиоуглеродного анализа. Образец, предназначаемый для радиоуглеродного анализа, следует брать с помощью абсолютно чистых инструментов и хранить в сухом виде в стерильном полиэтиленовом пакете. Необходима точная информация о месте и условиях отбора.

Какие же образцы можно таким образом датировать? Очевидно, что остатки когда-либо живших организмов, для которых соблюдаются условия обмена с атмосферой. Это дерево, древесный уголь, кости, торф, артефакты животного и растительного происхождения. К другим материалам можно отнести озерные и морские осадки, почвы и даже карстовые образования - сталактиты и сталагмиты, но эта группа нуждается в особом подходе и обработке.

Идеальный образец древесины, древесного угля или ткани должен весить примерно 30 г. Для раковин желательна масса 50 г, а для костей – 500 г (новейшие методики позволяют, впрочем, определять возраст и по гораздо меньшим навескам). Каждый образец необходимо тщательно очистить от более древних и более молодых углеродсодержащих загрязнений, например, от корней выросших позже растений или от обломков древних карбонатных пород. За предварительной очисткой образца следует его химическая обработка в лаборатории. Для удаления инородных углеродсодержащих минералов и растворимых органических веществ, которые могли проникнуть внутрь образца, используют кислотный или щелочной раствор. После этого органические образцы сжигают, раковины растворяют в кислоте. Обе эти процедуры приводят к выделению газообразного диоксида углерода. В нем содержится весь углерод очищенного образца, и его иногда превращают в вещество пригодное для радиоуглеродного анализа.

Принципиальное значение имеет выполнение условия консервации – датируемый образец, не должен взаимодействовать с внешней средой после "смерти". Однако все же большинство образцов находится во внешней среде, и какое-либо взаимодействие возможно. В этом случае (за исключением природных карбонатов) загрязнения будут вызывать омоложение даты образца из-за примеси "более свежего" радиоуглерода. Особое значение это имеет для древних образцов, где даже ничтожная примесь углерода более позднего происхождения (например, от контакта с руками) может привести к серьезным искажениям. Например, если в образце возрастом 40 тысяч лет окажется всего-навсего 1% современного углерода, это приведет к уменьшению его «радиоуглеродного возраста» на целых 7 тысяч лет.

Кроме того, для снижения вероятности неправильной радиоуглеродной датировки, желательно получение серии радиоуглеродных дат по различным материалам исследуемого объекта, поскольку если единичная дата может привести к существенной ошибке, то получение неверной датировки на основе серии дат маловероятно.

Радиоуглеродный возраст и калиброванная дата. Калибровочные шкалы и процедура калибровки. Фракционирования изотопов углерода и возраст образца. Примеры применения отечественной и зарубежной практике.

Смерть лишает живую материю способности поглощать радиоуглерод.

В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, включая и распад атомов радиоуглерода. В ходе этого процесса за 5730 лет половина исходного числа нуклидов 14C превращаются в атомы 14N. Этот интервал времени называют периодом полураспада 14С. Спустя еще один период полураспада содержание нуклидов 14С составляет всего 1/4 их исходного числа, по истечении следующего периода полураспада – 1/8 и т.д. В итоге содержание изотопа 14C в образце можно сопоставить с кривой радиоактивного распада и таким образом установить промежуток времени, истекший с момента гибели организма (его выключения из кругооборота углерода). Однако для такого определения абсолютного возраста образца необходимо допустить, что начальное содержание 14С в организмах на протяжении последних 50 тысяч лет (ресурс радиоуглеродного датирования) не претерпевало изменений.

На самом деле, как уже говорилось выше, образование 14С под воздействием космических лучей и (как следствие, его поглощение организмами) менялось на протяжении тысячелетий. Растения ежегодно усваивают диоксид углерода из атмосферы в период вегетации, и изотопы 12С, 13С и 14С присутствуют в клетках растений примерно в той же пропорции, в какой они представлены в атмосфере. Атомы 12С и 13С содержатся в атмосфере в почти постоянной пропорции, но количество изотопа 14С колеблется в зависимости от интенсивности его образования. Как было сказано выше, существует много различных причин изменения атмосферного содержания радиоуглерода и действуют они все вместе и независимо. Поэтому рассчитать и предсказать поведение радиоуглерода в атмосфере, как в прошлом, так и в будущем пока не представляется возможным. В тоже время, восстановить какая была концентрация радиоуглерода в атмосфере в прошлом возможно.

Каким образом это можно сделать, откуда берется эта калибровочная кривая, которая дает связь между радиоуглеродным и календарным возрастом?

Наилучшим материалом для определения изменения атмосферной концентрации 14С в прошлом является целлюлоза колец деревьев. Как уже отмечалось, целлюлоза в растениях относится к неподвижной фракции и точно отражает текущее атмосферное состояние 14С. Многочисленные исследования показали, что каждое кольцо дерева “запоминает” атмосферный 14С в год его формирования и выключается из обмена - в нем начинается распад 14C.

Таким образом, первичный уровень атмосферного 14С может быть рассчитан на основе измерения в годичных кольцах деревьев известного возраста активности радиоуглерода с учетом фракционирования изотопов углерода, распада 14С и процедуры нормировки.

Учитывая, что атмосфера является хорошо перемешанным резервуаром (т.е. в среднем, за год радиоуглеродное содержание одинаково по всей поверхности Земли), составив кривую для одного какого-либо дерева ее можно использовать для всех остальных регионов. При этом разрешение в один год не нужно, т.к. все равно существует ошибка измерения, отражаемая в радиоуглеродном возрасте, которая больше одного года.

Рис 4. Пример перекрестного датирования с целью построения длительной древеснокольцевой шкалы.

Большой удачей для исследователей, занявшихся созданием калибровочной кривой, было существование уже к тому времени аккуратных и длинных дендрошкал, и соответственно - доступности материала. Особенно перспективными были виды растений, обнаруженые среди североамериканской флоры: там произрастает секвойя (Sequoia) возраст которой может достигать 3 тысяч лет. Еще более интересными оказались бристольские сосны (Pinus aristata) произрастающие в Белых Горах Калифорнии, возраст которых мог достигать 4-5 тысяч лет. В торфяных болотах Ирландии и Германии были обнаружены горизонты со стволами мертвых деревьев разных возрастов, что позволило построить для этих районов сверхдлительные древесно-кольцевые шкалы. Эти данные были проанализированы и представлены в виде калибровочной кривой, отражающей сведения о колебаниях концентрации 14С в атмосфере на протяжении последних почти 10 тысяч лет.

Рис. 5. Концентрация радиоуглерода (С - отклонение от уровня международного стандарта радиоуглерода) в образцах долгоживущих деревьев известного возраста, измеренная с высокой точностью: а - в блоках древесины по 10-летиям за 4 500 лет; б - в блоках древесины по 20-летиям колец за последние 9 600 лет (Дергачев В.А., 1994).

Полученные результаты подтвердили принципиальную возможность применения радиоуглеродных датировок для определения возраста памятников древности и показали необходимость калибровки радиоуглеродных данных, которая учитывает изменчивость содержания 14C в атмосфере. Было установлено, что расхождение между радиоуглеродной и калиброванной датами не превышает ±150 лет для интервала между 1950 г. н.э. и 500 г. до н.э.

Для более древних времен это расхождение увеличивается и при радиоуглеродном возрасте в 6 тысяч лет достигает 800 лет.

В последние годы была разработана калибровочная кривая и для морских образцов (для поверхностного слоя океана) на основе измерений радиоуглерода в годовых кольцах кораллов. Это позволило корректно датировать морские образцы с учетом различий концентрации радиоуглерода в океане и атмосфере (резервуарный эффект).

Для определения радиоуглеродного возраста, помимо собственно радиоуглеродного измерения в образце измеряется изотопное отношение C/ C. Эта величина весьма вариабельна для различных растений, морских организмов, животных, неорганических образований и ее учет необходим на стадии расчета "радиоуглеродного" возраста (для стандартизации радиоуглеродных измерений к изотопному сдвигу 13C = - 25 ppm). Обычно для этого отделяют очень малую фракцию образца и проводят массспектрометрические измерения. Требования к размеру образца для массспектрометра весьма незначительны. Изотопное отношение 13C/12C также измеряется в виде отклонения от международного стандарта (так называемый PDB стандарт, от Pee Dee Belemnite, Belemnita Americana из известняковой формации Pee Dee из Южной Каролины) и выражается в виде d13C.

Радиоуглеродный возраст и календарная дата Как и при использовании иных способов датирования, практические вычисления радиоуглеродных дат осуществляются в специализированных лабораториях. Результаты проведенных лабораторных измерений содержания 14С оформляются в виде отчета, где в стандартном виде указывается дата, например, «2645±35 (СОАН-6409)». Дата 2645 – это число лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается круглая современная дата (1950 г., в некоторых случаях 2000 г.). Величина «±35» – стандартное отклонение, статистическая мера оценки, которая показывает, что с вероятностью 66% точная дата находится в пределах стандартного отклонения (в обе стороны) от полученного возраста 2645 лет от наших дней. Код в скобках обозначает выполнившую анализ радиоуглеродную лабораторию и номер образца. Обычно для установления возраста события применяют несколько методов, особенно если речь идет о сравнительно недавнем событии. Возраст крупного, хорошо сохранившегося образца может быть установлен с точностью до десяти лет, но для неоднократного анализа образца требуется несколько суток. Обычно результат получают с точностью 1% от определяемого возраста.

Для перехода к календарному возрасту в календарных годах радиоуглеродный возраст подвергают процедуре называемой "калибровкой". Она заключается в том, что на графике с некоей кривой, где по оси X отложены календарные года, а по оси Y - радиоуглеродные, затем находят календарные года, соответствующие определенным радиоуглеродным датам. Последующую процедуру калибровки выполняют в специализированном программном пакете, на соответствующих калибровочных кривых. Эти программы легко http://radiocarbon.ldeo.columbia.edu).

Radiocarbon determination Рис. 6. Пример калибровки радиоуглеродной даты в программе OxCal Если атмосферное содержание радиоуглерода в какой-то период по различным причинам росло, то калибровочная кривая для этого периода идет резко вверх. Если же падало, то на кривой наблюдается так называемая ступенька (плато). В случае, когда исследуемый образец пришелся на область роста кривой, то погрешности в календарном возрасте могут быть невелики, но когда он пришелся на плато, к сожалению, погрешность календарного возраста такого образца заметно возрастает. Таким образом, точность определения календарного возраста образца определяется наклоном калибровочной кривой. При этом заранее неизвестно какая окажется погрешность для каждого конкретного образца. Очевидно, что погрешности у более древних могут легко оказаться значительно меньшими, чем у более современных образцов.

Раздел 2. Дендрохронология Дендрохронология. История развития метода. Основные принципы работы метода, его возможности и ограничения. Дендрохронологические исследования в Западной Европе (Германия, Ирландия, Швейцария), Северной Америке (США) и России.

Что такое дендрохронология В живой природе встречается большое количество объектов, содержащих в себе регистрирующие структуры, под которыми понимаются твердые слоистые образования в различных частях тела растений и животных, характеризующиеся неоднородными анатомо-морфологическими характеристиками, возникшие в разные годы, сезоны года и даже в течение суток и сохраняющие такое строение в течение длительного интервала времени. Типичными примерами таких структур являются слоистость в чешуе рыб, раковинах моллюсков, известковых скелетах кораллов, костях и зубах птиц и млекопитающих.

Классическим и наиболее широко распространенным примером регистрирующих структур служат годичные слои прироста древесины в стволах, ветвях и корнях деревьев и кустарников, которые произрастают в районах, где выражены климатические сезоны года. Календарное время формирования каждого годичного слоя древесины можно точно установить, что дает возможность определять время появления и отмирания отдельных особей и изучать динамику возрастной структуры древостоев в прошлом.

Годичные слои прироста древесины (или годичные кольца) у многолетних деревянистых растений изучают специалисты многих научных дисциплин: лесоводы, лесоустроители, анатомы, экологи и др. Научные исследования в области дендрохронологии в последнее десятилетие развивались по нескольким направлениям и достигли значительных успехов. Широта и многоплановость дендрохронологических работ привели к внедрению данных дендрохронологии во многие разделы естественных и гуманитарных наук. Значение дендрохронологии особенно возрастает сейчас, когда в науке стала преобладать тенденция динамического подхода к явлениям биосферы.

Дендрохронология приносит в естественные науки четвертое измерение – время (Колчин, Черных, 1977; Ваганов, Шашкин, 2000).

Таким образом, дендрохронология – это научная дисциплина, которая занимается датировкой годичных колец деревьев и связанных с ними событий, изучением влияния экологических факторов на величину прироста древесины, анатомическую структуру годичных слоев и их химический состав, а также анализом содержащейся в годичных слоях информации для целей реконструкции условий окружающей среды.

Основные принципы дендрохронологии.

Основные принципы дендрохронологии заимствованы из общей экологии, поэтому правильнее рассматривать ее в качестве дисциплины экологического профиля, а точнее частью раздела «Биоиндикация». К ее основным положениям относятся следующие:

- закон лимитирующих факторов – биологические процессы, в частности рост древесных растений, не могут протекать быстрее, чем это позволяется внешним (влага, температура, свет, двуокись углерода, кислород, минеральные вещества) или внутренним (ферменты и др.) фактором, находящимся в минимуме. В случае, если этот фактор в силу каких-либо причин переходит в разряд оптимальных, скорость роста будет увеличиваться до тех пор, пока другой фактор (или факторы) не станут лимитирующими. Согласно этому закону, для дендрохронологического анализа наиболее пригодны те деревья, на прирост которых оказывает влияние тот или иной лимитирующий фактор, в предельном случае – только один.

- принцип отбора районов и место обитаний – является составной частью закона лимитирующих факторов и требует, чтобы при проведении дендрохронологических исследований образцы древесины брались у деревьев, которые произрастают в неблагоприятных и экстремальных климатических и почвенно-грунтовых условиях, где наиболее полно проявляется действие лимитирующих факторов.

- принцип чувствительности – в благоприятных для роста деревьев районах формируются широкие годичные кольца, а величина прироста между соседними годами колеблется в незначительных пределах. Подобная последовательность называется «благодушной». В неблагоприятных для произрастания деревьев условиях кольца прироста узкие, их ширина значительно колеблется от года к году, часто наблюдается выпадение колец. Такие серии называют чувствительными. Они свидетельствуют о том, что на рост деревьев большое влияние оказывают факторы внешней среды. Чем сильнее погодичная изменчивость величины прироста деревьев, тем более надежным индикатором изменений условий среды она является.

- принцип перекрестного датирования – является важнейшим в дендрохронологии и основывается на том, что древесные растения, произрастающие в пределах однородного в климатическом отношении района, величиной прироста сходно реагируют на изменения лимитирующих климатических факторов, в связи с чем у таких деревьев наблюдается синхронная изменчивость ширины годичных колец. Это позволяет производить абсолютную и относительную датировку каждого кольца с точностью до года у сравниваемых индивидуальных ДКХ, а также продлевать хронологии далеко в глубь веков.

- принцип повторности – использование информации не с одного, а с ряда модельных деревьев является непременным условием точной датировки колец, построения надежных ДКХ и производства более точной реконструкции условий среды.

- принцип униформизма (актуализма) – физические и биологические процессы, вызывающие изменения в росте дерева под воздействием факторов окружающей среды в настоящее время, вызывали подобные же изменения в прошлом. Это позволяет широко использовать ДКХ для реконструкции прошлых условий окружающей среды.

Перекрестное датирование, древесно-кольцевые шкалы Датирование годичных колец, т.е. одна из первостепенных задач дендрохронологии, возможно с помощью метода перекрестной датировки (crossdating method), основанного на использовании неповторимого во времени рисунка годичных колец древесины. Этот метод был впервые использован Д.

Кюхлером (Kuechler, 1859), а окончательно разработан и широко внедрен в практику дендрохронологических работ А. Дугласом в 1911 г. (Douglass, 1919). Перекрестная датировка – это сравнение рисунков колец у различных деревьев и выбор точного места, где найдено соответствие в характере изменчивости показателей радиального прироста между рассматриваемыми образцами. Этот метод позволяет выявлять нарушение синхронности в пределах отдельных временных интервалов и, тем самым, определять точное положение ложных и выпавших колец.

Метод перекрестного датирования позволяет получать относительные и абсолютные даты формирования слоев годового прироста.

Относительная датировка заключается в определении пар колец у сравниваемых образцов, которые сформировались в один и тот же год, но календарная дата еще неизвестна. Она позволяет, например, на сколько лет позднее или раньше было срублено (или погибло) то или иное дерево по сравнению с другим.

Абсолютная датировка включает в себя точное определение календарной даты всех годичных колец у исследуемых образцов. Она может быть проведена только в случае, если известна календарная дата хотя бы одного образца, кольцевая хронология которого перекрестно датируется с другими кольцевыми хронологиями. Применение метода перекрестной датировки позволяет не только датировать кольца деревьев, но и строить древеснокольцевые хронологии различной протяженности, продлевая их далеко в глубь веков, использовать древесину давно усохших или срубленных деревьев, сохранившуюся на поверхности, и древесину, погребенную в природных отложениях и в культурных слоях археологических памятников.

В настоящее время для выполнения относительных и абсолютных датировок используют специальные программы. Наиболее широко используемым и известным является бесплатный пакет DPL (библиотека дендрохронологического программного обеспечения, Holmes, 1983). Входящая в этот пакет программа COFECHA является наиболее надежной программой как для осуществления перекрестной датировки, так и для выполнения контроля качества выполненной датировки. Для выполнения операций по графическому контролю датировки, выявления ложных и выпавших колец и пр. очень удобна программа TSAP (Rinn, 1999).

Древесно-кольцевая хронология (ДКХ) представляет собой дискретный временной ряд длительностью от нескольких лет до многих тысячелетий, характеризующий тот или другой показатель годичного прироста, физикомеханические свойства, анатомическую структуру и химический состав древесины. В зависимости от целей исследования используются различные виды ДКХ. При датировке исторической и археологической древесины, а также различного рода катастрофических событий в основном используются индивидуальные хронологии, т.е. хронологии, полученные с одного дерева или кустарника. Для реконструкции климатических и гидрологических условий используются обобщенные и генерализированные хронологии, т.е. хронологии, построенные путем использования достаточно большого числа деревьев, принадлежащих к одному или нескольким видам и произрастающих в одном или нескольких типах местообитаний. Хронологии также могут быть подразделены на локальные, региональные и глобальные, которые характеризуют прирост деревьев и условия внешней среды на территориях различного масштаба.

Достоинства и недостатки метода.

Широкое использование годичных колец для решения многообразных научных и практических задач связано с тем, что древесные растения являются самыми долгоживущими на суше организмами. Основные достоинства метода следующие:

- высокая разрешающая способность ДКХ (до года и сезона) благодаря наличию хорошо различимых регистрирующих структур (годичных колец);

- возможность абсолютной и относительной датировки годичных колец как у живых, так и давно отмерших деревьев;

- возможность получения как прямой (величина прироста, структура и состав древесины), так и косвенной информации (реконструированные параметры условий внешней среды);

- возможность получения длительных и непрерывных хронологий (сотни и тысячи лет);

- наличие в ДКХ сильных сигналов, объясняемых изменчивостью внешней среды;

- возможность выявления колебаний различной длительности (погодичные, внутривековые, вековые) в изменчивости различных характеристик прироста деревьев и факторов внешней среды;

- возможность получения информации для огромных территорий суши;

- возможность получения массовых материалов и широкого использования математико-статистических методов для оценки и анализа ДКХ.

К основным недостаткам метода относятся:

- невозможность выявления колебаний и трендов в хронологиях, длительность которых превышает возраст использованных деревьев;

- невозможность датировки годичных колец и надежной реконструкции параметров внешней среды в случае получения информации с одного или небольшого числа деревьев;

- различия в реакции прироста дерева на разных этапах онтогенеза на одни и те же факторы внешней среды и в случае резкого и быстрого изменения климатических и почвенно-грунтовых условий.

История открытия и развития метода Высказывания ученых о том, что годичные кольца деревьев отражают условия их произрастания и могут быть использованы для восстановления погоды прошлого, появились еще во времена Леонардо да Винчи. Но первые дендрохронологические работы были выполнены лишь во второй половине XIX в. в разных странах мира, независимо одна от другой. Некоторые наблюдения о связи годичного прироста и климата в Техасе сделал в 1859 г.

американец Д. Кюхлер (Kuechler, 1859). В 1869 г. в Австрии А.Покорни опубликовал статью о расчете метеорологических индексов по годичному приросту древесины (Pokorny, 1869). В 1880 г. закончил свою работу "Годичные кольца и метеорологические факторы" датский астроном Д. Кептейн (Kapteyn, 1914). Начало дендрохронологическим работам в России положила работа профессора Одесского университета Ф. Н. Шведова "Дерево как летопись засух" (Шведов, 1892). В то время все эти работы прошли незамеченными, и обратили на них внимание лишь в XX в (Колчин, Седов, 1977).

Впервые сформулировал и широко применил на практике основные принципы и методы дендрохронологии в начале XX в. американский астроном А. Дуглас (Andrew Ellicott Douglass, 1867-1962). В 1904 г. он начал обширные работы по сбору образцов деревьев желтой сосны (Pinus ponderosa) для изучения колебаний годичного прироста и его связи с климатом, который, в свою очередь связан, как считал Дуглас, с солнечной активностью. Работы увенчались успехом. В 1919 г. вышел в свет первый том трехтомной монографии Дугласа "Климатические циклы и годичные кольца" (Douglass, 1919). А. Дуглас является автором 159 работ, посвященных дендрохронологии и дендроклиматологии. Всецело, вплоть до своей кончины он посвятил себя разработке методов использования ДКХ для реконструкции климатических и гидрологических условий, выявлению связей между приростом деревьев и солнечной активностью, датировке исторической и археологической древесины. Он впервые сформулировал и на практике проверил основные принципы дендрохронологии, показал значение засушливых районов и хвойных видов деревьев как источников наиболее чувствительных ДКХ, обосновал и ввел в практику метод перекрестной датировки (Douglass, 1909, 1919, 1928, 1936, 1941, 1946). В 1937 г. А. Дуглас организовал в Аризонском университете первую в мире Лабораторию изучения годичных колец деревьев (Laboratory of Tree-Ring Research), которая до сих пор является ведущим научным учреждением в этой области. Общество изучения древесных колец (Tree-Ring Society), организованное также А. Дугласом, с 1934 г. начало издавать периодически «Бюллетень древесных колец» (Tree-Ring Bulletin).

Успехи дендрохронологов США, в первую очередь, из лаборатории Аризонского университета, трудно переоценить. В середине 1950-х гг. ученик Дугласа Э. Шульман, исследуя вариации годичного прироста в связи с влиянием температуры и влажности, обнаружил в Белых горах на востоке Калифорнии деревья сосны остистой, произраставшие на высоте более м. Эта древесина послужила основой для создания сверхдлительных хронологий. В 1960-е гг. работу продолжил К. Фергюсон и к настоящему времени непрерывная шкала по сосне остистой составляет около 8700 лет. Исследования Г. Фриттса позволили осуществить корреляцию этой хронологии с другими, созданными для территорий, удаленных на сотни километров (Fritts, 1966, 1976).

Другим важным направлением является использование данных годичных колец для определения точности радиоуглеродного датирования, т.е. для создания так называемых калибровочных кривых (Ferguson, 1968). Также продолжается активная работа по датированию археологической древесины из юго-западных штатов США.

В Европе дендрохронологические исследования стали развиваться значительно позднее, чем в США. Наиболее энергично они стали проводиться в Скандинавских странах и в ФРГ с конца 30-х - начала 40-х гг. ХХ гг. Причин медленного развития дендрохронологии в Европе довольно много, но есть две главные. Во-первых, деревья здесь не достигают такого значительного возраста, как в Америке. Древесные насаждения в Европе достигают возраста не более 300 лет, а отдельные деревья не превышают возраста 500 лет. Вовторых, в Европе гораздо более сложны взаимосвязи климатических факторов, а это имело на первых порах значение, поскольку дендрохронологические исследования здесь впервые начали применять лесоводы и ботаники.

В 1941 г. немецкий ботаник Б. Хубер, по праву считающийся основоположником европейской дендрохронологии, выступая на Ежегодном Совещании Германской академии леса, провозгласил, что датировка древесины по годичным кольцам возможна и в Европе. Б. Хубер первым из европейцев сформулировал основные принципы этого метода для климатических условий Центральной Европы. Он, а также его коллеги и ученики – В. Хольдхайде, М. Мюллер-Штоль, Б. Беккер, Е. Холльштейн и др. – сформировали исследовательскую группу, работавшую долгое время при Лесоботаническом Институте Мюнхенского Университета. Другими центрами в Германии стали лаборатории в Гамбурге (И. Баух, Д. Экштейн, В. Лизе) и Штутгарте (Б. Беккер). Впечатляющие результаты были достигнуты в области создания для Средней Европы длительных хронологий по дубу общей протяженностью около 10 500 лет.

Важные центры исследований находятся в Англии и Ирландии: лаборатории в Оксфорде (Д. Флетчер) и Белфасте (М. Бейли). Здесь также ведутся работы по созданию длительных хронологий по дубу, а, кроме того, на их основе создаются радиоуглеродные калибровочные кривые. Большое место в работах британских ученых занимает археологическая и историческая древесина из памятников от эпохи раннего железа до позднего средневековья.

В странах Северной Европы традиции дендрохронологических исследований восходят еще к предвоенным годам. В настоящее время известны научные центры в Швеции – Лаборатория при Лундском Университете (Т.

Бартолин) и Лаборатория в Троллхатене (А. Братен), и Финляндии – лаборатория в Университете Йонсуу (П. Зеттерберг). Здесь работы ведутся в основном по сосне и частично по дубу (южная Швеция).

Исследования ведутся также в Италии, Франции, Чехии, Польше, Восточном Средиземноморье (Эгейский дендрохронологический проект) и т.д.

Тесная кооперация ученых из разных стран позволила получить впечатляющие результаты и наметить новые направления в развитии науки о годичных кольцах.

В нашей стране усиленный интерес к дендрохронологическим исследованиям стал проявляться с начала 1960-х гг., хотя отдельные работы с использованием древесно-кольцевого анализа были выполнены ранее. Тогда ведущую роль в координации работ взяла на себя Каунасская Дендроклиматохронологическая лаборатория Института ботаники АН Литовской ССР (Т.Т. Битвинскас). В 1978 г. при лаборатории был создан Дендрохронологический Банк Советского Союза. Проведено пять Всесоюзных совещаний по проблемам дендрохронологии и дендроклиматологии (Вильнюс – 1968 г., Каунас – 1972 г., Архангельск – 1978 г., Иркутск – 1983 г., Свердловск – г.). В настоящее время лидерство в этой области принадлежит двум лабораториям дендрохронологии: в Институте экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург и в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. Они занимаются изучением закономерностей годичного радиального прироста древесных растений, построением сверхдлительных хронологий и их использованием для реконструкции природных условий, датировкой различных природных событий, исторических и археологических памятников. Российские дендрохронологии активно сотрудничают с зарубежными коллегами в рамках совместных проектов, а также представляют свою страну на международных конференциях и симпозиумах.

Дендроархеология. Абсолютные древесно-кольцевые шкалы и процедура датировки археологических, архитектурных памятников. Методика отбора образцов. Дендроархеология городов Древней Руси: Древний Новгород, Псков, Старая Ладога и др. «Плавающие» древесно-кольцевые шкалы и их значение для хронологического определения времени сооружения элитных курганов Саяно-Алтая: Аржан, Пазырык, Туэкта.

Дендрохронология на службе археологии В строгом смысле дендроархеологию можно считать первым разделом дендрохронологии, использующим годичные кольца для датирования древесного материала (Multilingual Glossary of Dendrochronology…, 1995, p. 90, 92). Применение методов дендрохронологии предоставило археологам уникальный шанс получения дат такой степени точности, которая невозможна никаким другим образом. Сейчас ни одно серьезное исследование древних памятников, где встречена древесина, не может обойтись без данных древесно-кольцевого анализа.

Первые работы с археологическим деревом в нашей стране начались на исходе 1950-х гг. В Лаборатории археологической технологии Ленинградского отделения Института археологии АН СССР по инициативе С.И. Руденко был проделан анализ серии образцов из Больших Пазырыкских курганов на Алтае (Замоторин И.М., 1959, 1963). Однако скоро центр исследований переместился в Лабораторию естественнонаучных методов Института археологии АН СССР в Москве. Именно здесь развернулись наиболее масштабные и систематические работы по анализу древесины из средневековых древнерусских городов, крепостей и монастырей с обширных восточноевропейских пространств. Инициатором и организатором этого направления работ стал Б.А. Колчин. В 1959 г. в Новгороде была собрана первая коллекция спилов с древних построек, вскрытых на Неревском раскопе (Колчин Б.А., Черных Н.Б., 1977, с. 33). Активные изыскания продолжились в дальнейшем и на сегодня в архивах лаборатории хранятся данные более чем по 14 500 образцам археологической древесины, на базе которой завершено создание непрерывной восточноевропейской дендрошкалы, берущей начало в 612 г. (Черных Н.Б., 1996, с. 28).

За Уралом первый успешный опыт использования древесно-кольцевого анализа для абсолютного датирования археологических объектов был получен в 1970-х гг. на Мангазейском городище – самом северном русском городском поселении XVII в. Здесь удалось точно датировать многочисленные деревянные сооружения и получить три длительные хронологии (лиственница, ель, кедр) (Шиятов С.Г., 1980).

Археологическая древесина как объект анализа Очень часто органика, в первую очередь, древесина прекрасно сохраняется в культурных слоях археологических памятников, чему способствуют определенные условия залегания: большая насыщенность влагой, малая кислотность или нейтральность среды, отсутствие водо- и воздухообмена, небольшие колебания температуры. Идеальным случаем является нахождение древесины в условиях мерзлоты, примером чему являются вышеупомянутые большие курганы Алтая или Мангазея.

В археологических раскопках, как правило, встречаются следующие типы деревянных сооружений:

- срубы жилые, хозяйственные и производственные;

- дворовые настилы и вымостки;

- ограды и частоколы, разделяющие усадьбы;

- мостовые улиц;

- конструкции оборонительных сооружений;

- водоотводные сооружения – колодцы, отстойники, дренажи;

- погребальные конструкции;

- специфическим источником является древесина с затонувших кораблей.

При использовании методов дендрохронологии для изучения археологического дерева важным моментом является определение:

- породы древесины;

- степени сохранности ее структуры;

- наличия внешнего кольца, по которому можно установить дату рубки.

Среди многих вопросов, которые помогает решать дендрохронология, вне всякого сомнения, доминируют хронологические, когда основной задачей является установление даты рубки деревьев и соответственно, времени сооружения построенных из них конструкций. Теоретически время возведения конкретной постройки определяется датой рубки самого позднего из связанного с нею комплекса бревен. Однако на практике существенные трудности вносят: недостаточная репрезентативность выборки образцов, переиспользование старых бревен, наличие более поздних стволов, связанных с ремонтом и пр. Существенным является вопрос об отрезке времени между повалом дерева и его использованием при строительстве. Поэтому при определении даты постройки принимаются во внимание все имеющиеся сведения:

стратиграфическое положение, соотношение с соседними комплексами, следы перестроек и ремонтов и пр. (Черных Н.Б., 1996, с. 58).

Методика отбора образцов Во многом решающим условием успешного древесно-кольцевого анализа является правильный отбор образцов древесины. Известны следующие их виды:

- круговые поперечные спилы;

- бруски древесины по радиусу и диаметру;

- клиновидные выпилы с пней и живых деревьев;

- буровые керны.

Наиболее пригодны для измерения характеристик и датировки круговые поперечные спилы, которые позволяют анализировать прирост по любому радиусу, исключать разного рода нарушения в формировании колец и выявлять местонахождение частично выпадающих колец. Спилы также предпочтительнее по вопросам целостности и сохранности образца деградированной древесины. Однако не всегда возможно взятие спила. Если сохранность древесины позволяет, то используются возрастные буры, при помощи которых высверливаются радиальные керны диаметром 4-5 (либо 8) мм и длиной 10-50 см.

Важен вопрос о количественной представительности выборки образцов. Для построения обобщенной хронологии отбирают образцы с 15-30 деревьев одного вида (измерения проводятся по двум радиусам). В экстремальных условиях местообитания, где наблюдается высокая изменчивость и синхронность в изменчивости прироста, можно ограничиться образцами с 10- деревьев. В случае с искусственным сооружением считается, что необходимо брать возможный максимум образцов, т.к. в процессе работы происходит отсев части материалов. Малопригодными для датировок являются образцы, возраст которых не достигает 30 лет.

Учитывая важность определения даты рубки дерева, принципиальным моментом является наличие подкорового кольца. Поэтому по возможности, следует выявить участки, где наружный слой сохранился, и брать образцы там, при необходимости дублируя их. О наличии подкорового слоя говорит присутствие остатков коры и луба на поверхности, ходы насекомых и т.д.

Обязательным правилом отбора образцов является их маркировка, указывающая место происхождения и особенности образца. Если это какая-либо конструкция, то указывается элемент и его местонахождение в конструкции, а к серии образцов прилагается план и описание археологического объекта.

Максимальная фиксация всей сопутствующей информации в дальнейшем может помочь при интерпретации полученных результатов анализа.

Абсолютные древесно-кольцевые шкалы и процедура датировки археологических и исторических памятников Процедура дендрохронологического анализа приводит, в конечном счете, к созданию относительной («плавающей») или абсолютной древеснокольцевой хронологии. В рамках относительной хронологии можно определить, на сколько лет позднее или раньше было срублено (или погибло) то или иное дерево по сравнению с другим, а соответственно, на сколько лет позднее или раньше его использовали в той или иной конструкции. Однако более полноценной хронологией является абсолютная, которая включает в себя точное определение календарной даты всех годичных колец у исследуемых образцов. Она может быть получена только в случае, если известна календарная дата хотя бы одного образца, кольцевая хронология которого перекрестно датируется с другими кольцевыми хронологиями.

Как правило, археологические хронологии изначально являются плавающими. Для придания им календарного характера в литературе предлагается целый арсенал различных методов, включающих нумизматические и другие узко датированные находки, документальные сообщения о строительстве, летописные данные о пожарах, своеобразные характеристики колец в отдельные отрезки времени, радиоуглеродный анализ, и пр. Известно, что для абсолютной привязки новгородской шкалы использовали летописные данные о годах постройки конкретных церквей, из которых имелись образцы древесины (Колчин Б.А., Черных Н.Б., 1977, с. 34-36).

Очевидно, что наиболее надежным является метод перекрестного датирования относительной хронологии, полученной по археологической или ископаемой древесине и абсолютной хронологии, построенной по живым деревьям. Именно по такому принципу строятся длительные абсолютные хронологии, которые в свою очередь служат в дальнейшем надежным инструментом датирования событий природной и общественной истории. Выше уже шла речь об абсолютных непрерывных древесно-кольцевых хронологиях длиной в тысячи лет, построенных на Западе. В России для субарктической зоны получены 4 хронологии по лиственнице длительностью более 1000 лет:

Полярный Урал – 1250 лет, полуостров Ямал – 7000 лет, полуостров Таймыр – 2600 лет, низовья р. Индигирки – 2500 лет (Шиятов С.Г. и др., 2000, с. 50).

Ямальская хронология неоднократно успешно применялась для датирования разновременных археологических памятников с территории ЯНАО: УстьПолуйское (I в. до н.э.) и Надымское (XII-XVIII вв.) городища, поселение Ярте-6 (XI-нач. XII вв.). При этом, в последнем случае по ямальской хронологии, полученной по лиственнице, датировались археологические образцы древесины другого вида, а именно ивы (Шиятов С.Г. и др., 2000, с. 53-55).

Дендрохронология восточноевропейских памятников: Новгород Великий, Псков, Тверь, Смоленск и др. древнерусские города.

Материалы из древнерусских городов и крепостей стали областью наиболее масштабного и систематического применения методов дендрохронологии в отечественной науке. Проводимые лабораторией Института археологии РАН (г. Москва) исследования начались в 1959 г. с изучения коллекции древесины из Неревского раскопа Новгорода. Работы сразу приобрели масштабный характер, т.к. древесина встречалась в огромных количествах и была хорошей сохранности: так, первая новгородская коллекция насчитывала образец, из которых 1038 были изучены. Уже в 1960 г. под руководством Б.А. Колчина была построена хронология, охватившая почти 6 столетий – 884-1462 гг. (Колчин Б.А., Черных Н.Б., 1977, с. 33-36). С этого времени определение возраста деревянных построек по годичным кольцам твердо заняло важное место в методах датирования множества памятников русского средневековья. В последующие годы по мере расширения коллекций древесины, собранных уже в иных районах города, стала очевидной необходимость создания новых хронологий для различных частей Новгорода. Вслед за Неревской шкалой появились Суворовская, Кировская, Лубяницкая, Ильинская, Троицкая, а границы новгородской абсолютной хронологии раздвинулись до 800-1680 гг. (Колчин Б.А., 1972). К настоящему времени новгородская коллекция представляется, по всей вероятности, одной из крупнейших в мире: собрано 15653 и изучено 8063 образца дерева, из которых для бревен определены абсолютные даты, а 551 постройка имеет строительные даты (Черных Н.Б., 1996, с. 26-27).

Позже начались исследования древесины из других городов – Белоозера, Смоленска, Пскова, Мстиславля, Полоцка, Твери, а также крепостей – Орешка, Ладоги, Копорья и др. В результате сведения в единую систему ряда локальных хронологий была построена обобщенная восточноевропейская хронология от 612 г. до современности (Черных Н.Б., 1996, с. 28).

Дендрохронология памятников скифской эпохи Саяно-Алтая: Аржан, Пазырык, Туэкта, Башадар, курганы плато Укок.

Другим примером активного использования метода дендрохронологии в отечественных археологических исследованиях являются элитные курганы Саяно-Алтая скифской эпохи. Это «царские» могильники пазырыкской культуры Туэкта, Башадар, Пазырык на Алтае и «царский» курган Аржан в Туве.

По сути, пазырыкская коллекция древесины стала «родоначальницей» дендрохронологических исследований в нашей стране.

В 1956-57 гг. по инициативе С.И. Руденко И.М.Замоториным были обработаны материалы из пяти больших Пазырыкских курганов и установлена очередность их строительства с точностью до года. Все курганы были сооружены в течении 48 лет. Полученная хронология насчитывала 235 лет (Замоторин И.М., 1959). Позже И.М. Замоторин привлек для исследования образцы из других курганов - Туэкты I и Башадара II, попытавшись установить их относительную хронологию с курганами Пазырыка (Замоторин, 1963). В начале 1970-х гг. новые исследования образцов дерева из курганов Пазырыка, Башадара и Туэкты были проведены Е.И.Захарьевой, которая добавила еще коллекцию спилов из кургана Аржан. Согласно ее результатам изменился порядок сооружения Пазырыкских курганов, а время их строительства сузилось до 43 лет. Общая длина дендрошкалы Е.И.Захариевой для СаяноАлтая с учетом более раннего кургана Аржан в Туве составила 547 лет (Захарьева Е.И., 1974).

Разночтения в определении относительной хронологии больших курганов Саяно-Алтая обусловили необходимость снова вернуться к изучению этих материалов в конце 1970-х - 80-х гг. Л.С. Марсадоловым был изучен спил из 1-го, 2-го, 5-го Пазырыкского курганов, а также из курганов Туэкта-I, Шибе и Аржан. Исследования Марсадолова подтвердили основные выводы, полученные еще И.М. Замоториным, а, кроме того, установили относительную дату сооружения Аржана, как на 200±5 лет ранее I-го Туэктинского кургана на Алтае Новая "плавающая" хронология насчитывала 634 года (Марсадолов, 1985, 1988). Впоследствии Марсадолов неоднократно указывал на возможность привязки своей древесно-кольцевой хронологии к так называемой "американской дендрошкале протяженностью около 8 тыс. лет". Результатом такой привязки стало определение им с точностью до года абсолютных дат постройки 1-го, 2-го, 5-го Пазырыкских и 1-го Туэктинского курганов (Марсадолов, 1996, с. 50-51).

Все полученные хронологии были относительными или "плавающими".

Попытки установления абсолютного возраста больших курганов СаяноАлтая проводились путем радиоуглеродного датирования тех образцов дерева, по которым строилась древесно-кольцевая хронология. Диапазон календарного времени сооружения больших курганов был определен как 800- гг. до н.э. с вероятностью ±20-40 лет (Марсадолов Л.С. и др., 1996).

В 1970-90-х гг. специалисты Института археологии и этнографии СО РАН (г. Новосибирск) раскопали в Южном и Юго-Восточном Алтае большое количество курганов пазырыкской культуры, среди которых были погребения как рядовых кочевников, так и курганы родовой знати. Ряд памятников содержал подкурганную мерзлоту (Кубарев В.Д., 1987, 1991, 1992; Полосьмак Н.В., 1994). Наиболее известными являются курганы на плато Укок, где были обнаружены мумифицированные тела людей (Феномен алтайских мумий, 2000). Большое количество сохранившихся в условиях мерзлоты деревянных конструкций в курганах позволило использовать метод дендрохронологии для относительного датирования. Была получена "плавающая" древесно-кольцевая хронология протяженностью в 415 лет, включающая курганы плато Укок и Чуйской степи. Общий период существования здесь памятников оказался неожиданно коротким и насчитывал всего 39 лет (Зайферт, Слюсаренко, 2000). Позже по древесине из могильника Уландрык I была впервые построена хронология, охватившая практически все курганы могильника. Длина ряда составила 422 года, а период существования могильника можно оценить не более, чем в 50 лет (Быков Н.И. и др., 2004). Абсолютная привязка этих хронологий проведена с помощью высокоточного радиоуглеродного датирования и процедуры wiggle-matching – конец IV - середина III в. до н.э. (Slusarenko I. et al., 2004).

Перспективы дендрохронологических исследований в области археологии связаны, в первую очередь, с созданием длительных абсолютных хронологий по лиственнице для территории Саяно-Алтая, которые имеют возможность продления как минимум до рубежа эр, а с учетом плавающих археологических хронологий I тыс. до н.э., и глубже. Это позволит датировать накопленный значительный материал по археологической древесине в категориях календарного времени, а кроме того, создаст базу для дальнейших палеоклиматических реконструкций.

Другим направлением является датирование исторических памятников и архитектурных сооружений (фортификационные, административные, культовые, жилые постройки) связанных с эпохой русской колонизации Сибири.

Это направление только начинает раскрывать свой потенциал.

Дендроклиматология. Методическая основа для выполнения климатических реконструкций. Использование таких показателей как ширина годичного кольца, плотность и толщина клеточной стенки. Перспективы и результаты. Международные банки дендроклиматических данных и их значение для пространственной реконструкции изменений температуры и осадков в историческом прошлом.

Изменяющиеся условия среды в природных экосистемах за длительные периоды времени можно изучать только по косвенным источникам. Среди прочих косвенных источников годичные кольца древесных растений обладают рядом несомненных преимуществ (Ваганов и др., 1996):

1) существенно развиты теоретические и методические основы дендрохронологии, опирающиеся на такие принципиальные положения, как перекрестное датирование, повторность, чувствительность к внешним изменениям, постоянство реакции на климатические изменения (Шиятов, 1986; Fritts, 1976; Schweingruber, 1996);

2) годичные кольца с одной стороны являются интеграторами влияния внешних условий, с другой, их характеристики регистрируют изменения скорости роста под воздействием этих изменяющихся условий (ЯценкоХмелевский, 1954; Ваганов и др., 1985; 1996). Таким образом, годичные кольца не только интегрируют результат процесса, но и регистрируют сам процесс;

3) поскольку процесс формирования годичных колец растянут на сезон, то разные их характеристики могут служить источниками об изменениях среды с большим, чем год временным разрешением (Ваганов, Шашкин, 2000).

4) ширина годичного кольца имеет и четкий физический смысл, поскольку представляет собой абсолютную скорость роста дерева по радиусу (диаметру). Скорость роста интегрирует влияние внешних и внутренних факторов и имеет четко определенную единицу измерения (миллиметр), поэтому климатическая составляющая изменчивости прироста имеет и меру, и биофизическое обоснование (скорость роста), а значит, легко может быть количественно оценена (Ваганов, Шашкин, 2000).

Дендроклиматология - раздел дендрохронологии, занимающийся изучением закономерностей сложения годичных слоев древесных пород для установления климата в прошлые геологические эпохи. В зависимости от решаемых конкретных задач дендрохронологию в последние годы обычно делят на собственно дендрохронологию и дендроклиматологию. Дендрохронология занимается составлением дендрохронологических шкал, их перекрестной и временной связью, относительным и абсолютным датированием самих шкал и, наконец, датированием по этим шкалам тех или иных явлений природы и объектов. Предмет дендроклиматологии значительно шире. Дендроклиматологи выясняют качественные и количественные показатели связей элементов климата, солнечной радиации и других явлений природы прошлого с годичным приростом дерева или сообщества деревьев.

Среди глобальных экологических проблем, возникших в последние десятилетия, важнейшей является проблема возможного изменения климата, в частности потепления поверхности Земли в связи с существенным увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере (углекислоты, метана, хлорфторуглеродов, закиси углерода и водяного пара) (Ваганов и др., 1996).

Древесно-кольцевые хронологии позволяют производить количественные реконструкции температуры воздуха и осадков. Такая информация может быть получена для многих районов земной поверхности и с необходимой густотой сети дендроклиматических станций. Дендроклиматические ряды позволяют оценивать естественную изменчивость климата в доиндустриальные времена для конкретного участка или района, что намного облегчает выявление вклада антропогенных факторов в изменчивость климата (Hughes, 1995). Важнейшим преимуществом дендроклиматических реконструкций являются их высокая разрешающая способность и возможность абсолютной датировки событий.

Использование таких показателей как ширина годичного кольца, плотность и толщина клеточной стенки Годичные слои прироста древесины (или годичные кольца на поперечном спиле) являются результатом активности камбия в вегетационный период. Камбий представляет собой расположенный между древесиной и лубом тонкий слой образовательной ткани из мелких тонкостенных клеток, способных к делению. В начале вегетационного периода (весной и в начале лета) формируются крупные тонкостенные клетки у хвойных и крупные (часто многочисленные) сосуды у лиственных деревьев, а в середине и конце лета – мелкие толстостенные клетки у хвойных и мелкие сосуды у некоторых лиственных деревьев. В результате этого в годичном кольце образуются различающиеся по размерам и форме клеток, а также по цвету и плотности, слои ранней и поздней древесины. Переход между клетками ранней и поздней древесины обычно постепенный, в то время как между клетками поздней древесины предыдущего кольца и ранней древесины последующего кольца резкий. Это обусловлено формированием на внешней границе кольца так называемой терминальной древесины, состоящей из тонкого слоя толстостенных клеток, часто сплюснутых в радиальном направлении. Трудности в определении границы между соседними кольцами чаще всего возникают у тех видов деревьев и кустарников, у которых слой поздней древесины очень узкий, а по цвету и плотности он слабо отличается от слоя ранней древесины (например, у некоторых видов берез) (Методы …, 2000).

Древесные кольца вследствие относительной простоты строения являются одним из предпочитаемых объектов физиологических и анатомических исследований. У хвойных видов они имеют ряд особенностей: 1) организацию клеток в ряды, которые можно рассматривать как клоны, возникшие из одной инициальной клетки; 2) образование годичных колец позволяет получать возрастные и календарные отметки времени, и следовательно, сопоставлять изменения в структуре, вызванные теми или иными внешними и внутренними факторами; 3) трахеиды в древесине хвойных имеют простые количественные анатомические показатели их дифференцировки (размеры, толщина клеточной стенки); 4) изменчивость анатомических характеристик внутри годичных колец позволяет получать информацию об особенностях сезонного роста деревьев (Ваганов, Шашкин, 2000).

Структура годичных колец характеризуется рядом показателей: TRW ширина годичного кольца, N - число клеток в радиальном ряде в пределах годичного кольца, Di – радиальный размер клеток – радиальный диаметр, CWTi – толщина клеточной стенки, DEN – плотность древесины, оцениваемая вследствие особенностей строения клеток как отношение площади клеточной стенки к площади, занимаемой клеткой на поперечном сечении. Поэтому влияние внешних факторов необходимо рассматривать на каждый показатель, как по отдельности, так и в совокупности. Ширина годичного кольца (и численность клеток, как характеристика линейно с ней связанная (Ваганов и др., 1985, 1992) является объектом исследования в дендрохронологии с начала текущего столетия, и к настоящему моменту опубликовано несколько монографий, где вопросы влияния внешних факторов на изменчивость ширины годичных колец освещены весьма подробно (Fritts, 1976;

Schweingruber, 1996; Methods of Dendrochronology, 1990; Шиятов, 1986; Ваганов и др., 1996). Рассмотрен широкий спектр внешних факторов, таких как температурный и гидрологический режим, ветер, пожары, вспышки массового размножения насекомых, индустриальные выбросы, сход снежных лавин, лесохозяйственные мероприятия и многие другие. Широкое использование древесно-кольцевых хронологий в исследовании различных вопросов экологии и истории лесных экосистем способствовало разработке теоретических и методических основ дендрохронологии и дендроэкологии. Г. Фриттс, обобщив данные измерений у деревьев Юго-запада США, растущих в переходной между лесной и полупустыней зоне с разным ежегодным количеством осадков, выявил следующие закономерности изменчивости ширины годичных колец в связи с градиентом увлажнения, увеличением погодичного варьирования количества осадков и увеличением периода в сезоне, когда влажность является лимитирующим рост фактором:

1) с уменьшением количества осадков пропорционально уменьшается ширина годичных колец;

2) с уменьшением количества осадков до границы с полупустыней увеличивается корреляция в изменчивости ширины годичных колец в разных частях одного дерева и между разными деревьями;

3) с уменьшением количества осадков возрастает дисперсия и чувствительность древесно-кольцевых хронологий;

4) с ростом дефицита влаги увеличивается процент выпадающих колец в стволах деревьев.

Аналогичная схема реализуется и для температуры (Шашкин, Ваганов, 1998). Минимальная ширина годичных колец, максимальные дисперсия, чувствительность и процент выпадающих колец наблюдаются у деревьев, растущих на полярной или верхней границе лесной растительности (Шиятов, 1986; Ваганов и др., 1996).

Внешние факторы существенно влияют на размеры клеток, толщину клеточной стенки, и в итоге, на плотность годичных колец. Например, сосна в болотных условиях формирует не только более узкие годичные кольца, но эти кольца имеют меньшую величину и долю поздней древесины. В годы сильных депрессий роста годичное кольцо может иметь только 1-2 ряда клеток ранней древесины и 1 ряд мелких клеток поздней древесины с тонкой стенкой. В благоприятных условиях роста в широких годичных кольцах можно наблюдать больше разнообразия в изменчивости размеров клеток и толщины клеточной стенки внутри годичных колец. Образование «ложных»

колец - обычное явление в условиях недостаточного увлажнения и четко обозначенного сезона дождей, что типично, например, для гор Юго-запада США. Образование слоя клеток в большими радиальными размерами приурочено к наступлению сезона дождей в начале июля. Однако в отдельные годы деревья могут полностью остановить рост в предшествующий засушливый период, и тогда «ложное» кольцо по анатомическим особенностям не отличается от годичного. На верхнем горном или полярном пределе лесной растительности часто образование годичных колец с тонкостенными клетками в поздней древесине (т.н. «light rings»), обусловленное холодной осенью или резким похолоданием в конце лета (Schweingruber, 1993).

Внутрисезонное уменьшение размеров трахеид при водном стрессе подробно исследовал К. Вильперт (Wilpert, 1990). Измеряя водный потенциал почвы и динамику сезонного роста годичных колец у ели европейской, ему удалось четко показать, что уменьшение радиальных размеров трахеид обусловлено внутрисезонной засухой (уменьшением водного потенциала). Эта зависимость показывает, что в широком диапазоне изменений водного потенциала отклонения в размерах формирующихся трахеид практически не наблюдаются, и только в случае падения водного потенциала, размер клеток начинает сначала медленно, затем быстро уменьшаться.

Для различных местообитаний изменения погодных условий отдельных месяцев неодинаково отражаются на размерах клеток, сформированных в годичном кольце дерева в разные периоды сезона. Отыскание конкретного вида зависимостей размеров клеток разных частей годичных колец от погодных условий отдельных месяцев сезона позволяет на количественном уровне проводить анализ динамики сезонного роста деревьев в зависимости от хода температуры или выпадения осадков (Ваганов и др., 1985).

Таким образом, краткий анализ показывает, что сезонный рост древесных растений существенно зависит от внутренних и внешних факторов. В ходе сезонного роста проявляются генетические особенности разных видов древесных растений и их возраст, на их интенсивность влияет как комплекс постоянно действующих факторов, таких как географическое положение, климат, почва, так и переменные факторы, такие как погодные условия, влагосодержание в почве, минеральное питание (Шиятов, 1986; Ваганов и др., 1985, 1996; Fritts, 1976; Schweingruber, 1988, 1996).

Перспективы и результаты, значение для пространственной реконструкции изменений температуры и осадков в историческом прошлом. Международный банк дендроклиматических данных.

Наиболее важной проблемой современной климатологии является вопрос о причинах происшедшего в XX в. глобального потепления климата на 0,6°C и, в особенности, оценки вклада в это потепление антропогенных факторов, связанных с ростом концентрации парниковых газов в атмосфере. В этой связи особое значение приобретает восстановление приземной температуры воздуха за период с 1400 г. по косвенным индикаторам климата. Сравнение результатов восстановления приземной температуры воздуха по данным для северного полушария после 1600 г. с данными о вариациях содержания в атмосфере парниковых газов, внеатмосферной инсоляции и вулканического аэрозоля привело к выводам, что: 1) имела место существенная корреляция приземной температуры воздуха с изменчивостью инсоляции в XVII в.; 2) для вулканического аэрозоля обнаружена корреляция в XVIII и XIX вв.; 3) в XX в. доминирующий вклад в изменчивость приземной температуры воздуха принадлежал парниковым газам. Если расположить эти ряды данных в последовательности убывающей надежности, то подобная последовательность оказывается следующей: исторические хроники, дендроклиматическая информация, ледяные керны, кораллы (наибольший вклад с точки зрения объема информации принадлежит дендроклиматологии). Сравнение трех независимых восстановленных рядов приземной температуры воздуха за период с 1400 г., осредненных за 50-летние интервалы, выявило наличие значительных расхождений (до 0,5°C), но также и сходство, состоящее в том, что во всех трех случаях климат XX в. оказался более теплым, чем во все предшествующие годы. Наиболее холодным оказались XVII и XIX вв. (следующее место занимает XV в.). XVII в. был более холодным в Европе, а XIX в. - в Северной Америке (Jones, 1998).

Дендроклиматические исследования в расположенной вблизи полярного круга тайге и в субальпийских лесах представляют особый интерес в контексте изучения глобальных изменений вообще и глобального климата - в особенности. В этой связи возникает целый ряд вопросов: на каком этапе развития голоцена находимся мы в настоящее время; окажется ли следствием происходящего в настоящее время потепления смещение на север границы лесов; приведут ли антропогенно обусловленное возрастание концентрации CO2 в атмосфере и потепление климата к значительным экологическим изменениям; уменьшится ли частота заморозков? Выполненные за последние лет дендроклиматические разработки дали лишь частичные ответы на эти вопросы на основе использования данных, охватывающих период до 8- тысяч лет (с учетом данных для ископаемых остатков деревьев).

На основе изучения изменчивости ширины годичных колец у живых деревьев и полуископаемых остатков лиственницы сибирской, собранных в южной части полуострова Ямал, была построена непрерывная хронологи длительностью 4309 лет. На основе этой хронологии произведена реконструкция летних температур. При ее анализе выявлены особенности динамики годичной изменчивости теплообеспеченности летних месяцев, отмечены наиболее холодные и теплые летние сезоны, а также непрерывные длительные (от 20 лет и более) последовательности холодных и теплых лет. Представлено распределение по столетиям частоты экстремально холодных и теплых лет, кратковременных и длительных температурных аномалий. Дана оценка современных климатических тенденций (Хантемиров, 2000).

По сборам древесины живых деревьев и хорошо сохранившихся остатков отмерших деревьев и полуископаемой древесины из аллювиальных береговых отложений методом перекрестного датирования построена региональная древесно-кольцевая хронология для востока Таймыра длительностью 2209 лет (с 212 г. до н. э. по 1996 г. н. э.). Высокие величины синхронности и корреляции индивидуальных серий годичных колец свидетельствуют о преобладающем влиянии одного внешнего фактора на изменение радиального роста деревьев в исследуемом районе субарктики Сибири. Установлено, что изменчивость прироста тесно связана с изменениями раннелетней и среднегодовой температуры, которые объясняют до 70% изменчивости скорости роста деревьев. При анализе древесно-кольцевой хронологии выявлены устойчивые на протяжении 2 тысячелетий циклы: двойной вековой (около лет), вековой (78-90 лет), внутривековые (44, 28, 11 и 6.7-6.9 лет). Получены модели для реконструкции раннелетней и среднегодовой температуры воздуха по параметрам изменчивости прироста деревьев. Динамика температуры в восточной части Таймыра за последние 2 тысячи лет хорошо согласуется с изменениями температуры Северного полушария, полученными по другим косвенным источникам. Потепление в середине XX в. не является экстраординарным; более продолжительным по времени и близким по амплитуде было потепление на рубеже первого и второго тысячелетий (Наурзбаев, Ваганов, 1999).