תיארוך רדיוקטיבי

מאמרו של פרופ' משה טרופ, מתוך ספרו חידת הקיום (2013), עמ' 43 ואילך, הערות השוליים לא הוכנסו.

הערכת גיל המאובן בעבר היתה מסתמכת על גיל השכבה שבו הוא נמצא ולהפך גיל השכבה נקבע על פי המאובנים הנמצאים בתוכה. הערכה זו אינה מדוייקת היא יחסית. היא קובעת אם מאובן הוא קדום יותר או מאוחר יותר ביחס למאובנים באותו אזור, או באזורים אחרים.

מקובלת היום הערכה של סלעים ומואבנים על פי שיטות מדידה האמורות להיות מוחלטות ומדוייקות. המדידות מבוססות על דעיכה של אטומים רדיואקטיביים, שהיו כלואים במאובן עוד מזמן היותו בחיים או כלואים בשכבה שבה הוא נקבר.

כיום מסתמכים הפלאונתולוגים והגאולוגים לרוב בשיטות מדידה אלה (מדידות רדיומטריות) כדי לקבוע את גילם של המאובנים ושל הסלעים הקדומים.

יסוד רדיואקטיבי הוא יסוד שהאטומים שלו פולטים קרינה או חלקיקי אטום בקצב קבוע, שמניחים שלא משתנה, לא בהשפעת תנאים פיזיקליים כמו: טמפרטורה, לחצים, שדות מגנטיים, קרינות וזרמים חשמליים, ואף לא תגובות כימיות. עם פליטת החלקיקים או הקרינה, דועכת הפעילות הרדיואקטיבית, והאטומים הרדיואקטיבים מתפרקים והופכים ליסודות אחרים, וכמויות החומר הרדיואקטיבי הולכות ופוחתות.

הואיל, והדעיכה נעשית בקצב קבוע לכל יסוד רדיואקטיבי, הרי שניתן למדוד גיל של עצם מסויים, שהכיל כמות ידועה של חומר רדיואקטיבי בזמן נתון בעוד שבזמן המדידה הוא מכיל כמות נמוכה יותר. טווח הזמן בין שני הזמנים מחושב על פי נוסחה שמבוססת על השינויים בכמות החומר הרדיואקטיבי בין שתי נקודות הזמן קבוע ההתפרקות של היסוד שאינו משתנה, כאמור.

זמן מחצית החיים של יסוד רדיואקטיבי הוא הזמן שבו מתפרקת מחצית ממאטומים הרדיואקטיבים ההתחלתיים של היסוד. למשל לאורניום רדיואקטיבי משקל אטומי של האיזוטופ 238) יש מחצית ח״ם של 4,498 מיליוני שנה ואותם אטומים של אורניום הופכים, דרך שורת תהליכים, לאיזוטופ עופרת שמשקלו האטומי 206.

פחמן רדיואקטיבי (איזוטופ-4ו) מתפרק לחנקן בקצב קבוע וזמן מחצית החיים שלו הוא 5570 שנים.

מעתה ניתן לקבוע גיל של מאובן על פ׳ כמות פחמן-4ו שנמצא בו. בעל החי או הצמח בהיותם בחיים הכיל, פחמן-4ו שהיה אז באטמוספירה בצורה של גז פחמן דו חמצני (C02). שיעורו באטמוספירה מתוך כלל הגז הזה ידועה, ואותו יחס היה אז קיים גם בכל צורות החיים. הסיבה לכך היא שפחמן דו חמצני נטמע בצמחים על ידי הפוטוסינטזה ובעלי חיים ניזונים מן הצמחים או מבעלי חיים אחרים שניזונים מהצמחים בשרשרת המזון. יוצא איפא ששיעורו של פחמן-4ו בכל חומר חי שווה בקרוב רב לשעורו באטמוספרה. לאחר שאורגניזם מת אין בו יותר כניסה של פחמן-4ו. ומאותו זמן ואילך קיימת דעיכה של פחמן-4ו ללא כל תחלופה. מדידת כמות פחמן-4ו במאובן תתן לנו את טווח הזמן שחלף מעת מותו של החי.

כמודל מנחה סטנדרטי לבדיקת גיל בפחמן-14 משתמשים כיום בחומר מכיל פחמן, שגילו המדוייק מתועד במכון התקנים והטכנולוגיה הלאומי האמריקאי (NIST). החומר המקובל הוא אצווה של חומצה אוכסלית שיוצרה בשנת 1950.

מראשית המאה ה-20, כאשר גילו את תופעת ההתפרקות של חמרים רדיואקטיבים, יכלו לפתח את שיטות קביעת הגיל המוחלט הן של המאובנים והן של הסלעים. מאז אומצה השיטה כאסמכתה מקובלת בכל העולם לקביעת גיל בממצאים גאולוגים.

ברם, קיימות מגבלות לתקישתן של שיטות המדידה הרדיואקטיבית.

מדידת פחמן-14 אינה מתאימה לתיארוך של תקופות קדומות מ30,000 שנים* כיוון ששרידי הפחמן הרדיואקטיבי לאחר תקופה כזאת הינם מתחת לרגישותם של מכשירי המדידה.

גם המדידות של יסודות רדיואקטיבים, בעלי מחצית חיים ארוכים יותר, אינן מדו״קות, ולרוב נזקקים לעשות הצלבה עם שיטות מדידה אחרות. בהרבה מקרים אין התאמה מתעוררות גם שאלות אחרות ביחס לתקיפותן של השיטות הרדיומטריות לגבי גילים  

האמנם קבוע ההתפרקות של היסודות הרדיואקטיבים לא נתון לשינויים חיצוניים?

המדידות לאימות שרירותם של הקבועים נעש1 בטווחי זמן קצרים של ימינו ואין שום הוכחה שאכן היו הם כך בזמנים קדומים בסדר גודל של מאות אלפים  כמה מן הפיזיקאים מגדולי המחשבה האטומיסטית של זמנם כמו פאול דיראק ואחרים, סבורים שאכן יש סימוכין להשערה, שחוקי הטבע אינם קבועים לאורך הזמנים, אלא משתנים. פרופ׳ אהרן קציר מתלבט בבעיה זו לגבי תקיפות חוקי הטבע של היום בזמנים שמעבר לנו⁵⁷.

יתר על כן, יש עבודות המראות שחשיפה של חומר רדיואקטיבי להפצצה בחלקיקי אטום כמו ניוטרינו, וניוטרונים, משנה את מהירות התפרקותו, ואין נתונים העשויים לסתור את האפשרות, שאמנם היו כאלה אירועים בעבר הקדום המיוחס למדידות⁵⁹׳⁵⁸׳⁴⁵.

בגאולוגיה ידועים אירועים מטמורפיים שניונים ושלישונים, שמשמעותם תזוזות והפיכות טקטוניות, שבהם שכבות וסלעים נעים ממקומם ומתמקמים באזורים חדשים או שהם מתהפכים ומשנים את הסדר הקודם של השכבות. אירועים גאולוגים כאלה משמשים לעתים קרובות כעילה להסברים של אי התאמות בין מדידות שונות. נדידות קרקע כאלה יכולות לשבש את התוצאות המתקבלות ממדידות רדיומטריות⁵⁰. יסודות בת עשויים גם לעבור ממקום למקום בגלל זרימת מים בין השכבות, ושקיעה של יסודות אלה במקומות אחרים שכלל לא נוצרו שם⁵⁰.

זו אחת הסיבות, שנמצאו בכמה מקומות סתירות בין המדידות של סלעים מאותו אתר עצמו, כאשר בדקו את גילם בשיטת אשלגן / ארגון, בו האשלגן הופך לארגון⁵⁵. ומשום כך, גם נמצאו פערים גדולים מאד בין שיטות המדידה השונות כמו בסלעים וולקאנים מהאי ריוניון באוקיאנוס ההודי. סלעים אלה נמדדו בשיטות רדיומטריות מקבילות: עופרת / עופרת ואורניום/ עופרת ונקבע גיל של 2.2 עד 4.5 מיליארדי שנה* בעוד שבשיטת אשלגן / ארגון נמדדו הגילים של אותם הסלעים בין 100.000 עד 2 מיליוני שנים* י⁵.

גם בבדיקות של העפר – שנלקח מקרקע הירח ע״י אפולו 11 ואפולו 16, ונבדק במעבדות של NASA – נמצאו א׳ התאמות בין הבדיקות הרדיומטריות השונות. ההבדלים בין הבדיקות היו במיליארדי שנים⁶². אי התאמות וסתירות בין שיטות רדיומטריות שונות הוצגו בהרבה עבודות בכמה מעכדות מפורסמות בעולם⁵⁴׳⁵³.

גם החישובים המבוססים על בדיקות פחמן-14 יוצאים מתוך הנחה, שרמת הפחמן הרדיואקטיבי באטמוספירה היתה יציבה ובלתי משתנית במשך 50.000 שנים'. על פי רמה זו מחושבים הגילים של המאובנים המכילים פחמן-14 שדעך. והנה מתברר שרמתו השתנתה באופן משמעותי לפי תוצאות שנתקבלו ממדידות של מספרי הטבעות של מאובני עצים ⁵⁵.

ההפתעות האבסורדיות ביותר היו המדידה של פחמן רדיואקטיבי של קונכיות של רכיכות חיות שהראתה גיל של 2300 שנה⁵⁵. והגיל של שכבת טיח מארמון באנגליה שנבנה לפני 785 שנים הראה בשיטת דעיכת פחמן־14 7370 שנים⁵⁷. וכלבי ים, שזה עתה ניצודו, נמצאו בשיטה זאת בני גיל של 1300 שנים⁵⁸. טעויות כאלה ארעו במספר רב של מקרים⁵⁹.

במחקרים רבים נאלצו מדענים להראות, כ׳ חלק מהנחות היסוד שהשיטה מבוססת עליהן, לא היו כה פשוטות, כפי שנראו תחילה. ורמזים על תקלות נתגלו כבר בעשור השני לשימוש בשיטה. במבוכה שהשתררה בעקבות זאת קבע ברו, אחד מהמומחים: ״כאשר התיארוך בפחמן 14 מחזק את התאוריות – אנו כותבים עליו בגוף המאמר ; כאשר הוא סותר אותן – אנו רושמים אותו בהערת שוליים, !אילו כאשר הוא שונה מהן לחלוטין- אנו משמיטים אותו״⁷¹׳⁷⁰. המגרעת העיקרית בשיטה היא, צריכה היתה להתחשב ברמה ההתחלתית של C¹⁴-, כפי שהיתה בגוף הדוגמה בעת היותה חיה, ואילו הבדיקות הראשונות התבססו על רמה כפי שהיא קיימת היום – רמה, שכמובן, אינה מייצגת כלל את רמת ה-¹⁴:)- בתקופת חיותו של הצמח או של בעל החיים⁷². מסתבר, אמנם, כ׳ בשל העובדה שקצב יצירת ה־ C⁴– באטמוספירה כיום גדול מבעבר, כמות הפחמן הרדיואקטיבי אז היתה נמוכה בהרבה מזו של היום, וזה מן הסיבות הבאות:

1. הירידה במומנט המגנטי הארצי של כדור הארץ: שדה מגנטי מסית את הקרניים הטעונות מחדירה ישירה לאטמוספירה הנמוכה, וע״׳ כך מקטין את יצירת הניוטרונים החופשיים. בהיות הניוטרונים חיוניים ליצירת הפחמן הרדיואקטיבי – הרי ירידה בקצב יצירתם, ממילא, תקטין את כמות הפחמן הרדיואקטיבי. ומאחר ומחצית ח״ הדעיכה של המומנט המגנטי היא 1440 שנה, הרי היה השדה המגנטי הארצי שמלפני 1440 שנה כפול מזה של היום, וזה מסביר את ההשפעה המרסנת על קצב יצירת C¹⁴– באטמוספירה.
2. 2. תוספת C⁴– לאטמוספירה כתוצאה משריפת מאגרי פחמן חדשים: שריפת מאגרי הפחם והנפט, שהוצאו ממעמקי האדמה, הוסיפה לעליית תוצרי הבעירה באטמוספירה, ושינו את רמת C¹⁴– מלבד זאת, מציינים גם, שמתעוררות בעיות רבות באשר לזיהומים המשבשים את תוצאות הבדיקות, וכן קשיים בכיול המדדים⁷⁰.

כיום נעשות הבדיקות של שאריות פחמן 14 בעזרת מיכשור רגיש מאד הנקרא (Accelerator mass spectrometry (AMS, בעזרתו בדקו לא מכבר את גילם של דוגמאות פחם, וגילו שגילם של הדוגמאות היו בסדר גודל של 40.000 שנים/ תוצאות אלה מהוות בעיה, כ׳ הגיל הזה אינו עולה בקנה אחד עם לוח הזמנים הגאולוג׳ של הפחם. תור הפחם המקובל לפי הגאולוגיה שרר לפני 300 מיליון שנה.

בשנת 2001 פירסם Paul Giem רשימה חלקית של למעלה מ-70 ממצאים – שפורסמו בעיתונות המדעית בין השנים 1984 עד 1998 – המראים גילים צעירים למדי ־ בסדר גודל של 40.000 עד 60.000 שנים* – של חמרים המכילים פחמן מתקופות הקאמבריאן עד הפליאוקן (13 עד 500 מיליוני שנים)⁷⁴.

בסיכום, אי אפשר להתעלם מאי ההתאמות הרבות שמופיעות בשיטות התיארוך הרדיואקטיביות. מדידה מדעית חייבת להעשות בשיטה מדוייקת, אמינה, הדירה ונטולת ספקות. קשה להחליט ששיטות אלה עומדות בקריטריון הזה.

גישות אחרות לנתונים, שמספקות לנו המדידות הרדיואקטיביות בהתייחסות לבריאה, – המקבלות את מהימנות הבדיקות תוך הכנסת הסטיות בסדרי גודל של אחוזים בודדים עד עשרות אחוזים – ניתן למצוא בכמה ספרים ראויים לקריאה ולעיון ⁷⁷׳⁷⁶׳⁷⁵. תיאורים של כמה מהם אביא בנספחים לספר.