你好，这是本兔的第
63
篇推送。
如果考古系博主突然不发推送了，那一定是下工地去了……大家好，我还活着！
感谢热心市民提供素材，本兔又有机会写碳十四了。
这篇文章2018年6月首发于美国国家科学院院刊
PNAS
（
P
aper
N
ot
A
ccepted by
S
cience
，Bazinga！），想看原文的可以点击文末“阅读原文”。
是一个康奈尔大学的树轮年代学教授研究了一下
黎凡特南部
（包括以色列、巴勒斯坦地区、西奈半岛、约旦、黎巴嫩、叙利亚南部，为了避免政治问题我们还是用“黎凡特南部”吧）的
某一个树种
（Juniper）
，没想到竟然引起了国内媒体以及同学的关注，那就来讲一下吧。
首先回答各位最关心的问题：碳十四到底靠不靠谱，会不会耽误我的研究？
太长不看版
没事，完全不用担心。
讲道理版
如果你还不放心
那就泡壶茶来慢慢地把那篇PNAS原文啃了吧。
简单回顾一下碳十四
碳十四被应用于考古测年已经半个多世纪了，基本原理是利用碳十四的放射性衰变：
C14是大气中的N14与宇宙射线作用的结果，产生于平流层，产生和衰变处于一个平衡，因此
大气中的C14浓度基本保持恒定
（flag先立好，等会儿来打脸）
。
C14结合氧气形成CO2之后混入全球碳循环，活着的
陆生
动植物都与大气处于碳十四交换平衡的状态，C14浓度也与大气相同。
图片来源：http://eschooltoday.com/ecosystems/the-carbon-cycle
而当生物体死亡之后，就退出了全球的碳循环，没有新的C14补充进来，剩余的C14会由于放射性衰变越来越少，以5730年为半衰期。
根据这个简单的公式，只要准确测量了样品和大气（以1949年的大气为准）的C14浓度
A
，就可以计算出样品死亡时间
t
。
碳十四年代为什么需要树轮校正
碳十四测年
假设
大气中的C14浓度是不变的，也就是说，与大气处于碳元素交换平衡状态的每颗种子、每只动物濒死的时候，体内的C14都是某一个恒定的值。
然而这个假设几乎从来没有成立过，因为大气中的C14浓度就没有恒定过，影响因素实在是太多了，
包括但不限于
以下：
1. 太阳活动，进入平流层的中子流不恒定，影响C14的产量；
2. 大气循环，在平流层产生的C14大概需要半年时间才能分布于整个地球；
3. 地球表面积71%的海洋中溶解有CO2，并且其中C14浓度偏低的，海洋与大气的交换会稀释大气中C14的浓度。海水温度低pH高的时候溶解得多，温度高pH低的时候释放得就多一些；
4. 化石燃料的燃烧，释放不含C14的CO2到大气中，导致大气C14浓度降低；
5. 上世纪50-60年代的核爆实验，增加了大气中C14的产量，最严重时曾使大气C14浓度翻倍；
……
海水温度，图片来源：NASA
是不是有点绝望，我们已经无法得知过去的太阳辐射、大气循环、海水温度pH等可以影响大气C14浓度的因素了。
那C14还能用吗?
所幸的是树木给了我们一个还算不错的解决方案，因为树木每一年生长一圈年轮，而已经长成的年轮中的纤维素不会随着后期的新陈代谢活动再有所交换，也就意味着这一圈年轮在长成之后，其中的C14就不再增加，只是衰变。
从碳十四年代学的角度来看，长好的一圈年轮中的纤维素，表现得就“
像是死了一样
”。所以如果我们测一棵树的不同年轮，会得到不同的碳十四年代；而如果测量已知年代的树轮中的碳十四浓度，就可以帮助我们还原当年的大气C14浓度。那么我们有多少已知年代的树轮呢？很幸运，一万多年！
有这么老的树？并不是。
每一年树轮生长的宽度和当年的气候环境有关，日照充足、雨水充沛的年份就宽，反之则窄。生长在同一地区的同一树种，由于经历相同的环境条件，所以有相同的树轮宽窄序列，利用这种规律把一片大森林里的活木头、死木头、死了很久的木头、死了更久的木头……都连起来，就可以得到很长的序列，而且是绝对年代已知的序列。
树轮年代学原理，Renfrew and Bahn, 2016年第7版
于是经过一番国际合作，测量已知年龄的树轮序列的碳十四年代，就相当于知道了历史上的大气C14浓度波动，OxCal程序中有这些校正曲线可供选择：
如果在南半球做考古工作的话，要使用南半球专用的曲线。因为南半球的海洋面积较大，所以C14浓度总体比北半球要低一些。其中几个Bomb开头的是1950年代核爆实验之后的恢复曲线，由于C14浓度下降快，非常敏感，因此北半球也根据气候带分了三个区域。
可见碳十四从一开始就不是放之四海而皆准的方法，毕竟，
没有使用条件限制的那叫封建迷信
。
黎凡特南部为什么会出问题
黎凡特南部的问题和南北半球的问题类似，南北半球反映的是地球不同地区C14分布不均，而黎凡特反映的是一年内不同月份C14的波动。
其实在以色列待上一年，这个问题很容易想明白。这边从11月开始下雨，下到来年3月，所以大部分植物的生长时间都是和北半球其他区域相反的。
如果说校正曲线中记录的是每年春夏季的大气C14，那么黎凡特南部的树就是冬季的大气C14。
Manning
et al
, PNAS, 2018
可以看到，约旦和黎巴嫩的碳十四年代（纵坐标）“显著偏离”了
IntCal13
校正曲线大约17至19年，反而与南半球的
SHCal13
更加接近，都偏老；而几百公里之外的塞浦路斯和土耳其，即使同为地中海气候，都没有受到影响。
很遗憾这里没有给出塞浦路斯和土耳其测年的物种，不太利于进一步理解。
哪些材料会出问题
文中把碳十四测年常用的材料分成了三组：
第1组
：小麦、大麦、燕麦、豌豆、扁豆、野豌豆；生长季节冬季-春季，收获季节4-5月；
第2组
：鹰嘴豆、芝麻、亚麻、小米、某些葡萄、无花果、石榴；收获季节6-8月；
第3组
：剩余的葡萄、无花果、石榴，以及橄榄；收获季节9-11月。
作者认为第1组和第3组会受到生长周期与校正曲线“反相”所造成的影响，而第2组由于生长时间与校正曲线所用
橡树
相同，因此并不会受到影响。
值得一提的是橄榄，虽然收获季节被归入第3类，不过被子植物的果肉什么时候成熟对于碳十四测年来讲并不重要，关键的是橄榄核什么时候生长，毕竟这是能够留下来被考古学家找到并且用于测年的材料。
△不挖到些橄榄核
in situ
都不好意思说在中东干过考古
非常幸运的是橄榄核是春夏季长的，也就是说基于橄榄核的年代并不会受到这种一年内大气C14波动的影响。（
橄榄：警报解除。
）
而第3组的其他材料（葡萄籽、石榴籽等）由于过小，一般也不用于测年，所以主要问题出在第1组上：大麦、小麦、各种豆类，都是农业生产的重要作物，在考古遗址中经常发现，如果用于碳十四测年可能会引起一定的误差。
哪些时期会出问题
如果是系统地平移19年，这个问题的有趣性可能就要打一些折扣。我们实验室有个死理性派，把这篇文章中的数据（下图中
红色
和
黄色
）画在了校正曲线（
蓝色
）的散点图上，不过由于他电脑系统是希伯来语的，所以纵坐标轴在右边，请大家谅解。
不难看出，在校正曲线有平台和波折的区域（右半段），红色和黄色系统地偏高，而在单调下降的区域（左半段），基本上与蓝色重合。
校正曲线出现平台甚至反复，大多数情况是因为
太阳活动增强
，导致大气中C14浓度升高。而这带来的另一个后果通常就是地球上大部分区域气候变暖，所以作者们也试图寻找了这种碳十四年代偏差与温度及降水量的关系：
显然和温度的关系更加明显一些（最下方橙色折线是红海氧同位素记录的温度信息）。
所以说要受到文章所描述的系统性偏差的影响，需要同时具备以下三个条件：
1. 黎凡特南部地区
2. 秋冬季生长的植物（但不包括橄榄）
3. 恰好落在校正曲线的平台区域
请对号入座之后决定要不要恐慌。
到底能出多大的问题
这个问题就有点尖锐了，以色列有一个英文的八卦小报叫《以色列时报》。Manning教授这篇文章2018年5月29日PNAS网站上发布，2018年6月7日，以色列时报就发了一篇还不算短的报道，比国内媒体早了一个月，这一轮赛跑以色列记者赢了。
可怕的标题
：
突然发表的碳十四研究可能会改写神圣土地的圣经时代年表
可怕的摘要
：
康奈尔大学教授证明现有的考古数据有几十年的偏差，大卫王和所罗门王的统一政权可能要被推翻！
真是连我一个非犹太人+无神论者看得都能紧张起来。
在以色列学考古，圣经考古是主流，一代一代的老先生们企图把考古学文化和圣经中记载的各种事件联系起来。比如根据历史记载耶路撒冷第一圣殿被巴比伦人毁掉的时间公元前586年，再结合圣经中每个王在位的时间，基本上可以倒推回大卫王，所罗门王的时代。
《圣经》中国基督教协会2003年版附录
所罗门王，就是那个在耶路撒冷建造第一圣殿的人，圣经里说他还在很多地方建了城。
所罗门王挑取服苦的人，是为建造耶和华的殿、自己的宫、米罗、耶路撒冷的城墙、夏琐、米吉多，并基色。 (列王纪上 9:15 和合本)
传统的考古年代学把这个到处挖到城墙、挖到同一种红色陶器的时代称作铁器时代二期A段（Iron IIA），根据圣经的推断，这一时期应当是公元前1000年到公元前900年左右。
而随着更多在夏琐、米吉多等地的考古工作展开，结合碳十四年代学，这个铁器时代二期A段经测定，绝对年代为公元前950至公元前800年，这个相对于传统的圣经推断较为年轻的年代序列被称作低年代序列（low chronology），传统序列也称作high chronology。
high vs low chronology，如果不了解的话跟以色列人玩桌游都困难的common sense
低年代序列的主张者同时认为，米吉多夏琐等地的城由于年代较晚，所以不是所罗门王建的，而是属于更晚的一个暗利王。
暗利用二他连得银子向撒玛买了撒玛利亚山，在山上造城，就按着山的原主撒玛的名，给所造的城起名叫撒玛利亚。
(列王纪上 16:24 和合本)
进而他们认为，在所罗门王的时代并没有一个统治整个以色列和犹太王国的统一政权。如果我们看一个今天的地图，可以看到所罗门王的都城在耶路撒冷，米吉多和夏琐都相对较远，而对于定都在撒玛利亚的暗利王来说就很方便。如果现有的碳十四数据还偏老，那么夏琐和米吉多的年代实际应该比所罗门王晚得更多，大卫王和所罗门王所控制的范围进一步受到了质疑。
这篇指责碳十四测不准的PNAS文章一出，高兴的应该就是低年代序列的提出者了：
特拉维夫大学的圣经考古学教授
Prof. Israel Finkelstein，以色列时报也提到了他曾经把铁器时代IIA年代定得偏年轻（lower）。
而如果所有黎凡特南部的年代由于生长周期的问题测出来的碳十四年代都偏老的话，那么之前支持high chronology的数据可能都要再lower一下……
我们实验室曾经担心过，不晓得会不会支持low chronology的数据会不会一下子low过了，low到公元前9世纪后半叶就不好了。
其实中文媒体虽然没有提到圣经和所罗门王的事情，措辞也是够吓人：
哇塞20年！这可了不得！
想想大卫王和所罗门王相继为王也不过40年，你们碳十四这么一偏20年那还得了！所以我们整个实验室都沸腾了，大家纷纷拿出自己青铜时代的、铜石并用时代的、以及拜占庭时代的年代数据出来玩，看看能差多少。
作为一个做拜占庭的，我很清楚IntCal13曲线在拜占庭中期有一个平台，也是中国的南北朝时期，今年有一篇做敦煌壁画的文章也提到了这个平台：
同样的测量误差，落在平台区和单调下降区得到的校正年代差异：Guo
et al
, Radiocarbon, 2018.
把落在平台上的数据挑出来，假设全是大麦或者小麦，给原始的碳十四年代减去19，重新校正一下，非常简单的操作：
阴影数据是修正过的，这了不得的20年，校正之后真是什么都看不出来了。
查士丁尼大帝表示对生活没有很大的影响，不知道所罗门王作何感想。
阶段性结论
这是一篇很好的文章，作者列表闪亮地睁不开眼睛。文章正文五页，补充材料有五十多页，
确实是做了大量令人信服的工作。
只不过是在现阶段碳十四的测年精确度（历史时期大约±30年，史前样本标准差要更大一些）还不足以使得这一项发现的重要性在实际的考古工作中显现出来，所以也
请大家不要恐慌，碳十四还是值得信任的
。
最后
还是很感动有很多人关心这篇文章，不论是真担心自己的研究，还是看碳十四的热闹，抑或是关注所罗门王所统治的疆域范围。不过发现问题总是好现象，任何科学方法都有适用条件。
