Δενδροχρονολόγηση - Χρονοσειρές δακτυλίων

Προς απάντηση στο ερώτημα του παπιού.

Τη ραχοκοκκαλιά της δενδροχρονολόγησης αποτελούν οι μακριές χρονοσειρές δακτυλίων με τις οποίες συγκρίνονται όλα τα άγνωστα δείγματα. Παράδειγμα τέτοιας χρονοσειράς δίνεται στο Σχήμα 1 για τη Μογγολία. Ο οριζόντιος άξονας εκφράζει ημερολογιακό έτος και ο κατακόρυφος, εύρος δακτυλίου. Επειδή κάθε δέντρο έχει δικό του ρυθμό ανάπτυξης, παρ΄ όλο που επηρεάζεται από τα κλιματικά φαινόμενα, θα έχει και εντελώς διαφορετικές τις απόλυτες τιμές των ευρών των δακτυλίων του. Για να μπορεί λοιπόν να γίνει σύγκριση ανάμεσα σε δύο δείγματα κανονικοποιούμε τις τιμές με συγκεκριμένο τρόπο που δεν μας ενδιαφέρει εδώ, ώστε να έχουν μέγιστο το 2 και ελάχιστο το 0. Τιμές του δείκτη αυτού γύρω στο 1, σημαίνουν μεγάλο εύρος δακτυλίου και συνεπώς περιόδους ήπιου κλίματος. Η δραματική μείωση που παρατηρείται στο Σχήμα 1 μεταξύ 1800 και 1900 αντανακλά τη λεγόμενη «μικρή εποχή των παγετώνων», μια πολύ ψυχρή περίοδο για την περιοχή της Μογγολίας.

Σχήμα 1. Κανονικοποιημένη καμπύλη μεταβολής του εύρους δενδροδακτυλίων με το χρόνο. Τα δεδομένα προέκυψαν από πεύκα Σιβηρίας από το Sol Dav της Μογγολίας για το διάστημα από 200 ως το 2000 μ.Χ. Παρατηρείστε την ασυνήθιστη πτώση της καμπύλης κατά το 19ο αιώνα που υποδηλώνει δριμύ ψύχος. Το φαινόμενο έχει ονομαστεί «μικρή εποχή των παγετώνων».

Καμπύλες όπως η παραπάνω κατασκευάζονται με πολύ κόπο και είναι πολύ χρονοβόρες γιατί ανάγονται σε πολύ μεγάλο αριθμό δειγμάτων. Πολλαπλά δείγματα από μία θέση μπορούν να δημιουργήσουν μια χρονοσειρά για τη θέση αυτή και πολλές τέτοιες χρονοσειρές από διαφορετικές θέσεις οδηγούν στην κατασκευή χρονοσειρών για ολόκληρες κλιματικές περιοχές όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Μια χρονοσειρά αναφοράς (master chronology) επεκτείνεται προς τα πίσω στο χρόνο με την προσθήκη σε αυτήν παλαιότερων δειγμάτων που επικαλύπτονται όμως χρονικά με τη χρονοσειρά. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται γεφύρωση (bridging) και περιγράφει την περίπτωση όπου ένα πρόσφατα χρονολογημένο δείγμα εμφανίζει δακτυλίους παλαιότερους από τον πρώτο δακτύλιο της χρονοσειράς αναφοράς. Το δείγμα αυτό γεφυρώνει νοητά τη χρονοσειρά με παλαιότερη χρονική περίοδο.
Για τη Β. Αμερική η χρονοσειρά από έλατο και πεύκο φθάνει ως το 300 π.Χ. ενώ αυτή του πεύκου bristlecone φθάνει ως το 8,400 και επεκτείνεται σιγά – σιγά ως το 10,000 π.Χ. Η ευρωπαϊκή χρονοσειρά από βελανιδιές φθάνει ως το 10,479 π.Χ. Για το Αιγαίο υπάρχει ξεχωριστή χρονοσειρά από βελανιδιές, άγρια κυπαρίσσια και πεύκα ως το 6,500 π.Χ. Στο Ν. Ημισφαίριο, στις Νότιες Άνδεις, μια σειρά κυπαρισσοειδή Fitzroya φθάνει ως το 1634 π.Χ. ενώ στη Ν. Ζηλανδία σειρά από ασημόπευκα φθάνει ως το 1200 π.Χ. Η αρχαιότερη δενδρχρονολόγηση στη Ν. Αφρική εντοπίζεται στο 413 π.Χ. (κέδρος). Τα δεδομένα που αναφέρονται εδώ αφορούν χρονολογήσεις δημοσιευμένες μέχρι το 2000.

Σχήμα 2. Πολλαπλά δείγματα από μια θέση μας δίνουν μια μέση χρονοσειρά για τη θέση αυτή

Δενδροχρονολόγηση - Η βασική αρχή

Με απλά λόγια, η δενδροχρονολόγηση είναι η χρονολόγηση γεγονότων στο παρελθόν μέσω της μελέτης της ανάπτυξης των δακτυλίων των δέντρων. Κάθε χρόνο ένα δέντρο προσθέτει ένα στρώμα ξύλου στον κορμό του σχηματίζοντας έναν επιπλέον δακτύλιο (κάτω από τη φλούδα). H πρώτη παρατήρηση που οδήγησε στη δενδροχρονολόγηση ήταν το ότι, σε συγκεκριμένα είδη δέντρων, κατά τη διάρκεια χρόνων με μεγάλη υγρασία δημιουργούνται δακτύλιοι με μεγάλο πάχος ενώ κατά τη διάρκεια ξηρών περιόδων οι δακτύλιοι είναι πολύ στενοί. Στο Σχήμα 1 δίνεται η εγκάρσια τομή ενός κορμού λευκού έλατου (Abies concolor) από την Καλιφόρνια που κόπηκε το 1981. Παρατηρείστε τον πολύ στενό δακτύλιο (5ος από το εξωτερικό) ο οποίος αντιστοιχεί στη χρονιά 1977 και υποδεικνύει την ξηρασία που επικράτησε τη χρονιά αυτή. Για να μην υπεραπλουστεύσουμε την ερμηνεία διαμόρφωσης των δενδροδακτυλίων αναφέρουμε ότι υπάρχουν άλλοι 17 λόγοι για τους οποίους ένας δακτύλιος μπορεί να έχει μικρό εύρος.

Σχήμα 1. Λευκό έλατο (Abies Conoclor) από την Καλιφόρνια που κόπηκε το 1981. Με αστεράκι σημειώνεται η χρονιά 1977 κατά την οποία επικράτησε ξηρασία και έτσι ο δακτύλιος που σχηματίστηκε είναι στενός

Τα δέντρα σε μια συγκεκριμένη κλιματική περιοχή επηρεάζονται όμοια από τις ετήσιες κλιματικές αλλαγές, οπότε τα πάχη των δακτυλίων τους αναμένεται να κυμαίνονται αντίστοιχα. Μπορούμε δηλαδή να ταιριάξουμε αυτές τις διαδοχές δακτυλίων ανάμεσα σε δύο δέντρα και να αντιστοιχίσουμε σε αυτές συγκεκριμένη ακολουθία ημερολογιακών ετών (Σχήμα 2). Με τον τρόπο αυτό, αν συγκρίνουμε ένα άγνωστης ηλικίας ξύλο με κάποιο γνωστής ηλικίας και ταιριάξουμε τους δακτυλίους τους, μπορούμε να υπολογίσουμε την χρονολογία κοπής, του άγνωστης ηλικίας δέντρου (Σχήμα 3). Η δενδροχρονολόγηση είναι η μόνη αρχαιομετρική τεχνική που μπορεί να δώσει αποτέλεσμα με ακρίβεια έτους ή καμιά φορά και μηνών.

Σχήμα 2. Συνταίριασμα (διασταύρωση) σειρών δακτυλίων σε δύο δείγματα βελανιδιάς.
Σχήμα 3. Διαγραμματική απεικόνιση της βασικής αρχής της δενδροχρονολόγησης

Η διασταυρωμένη χρονολόγηση είναι η θεμελιώδης αρχή της δενδροχρονολόγησης. Ο ερευνητής πρέπει να επιβεβαιώσει ότι οι δακτύλιοι από δύο ή περισσότερα δείγματα σχηματίστηκαν τον ίδιο χρόνο. Η απλή απαρίθμηση δακτυλίων δεν επαρκεί, ούτε και μια απλή καταγραφή της αλλαγής του εύρους των δακτυλίων. Για να αποφευχθεί η πιθανότητα τυχαίου ταιριάσματος, ο δενδροχρονολόγος προσπαθεί να συγκρίνει δείγματα με 100 τουλάχιστον δακτυλίους.

Νετρονική απεικόνιση

Στη νετρονική απεικόνιση το αντικείμενο τοποθετείται μπροστά σε μια δέσμη θερμικών (αργών) νετρονίων και λαμβάνεται το είδωλό του πάνω σε φωτογραφική πλάκα. Η διαφορά μεταξύ σκοτεινών και φωτεινών περιοχών αντιστοιχεί σε διαφορά διαπερατότητας των νετρονίων στις συγκεκριμένες περιοχές.
Η τεχνική αυτή έχει δύο σημαντικά πλεονεκτήματα: α) Είναι μη καταστρεπτική και β) δίνει συμπληρωματικές πληροφορίες με την ακτινογραφία-Χ.

Οι ακτίνες X αλληλεπιδρούν κυρίως με τους ηλεκτρονικούς φλοιούς των ατόμων. Έτσι, η αλληλεπίδραση εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων του στοιχείου δηλαδή τον ατομικό αριθμό Z. Τα βαριά στοιχεία όπως ο σίδηρος ή ο μόλυβδος προκαλούν μεγάλη εξασθένιση των ακτίνων Χ ενώ τα ελαφρά όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο και το υδρογόνο είναι σχεδόν διάφανα στις ακτίνες Χ.
Τα νετρόνια όμως είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και δεν αλληλεπιδρούν με τους φλοιούς των ατόμων. Έτσι, δεν υπάρχει εξάρτηση της αλληλεπίδρασής τους από τον ατομικό αριθμό των στοιχείων που συναντούν κατά τη διαδρομή τους μέσα στην ύλη. Αλληλεπιδρούν μόνο με τους πυρήνες των ατόμων. Κάποιοι πυρήνες όπως αυτοί του βορίου, λιθίου, καδμίου και γαδολινίου απορροφούν τα νετρόνια ενώ αυτοί του αλουμινίου ή του μολύβδου είναι σχεδόν διάφανοι στα νετρόνια. Άλλοι πυρήνες όπως αυτοί του υδρογόνου προκαλούν απόκλιση του νετρονίου από την ευθύγραμμη τροχιά του.

Σύγκριση πιθανότητας αλληλεπίδρασης ακτίνων Χ και νετρονίων με επιλεγμένα στοιχεία

Σύμφωνα με τα παραπάνω, η ραδιογραφία νετρονίων «βλέπει» υλικά που περιέχουν υδρογόνο όπως το νερό, κεραμικά από ενάλια ανασκαφή, οργανικά υλικά όπως το ξύλο, τα φυτά, οι σπόροι, υπολείμματα φυτών, δέρμα, ύφασμα, χαρτί, ρητίνες συγκόλλησης, πίσσα κλπ. «Βλέπει» επίσης μέταλλα όπως ο χαλκός, ο ψευδάργυρος, ο σίδηρος και ο μόλυβδος, γεγονός που διευκολύνει τη διερεύνηση του εσωτερικού χοντρών μεταλλικών τοιχωμάτων, που δεν είναι προσπελάσιμα από τις ακτίνες Χ.

Νετρονική απεικόνιση (αριστερά) και ακτινογραφία Χ (δεξιά) ενός Ρωμαϊκού κράνους με πολλές μεταγενέστερες συμπληρώσεις. Είναι φανερό oτι ενώ η ακτινογραφία Χ διακρίνει τα μεταλλικά μέρη του αντικειμένου, η νετρονική απεικόνιση διακρίνει τα ξύλινα τμήματα και το δέρμα στο γείσο (Lehman et al. 2005, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 542: 68-75).

Φωτογραφία μπρούτζινου αγαλματιδίου του Όσιρι (αριστερά), ακτινογραφία Χ (στη μέση) και νετρονική απεικόνιση (δεξιά). Το μπρούτζινο περίβλημα του αγαλματίδιου είναι σχεδόν πλήρως γεμισμένο με μόλυβδο. Η ακτιογραφία Χ δεν ανιχνεύει τίποτε άλλο παρά μόνο ένα κενό στο κεφάλι όπου δεν υπάρχει μόλυβδος αλλά πηλός. Στη νετρονική απεικόνιση, αφενός μπορεί να μετρηθεί το πάχος του μπρούτζινου περιβλήματος αφετέρου ανιχνεύονται τόσο οι κοιλότητες χωρίς μόλυβδο όσο και η συγκόλληση του κεφαλιού με το σώμα με οργανική κόλλα μετά τη συντήρηση (Rant et al., 2005. Proceedings of the 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing, 181-188).