Суть метода заключается в следующем. Углерод на Земле представлен тремя изотопами — ¹²С, ¹³С и ¹⁴С. Их природные концентрации весьма различны: ¹²С составляет 98,9% всего углерода, ¹³С — 1,1% и, наконец, радиоактивный изотоп ¹⁴С, наиболее важный для нас в данной проблеме, занимает совершенно ничтожную, 10−12 часть от современного углерода земной атмосферы и почвы. Радиоактивный изотоп С постоянно образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер атомов азота протонами космических лучей, а затем с периодом полураспада 5730 лет (бета-распад) переходит в стабильный азот. Время перемешивания атмосферы невелико: всего за несколько лет свежий радиоуглерод через фотосинтез вовлекается в кругооборот углерода всей биосферы планеты.[242]

В любом живом организме поддерживается тот уровень радиоуглерода, который присутствует в земной атмосфере, это равенство обеспечивается фотосинтезом или питанием вплоть до прекращения жизнедеятельности. Поэтому, измерив радиоактивность биологических останков, можно вычислить момент смерти организма или конец формирования годичного кольца дерева. В этом и состоит разработанный Либби метод радиоуглеродной датировки.

Теория остается теорией, покуда она не проверена практикой. Первые сопоставления с традиционными хронологическими шкалами, построенными на базе письменных источников, были проведены в предположении о неизменности атмосферного содержания ¹⁴С. Еще около 40 лет назад были сделаны радиоуглеродные определения возраста органики из могил Древнего царства в Египте. Первые датировки по ¹⁴С оказались моложе традиционных на несколько сот лет. Это вызвало недоверие к новому методу, поскольку никто тогда и помыслить еще не смел о ревизии построенной на письменных источниках древнеегипетской хронологии.

Гораздо более сенсационными и на первый взгляд абсолютно неправдоподобными показались радиоуглеродные даты для культур Европейского континента. Их передатировка выглядела порой прямо-таки чудовищной: по сравнению с традиционными представлениями историков и археологов они удревняли события более чем на тысячу лет (напомним, что это были бесписьменные культуры). В соответствии с устоявшимися тогда взглядами такого просто не могло быть, ибо безусловно господствовала теория «Ex Oriente Lux» («Свет с Востока»), согласно которой все важнейшие открытия могли свершаться только в долине Нила или в Передней Азии, а более северные культуры Евразии светили лишь отраженным светом; доказывать свою жизнеспособность они были в состоянии исключительно умением усваивать идеи, приспосабливая к условиям своего бытия те достижения, что доходили к ним через сотни и тысячи километров, из первичных высокоразвитых центров. Стало быть, исходя из этой неколебимой теории, все кардинальные технологические инновации древности (и горно-металлургический промысел, и колесо, и прочие), первоначально способные появиться только на Востоке, конечно же, в северных регионах следовало датировать более поздним временем.

Дискуссия вспыхнула очень горячая. Кажется даже, что поначалу противников метода среди археологов и историков было заметно больше, чем его сторонников.[243] Такие расхождения между историческими и радиоуглеродными датировками возникали потому, что на ранних стадиях использования метода не было известно об изменчивости атмосферной концентрации радиоуглерода со временем. И поскольку было неясно, как именно она изменялась, расчеты возрастов делались в простейшем предположении о ее постоянстве. Датировки, вычисленные таким образом, используются по инерции и сегодня, они дают так называемый радиоуглеродный возраст материала.

Для времен, простирающихся до 8–10 тыс. лет назад, построены таблицы приведения к истинным возрастам. Как они были получены, мы расскажем далее, а пока остановимся подробнее на объяснении изменчивости концентрации атмосферного радиоуглерода.[244]

Содержание ¹⁴С в атмосфере и верхнем слое Мирового океана определяется балансом между его поступлением и распадом. Убывание количества радиоактивных атомов происходит по экспоненциальному закону, и на этот процесс не влияют никакие внешние силы. Однако поступление радиоуглерода в атмосферу и поверхностный слой океана подвержено заметным изменениям. В прошлом они происходили вследствие трех причин, позднее появились еще две — антропогенные.

Во-первых, надежно установлено, что интенсивность космических лучей зависит от уровня солнечной активности, а следовательно, непостоянна и скорость образования ¹⁴С в атмосфере. Во-вторых, изменения генерации ¹⁴С в атмосфере происходят вследствие вариаций геомагнитного поля: оно отклоняет заряженные частицы космических лучей на их пути к Земле, тем самым меняя и скорость образования ¹⁴С. Наконец, третья причина связана с перераспределением радиоуглерода между океаном и атмосферой. Океанские воды служат огромным резервуаром СО₂, а характерное время газообмена между глубинными слоями океана и атмосферой имеет масштаб тысячелетий. Поскольку в «старой» углекислоте глубинных вод распалось больше ¹⁴С, следовательно, с каждым перемешиванием океана содержание атмосферного радиоуглерода падает.

Кроме того, в современный период его концентрация в воздухе стала снижаться в результате интенсивного сжигания ископаемых топлив, не содержащих ¹⁴С, и напротив, атмосферные испытания ядерного оружия вбросили в биосферу заметное количество «противоестественного» радиоуглерода. Все эти современные изменения поддаются точному учету, но различить действие трех естественных причин на атмосферное содержание ¹⁴С в прошлом Земли пока не удается. Тем не менее в совокупности оно теперь известно. Как же удалось его установить? 

Источником этой информации стала дендрохронология, или определение возраста деревьев по кольцам годичного (или ежегодного) прироста. Метод этот не новый: в практику естественных наук он вошел уже более ста лет назад. Исследования 80–60-летней давности, проведенные американским астрономом А. Дугласом, положили начало приложению дендроанализа к археологическим древностям (первоначально для юго-запада США). Ныне это общепризнанный в мире метод датировки. Его применяют в самых различных странах: не только на Североамериканском континенте, но и буквально по всем гигантским пространствам Евразии — от Ирландии до Японии. Чрезвычайно широк и хронологический охват метода: суммарно до шести-семи тысячелетий вглубь от наших дней для археологических материалов, а для климатологии — и того больше — до 10–11!

Метод исходит из наблюдений за стойкими и ритмичными колебаниями в ширине погодичного прироста древесины. Толщина каждого кольца на самых различных деревьях четко отражает ту климатическую ситуацию, которая имело место либо в год формирования конкретного кольца, либо в год ему предшествующий. Климатические условия проявляются достаточно однородно на огромных территориях, что и явилось основным определяющим фактором в характере колец у бесчисленных древесных стволов той или иной географической области. Благоприятен климат для роста дерева (влажно и жарко), и дерево отреагирует толстым кольцом. Надвигаются критические условия для жизни дерева (сухо и холодно), и годичное кольцо будет тонким, еле заметным на срезе ствола. Две основные трудности поджидают исследователя при проведении дендроанализа. Во-первых, деревья различного вида реагируют на климатические колебания несколько по разному. Хвойные деревья будут в этом отношении заметно отличаться от лиственных пород. Во-вторых, глобальные колебания климата не отменяют его заметных вариаций в конкретных регионах. Первую сложность обходят за счет сопоставления в едином ряду деревьев лишь одной породы или вида (к примеру, хвойные к хвойным, а лиственные к лиственным). Трудности второго рода гасятся за счет сравнения между собой деревьев не только одного вида, но и происходящих из одного региона.