Laboratorium TL w Zakładzie Geografii Fizycznej i Paleogeografii Instytutu Nauk o Ziemi UMCS to takie uniwersyteckie solarium. W swej istocie różni się jednak od tych tradycyjnych. Są wprawdzie lampy ultrafioletowe, ale opalić się tam nie sposób. Temperatury bowiem dochodzą w nim nawet do 400 stopni i powodują, że pod ich wpływem obiekt zaczyna… świecić. Tak, to z pewnością niezwykłe solarium. W dodatku służy głównie geologom i archeologom, dla których określanie wieku wykopaliska jest kwintesencją ich pracy. Bez tego, można rzec, ani rusz. A samo datowanie to żmudny, niekiedy wręcz monotonny proces. Łatwo popaść w rutynę. Chyba że opracowaną przeszło pół wieku temu w Stanach Zjednoczonych metodę termoluminescencyjną wykorzystuje się w inny niż zwykle sposób.

– Standardowo w takich laboratoriach, jak to nasze, ale też w Gdańsku, Gliwicach czy Toruniu, termoluminescencja służy do datowania osadów geologicznych. Sam się tym przez dłuższy czas zajmowałem. Całkiem niedawno do tej podstawowej działalności postanowiłem dodać również ceramikę i polepę – tłumaczy dr Jarosław Kusiak.

Pierwsi na świecie

W dawnych budynkach podłoga była tworzona z gliny. Podobnie ściany – też były wypełniane tym materiałem. Zdarzało się, że na podłodze robiono paleniska, w których panowała wysoka temperatura. Nierzadko budynki te ulegały spaleniu i wówczas również glina była wypalona do bardzo wysokiej temperatury.

– Tego materiału jest bardzo dużo w stanowiskach archeologicznych i jest on bardzo dobrze wypalony. Dlatego wspólnie z magistrem Mariuszem Rychterem z Instytutu Archeologii Uniwersytetu Łódzkiego pomyśleliśmy, żeby to datować. Przecieramy ślady, tak w Polsce, jak i na świecie, bo nie znalazłem dotąd w literaturze żadnej wzmianki o tym.

Pierwsze próbki – pozostałości chałupy z okresu kultury przeworskiej – pobrali ze stanowiska w Kręcieszkach. Wyszło, że chałupa była zbudowana około 1700 lat temu. Z Kutna z kolei do laboratorium trafiła cegła i polepa z fundamentów budynku. Okazało się, że mają ledwie 300 lat. Ale termoluminescencją można badać znaleziska, których historia sięga nawet 700 tysięcy lat wstecz.

Wiek uzyskany tą techniką to, w przypadku ceramiki, czas, jaki upłynął od jej wypalenia, a jeśli chodzi o osady – czas, jaki upłynął od przykrycia ziaren mineralnych kolejną warstwą osadów i tym samym odcięcia od działania światła słonecznego. Mój rozmówca ma na swoim koncie już blisko 2 tysiące takich datowań. Były wśród nich osady mineralne ze stanowiska mezolitycznego Mucharz w powiecie wadowickim i stanowiska kultury magdaleńskiej w Wilczycach, w powiecie sandomierskim. Były osady ze stanowisk paleolitycznych w Jezupolu, Haliczu i Nowym Hlyboczku na Ukrainie. I, oczywiście, można je traktować jako zwykłe próbki z tego czy innego miejsca. Ale przecież dla archeologa to jawne bluźnierstwo. Każda próbka ma bowiem swoją historię. Jak choćby osady z podkrakowskiej jaskini Biśnik, w której znaleziono ślady człowieka sprzed 300 tysięcy lat. Albo przywiezione spod Sandomierza próbki osadów – choć pochodzące tylko z jednej ściany, to każda w innym kolorze. Umieszczone w foliowych woreczkach wiszą w gabinecie dr. Kusiaka. Tworzą kolumnę od podłogi aż po sufit. Ciemniejszy osad musiał powstać w okresie ciepłym, jaśniejszy – jest z kolei efektem zlodowacenia. Przy użyciu metody TL można zrekonstruować następstwo tych okresów w czasie. Do tego celu wykorzystuje się przemiany promieniotwórcze. Każdy obiekt pochłania pewną ilość energii promieniowania jonizującego i skutki tego są właśnie wykorzystywane w tej metodzie. W otaczającym nas świecie, a zwłaszcza w pokrywie skorupy ziemskiej, występuje blisko 2 tysięcy izotopów promieniotwórczych, głównie uranu, toru i potasu. Różnią się między sobą m.in. czasem połowicznego rozpadu.

– Jest to czas, po jakim liczba atomów izotopu promieniotwórczego maleje o połowę. Rozpadowi izotopów towarzyszy emisja promieniowania alfa, beta bądź gamma. Mierzymy więc, ile tego izotopu jest obecnie i cofając się, odtwarzamy, ile było go na samym początku. W ten sposób możemy określić wiek – wyjaśnia dr Jarosław Kusiak, podkreślając zarazem warunek niezbędny do przeprowadzenia takiej rekonstrukcji: badany obiekt musi mieć strukturę krystaliczną. Tylko bowiem takie materiały mają właściwości termoluminescencyjne. Najlepszymi spośród minerałów wchodzących w skład osadów charakteryzują się kwarc i skalenie. Przepalony krzemień też jest niczego sobie. Za to kości w ten sposób już by się zbadać nie dało, bo choćby nie wiem jak długo podgrzewać, nie zaczną one świecić. A ceramika, w której znajdują się ziarna minerałów – i owszem. Żeby wyłapać te impulsy świetlne, wysyłane przez podgrzewany kryształ, należy wpierw znalezione garnek, dzbanek czy popielnicę rozbić na drobne kawałki. To największa wada tej metody – podkreślają sceptycy.

– Wszystko zależy od tego, jak dużo mamy materiału. Jeżeli jest to jeden kawałek, trzeba działać niezwykle oszczędnie i ostrożnie, ale gdy mamy cały garnek, to zniszczenie fragmentu wielkości małego wafelka nie stanowi problemu. Całość próbki pozostaje niezniszczona, odłupujemy tylko niewielką część. Poza tym, to nie jest tak, że tylko metoda TL jest destrukcyjna. W metodzie węgla radioaktywnego też przecież fragment obiektu musi być wycięty, zniszczony, ale reszta zostaje nienaruszona – odpiera zarzuty dr Kusiak.

W gorącej pułapce

Przesiany, oczyszczony i przygotowany do pomiaru materiał dzielony jest na miligramowe porcje. Umieszcza się go w specjalnym czytniku termoluminescencyjnym. W zależności od tego, jaką ilość promieniowania taki kryształ zmagazynował w sobie w naturalnym środowisku, pod wpływem podgrzewania od 0 do 400 stopni wyśle on określoną liczbę sygnałów świetlnych. Wszystkie zostaną zarejestrowane przez fotopowielacz, a następnie transferowane na ekran komputera.

– Archeolog wykopuje dany obiekt, a my niejako wyłapujemy promieniowanie w nim zmagazynowane – objaśnia lubelski uczony.

Przy niskich temperaturach nic nie świeci. Przy 150 stopniach pojawiają się coraz częstsze impulsy. Gdy temperatura wzrasta do 300−400 stopni, mamy już do czynienia z prawdziwym świetlnym spektaklem. Ten zagadkowy na pozór proces związany jest bezpośrednio właśnie ze strukturą krystaliczną. Występują w niej defekty, jak choćby luki, czyli brak atomu lub też obce atomy wbudowane w sieć krystaliczną. Kiedy cząstka alfa, beta bądź kwant promieniowania gamma „trafi” w elektron, zostanie on wzbudzony i przejdzie z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Z reguły jest tak, że na skutek emisji ciepła – to jest najpowszechniejszy sposób przekazywania energii do środowiska – wraca on na swoje miejsce. Jednak część elektronów przechodzi do stanów wzbronionych, związanych z istnieniem wspomnianych defektów sieci. W tych stanach pułapkowych mogą one przebywać do miliona lat. To w praktyce określa zasięg czasowy metody termoluminescencyjnej.

– Wykorzystując to zjawisko podgrzewamy próbkę i w wyniku tego elektron wyskakuje do pasma przewodnictwa, a następnie rekombinuje, czyli wraca do swojego stanu podstawowego. I właśnie w czasie rekombinacji, a więc przejścia od stanu pułapkowego do pasma walencyjnego, jest emitowane światło. My to światło mierzymy – obrazowo tłumaczy dr Kusiak.

Do podgrzewania próbki służy platynowa blaszka, przez którą przepływa prąd elektryczny. Takie podgrzewanie trwa kilkadziesiąt sekund. Po tym materiał się wyświeca i przestaje emitować światło.

– Odtwarzamy więc niejako proces, który nastąpił wcześniej w środowisku, gdzie ta próbka osadu dostawała już dawki promieniowania. Odtwarzamy na nowo promieniowanie, które zostało dostarczone. Otrzymujemy krzywą wzrostu termoluminescencji i odczytujemy dawkę równoważną. Jest to pochłonięta dawka laboratoryjna promieniowania, która wywołuje taką samą luminescencję, co dawka otrzymana przez obiekt w warunkach naturalnych od czasu jego powstania aż do odnalezienia. Nie mogąc zmierzyć tej dawki, musimy ją jakoś sztucznie wytworzyć.

Oczywiście, kalibrując różne parametry, trudno dziś określić, jaka była wilgotność przed 2 tysiącami lat. Niemniej nawet i takie czynniki są uwzględniane. Wszystko po to, aby jak najwierniej odwzorować warunki naturalne, choćby sprzed kilku tysięcy lat. Im więcej informacji na temat stanowiska, tym bliższy prawdy będzie wynik badania.

– Wiadomo, że na przykład im bardziej wilgotny osad, tym mniej promieniowania dotrze, bo woda je pochłonie. Wilgotność takiego osadu to średnio 15−20 proc., a w przypadku piasku – najwyżej 5 proc.

A zegar tyka…

Do określenia wieku, zarówno w przypadku osadów, jak i naczyń ceramicznych, potrzebna jest jeszcze dawka roczna. Pełni ona rolę zegara. O ile dawka równoważna określa całość promieniowania, które dochodzi do datowanego obiektu przez czas jego pobytu w ziemi, o tyle dawka roczna to swoisty zegar, który tyka i określa, ile energii promieniowania otrzymał dany obiekt w ciągu roku. Taki pomiar to nic innego jak zliczanie impulsów, wyciąganie średniej, dzielenie. Dopiero iloraz tych dwóch wartości – dawki równoważnej i rocznej – określa wiek badanego obiektu.

W ten sposób udało się ustalić, że naczynia wykopane w Jezupolu w zachodniej Ukrainie pochodzą sprzed 5986 tys. lat i przynależą do kultury trypolskiej. To najstarszy, jak dotąd, obiekt ceramiczny datowany przez mojego rozmówcę. Były też i inne: z Olsztyna, Krasnegostawu, Tarnowa koło Chełma, Horodyska i Nowego Folwarku nieopodal Hrubieszowa. Równie ciekawe okazało się wczesnośredniowieczne stanowisko w Busównie. Odnaleziono tam ceramiczny garnek, w którym zachowały się spalone resztki jedzenia. Można więc było porównać wynik osiągnięty metodą TL z tradycyjną metodą radioaktywnego węgla C−14. Okazały się równie wartościowe. Niemniej ta stosowana przez dr. Jarosława Kusiaka jest wciąż mało popularna.

– Metoda C−14 jest wprawdzie dużo droższa, ale trzeba uczciwie przyznać, że jest dokładniejsza, a przez to bardziej pożądana przez archeologów. W termoluminescencji tolerancja zależy od wieku i wynosi 6−8 proc. ostatecznego wyniku. Trzeba jednak pamiętać, że nie na wszystkich stanowiskach znajdziemy materiał organiczny. Jeśli go nie ma, to metoda TL jest w zasadzie jedynym rozwiązaniem.

Tu i ówdzie słychać już o nowych pomysłach na datowanie ceramiki. Jednym z nich ma być rehydroksylacja. Tutaj „wewnętrzny zegar” uruchomiony byłby w trakcie wypalania gliny w piecu w temperaturze wyższej niż 500 stopni C. Podczas tego procesu oraz po wyjęciu z pieca związki chemiczne z ceramiki wchodziłyby w reakcję z cząsteczkami pary wodnej, uwalniając przy tym tzw. grupy hydroksylowe. W tym momencie miałaby się rozpocząć postępująca rekombinacja chemiczna cząsteczek ceramiki z występującymi w środowisku cząsteczkami pary wodnej. Naukowcy opracowujący tę metodę są przekonani, że dzięki zmierzeniu ilości wody, która uległa „rekombinacji” z cząsteczkami z ceramiki, byliby w stanie stosunkowo precyzyjnie ustalić datę wyjęcia cegły czy dzbanka z pieca.

– Rehydroksylacja daje nowe perspektywy datowania materiałów wypalonych. Jednak muszę przyznać, że pomiar wilgotności próbki nie jest sprawą prostą. A zatem metoda jest zapewne bardziej skomplikowana. Samo zważenie próbki nie może dać wiarygodnego obrazu jej wilgotności. Gdy tę samą próbkę pozostawimy na kaloryferze przez kilka dni i zważymy, a następnie pozostawimy w innym miejscu pokoju na kilka dni i zważymy ponownie, to otrzymamy zupełnie inną wagę – studzi nadmierny optymizm brytyjskich uczonych dr Kusiak. Jego zdaniem wiarygodne wyniki odnoszące się do wieku obiektu można otrzymać jedynie wtedy, gdy uzyska się podobne wyniki kilkoma metodami. Dlatego, mimo wszystko, trzyma kciuki za powodzenie nowej techniki, a kto wie, czy niedługo wyników uzyskanych w znanej już od pół wieku termoluminescencji nie będzie weryfikował rehydroksylacją. Ciekawe, na co wówczas zamieni swoje „solarium”?