탄소 14는 대기권에서 일정한 양이 있으며, 살아있는 생명체들도 평형 원리에 따라 일정하게 가지고 있다는 가정이 방사성 탄소 연대 측정의 가장 기본입니다. 탄소 14는 탄소에서 자연적으로 생긴 동위 원소이며, 불안정하고 아주 약한 방사성을 띄고 있어서 방사성 탄소라 부릅니다.
탄소 14의 또 다른 특징은 초고층 대기에서 우주선과 질소 원자가 만드는 중성자들 간의 반응으로 지속적으로 생성된다는 것입니다. 이 탄소 14 원자들은 대기권에 있는 산소와 반응하여 이산화 탄소를 만듭니다. 이 탄소 14로 생성된 이산화 탄소는 다른 탄소 동위 원소로 만들어진 이산화 탄소와 동일해서 식별이 불가능합니다. 따라서 바닷물 또는 식물이든 아니면 다른 생명체로 들어가는 탄소 14의 진로는 탄소 12와 탄소 13의 진로와 같습니다.
또한 탄소 14는 생성과 소멸 사이에 항상 평형을 유지해서 과거부터 현재까지 어느 시간이든 대기 중 탄소14의 수치는 일정하다고 가정합니다.
하지만 가정이 실제로 일어나지는 않습니다. 전 지구의 탄소 14 농도와 방사성 탄소 연대 측정할 샘플의 농도에 영향을 미치는 여러 요소들이 있어서 반드시 이를 고려해야 합니다.
대기, 해양, 생명체는 방사성 탄소의 농도가 수시로 변하는 저장소입니다. 대기에서 생성된 방사성 탄소는 이산화 탄소의 형태로 해양에 녹아 들며, 동시에 광합성을 통해 식물로 흡수되어 먹이 사슬로 들어가 육상 생물체가 이 식물을 먹음으로써 탄소 14를 받아들입니다.
해양에 살고 있는 생명체와 이들을 먹는 생물들은 대기권, 해양, 아니면 수분 형태로 탄소 14의 교환 과정을 통해 (이산화 탄소의 형태로) 탄소 14를 가집니다. 하지만 탄소 14 농도는 여러 바닷물이 섞이는 표면이나 깊은 바다에서는 서로 다릅니다. 따라서 모든 해양 생물들의 방사성 탄소 량 또한 모두 다릅니다.
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연대 측정할 샘플의 방사성 탄소 량을 측정할 때 많은 고려 요인이 있습니다. 그 중 하나는 식물이나 동물이 살아 있을 때의 방사성 탄소 량과 그 당시의 환경입니다.
이는 특히 일반 육상 생물과 바닷물에서 방사성 탄소를 흡수한 육상 생물을 비교할 때는 특히 그렇습니다. 설사 이 생물들의 나이가 같더라도 탄소 14의 량은 다르며, 방사성 탄소 연대 측정 결과가 다르게 나옵니다.
바다는 커다란 탄소 14의 저장소입니다. 바다 표면과 심해로 방사성 탄소가 들어오는 데는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 대기권에서 오는 이산화 탄소이며, 다른 하나는 심해에서 오는 방사성 탄소입니다. 심해수는 해면 수와 섞이면서 들어오며, 이미 어느 정도 소멸한 방사성 탄소가 들어 있을 것입니다.
해면 수에서 이산화 탄소 (탄소 14와 더불어)의 평형 치는 10년 이상이며, 심해에서의 이산화 탄소 평형 치는 아직 알려지지 않았습니다.
동일한 나이를 가진 육상 생물과 해양 생물의 방사성 탄소 연대 측정 결과는 대략 400 방사성 탄소 년도 정도 차이가 납니다. 나무와 같은 육상 생물들은 주로 대기권의 이산화 탄소로부터 탄소 14를 얻는 반면에, 해양 생물들은 다양합니다. 조개류, 고래, 바다 표범과 같은 해양 생물 샘플은 오래된 연대 측정 결과가 나옵니다.
또 하나 고려해야 할 요인은 해양 저장소 효과의 규모가 모든 지역에서 똑같지는 않다는 것입니다. 심해수가 솟구쳐 올라 표면 수와 섞이는 것 -용승 현상이라 함-은 위도에 따라 다르며, 대부분 적도 지역에서 발생합니다. 용승에 영향을 끼치는 다른 요인으로는 해안 지대 형태, 지역 날씨와 바람, 무역풍, 대양 바닥의 지형 등이 있습니다.
1972년 J.Mangerud이 발표한 연구에 따르면, 조개류의 탄산염에서 반드시 나타나는 방사성 탄소의 해양 저장소 효과에서 전 지구적으로 오차가 생기는 이유는 ‘오래된’ 무기질 탄산염을 가진 심해수가 용승 현상으로 완전히 섞이지 않았기 때문이라 합니다. 그리고 심해수에는 1000년 이상 긴 시간으로 인해 탄소 14가 반감하게 되며, 그 결과 탄소 14의 나이가 더 들어 보이게 합니다.
방사성 탄소의 해양 저장소 영향에서 지역적 차이를 알아내는 3가지 방법이 있으며, 이는 Sean Ulm이 2006년12월에 발표한 논문에 적혀 있습니다.
육상과 해양 샘플은 방사성 탄소의 해양 저장소 효과를 반드시 고려하여 비교하고 생각해야 합니다. 서로 다른 전 세계 해양의 수정 사항들은 Institute for Aegean Prehistory가 일부 투자한 온라인 데이터 베이스인 Marine Reservoir Correction Database 에서 찾을 수 있습니다. 실질적인 수정 사항은 대양 순환의 복잡성으로 인해 지역에 따라 다양합니다.
데이터 베이스는 CALIB (Stuiver and Reimer, 1993) 또는 2020년 해양 교정 데이터세트로 사용한 OxCal (Bronk Ramsey 1995)와 같은 방사성 탄소 교정 프로그램과 함께 사용합니다.
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DeltaR / DeltaRErr value 은 해양성 탄산염 (marine carbonates)에만 적용합니다.
모든 해양성 탄산염에 대해서 각 연대에 따라 자동적으로 200 – 500 년의 보정(i.e. global marine reservoir correction)을 적용합니다. 이런 보정이 자동으로 필요하다는 것은 현재 대기중에 있는 이산화탄소가 바닷물에 완전히 흡수되어 평형이 되기까지 약 200-500년이 걸린다는 사실로 인해 탄소연대 측정치에 현재의 시간을 적용하여 보정한다는 것을 의미합니다.
A DeltaR / DeltaRErr 보정 값은 이미 위에서 설명한 global marine reservoir correction을 적용한 보정 값에 추가로 적용합니다. 이 보정 값은 고객이 지역적 보정 값을 제시해주어야 하며, 이미 보정한 연대에 더하거나 뺍니다. 참고사항 – 부정 값인 DeltaR은 연대가 오래된 것으로 만듭니다. (전지구 해양의 평균치에서 민물로 희석된다는 전형적인 가정에 따라).
석회암 (limestone) 지대에 있거나 여러 샘의 오래된 물을 간직한 경수는 연대측정에서 잘못된 오래된 연대값을 가지게 할 수 있다. 조개 껍질 형성을 위해 사용되거나, 탄산염 형성에 쓰인 물의 용존무기 탄소 (dissolved inorganic carbon (DIC))은 석회암의 오래된 DIC로 인해 형성 시기보다 더 오래된 연대값을 보여준다. 석회암으로 부터 온 이런 영향을 “경수 효과 (hard water effect)”라 한다. 오래된 물을 함유한 수상 시스템은 이런 물과 관련된 오랜 DIC를 가지며, 같은 효과가 관찰된다. 이런 두 현상 모두 “리저브어 효과 (reservoir effect)”로 불린다.
이런 리저브어를 제거하는 가장 좋은 방법은 이런 영향을 전혀 받지 않은 조개껍질과 연관된 유기 물질을 분석하는 것이다. 탄산염과 가장 관련된 목탄이나 씨앗의 C14 연대와 비교하여, 그 차이를 이용해 조개껍질을 보정하는 것이다.
만약 연구자들이 이런 상쇄방법을 모른다면, 문헌 참고 자료 조사를 하고, 채집 장소에 물을 공급해주는 지형적 시스템을 이해하는 것이다.
오랫동안 방사성 탄소 연대 측정해온 모든 갑각류 중에서 가장 많이 분석해 온 것이 연체 갑각류입니다. 무기질과 유기질 요소를 모두 갖고 있는데 유기질인 코니오린 (Conchiolin)은 전체 샘플에서 아주 작은 일부이며, 따라서 탄산 칼슘인 무기질로 방사성 탄소 연대 측정을 합니다.
조개류의 탄산염으로 방사성 탄소 연대 측정을 하는 데에는 많은 문제가 있습니다. 탄산염은 용해 성이 강해 화학적으로 주변 물질과 쉽게 반응해 정확한 연대 측정 결과를 보장할 수 없습니다. 또한 그 측정 결과에 방사성 탄소의 해양 저장소 영향과 경수 영향을 고려해야 합니다.
관련 자료: 2021년 3월
