爆弾パルス

大気中の14C、ニュージーランド、オーストリア。ニュージーランドの曲線は南半球、オーストリアの曲線は北半球の代表値です。大気圏内核実験により、北半球の14C濃度はほぼ2倍に増加しました。 [ 1 ]

爆弾パルスとは、1945年に始まり、1950年以降、米国、ソ連、英国によって部分的核実験禁止条約が締結された1963年まで激化した数百回の地上核実験によって、地球の大気中の炭素14（14C）が急激に増加した現象である。 [ 2 ]これらの爆発の後、大気中の14Cの相対濃度は2倍に増加した。 [ 3 ]

質量分析計による14 C 濃度の測定は、他の炭素同位体、多くの場合は共通同位体である12 C と比較することで最も正確に行われます。この図は、 1945年の最初の原爆実験後、大気中の14 C の相対濃度（わずか10 12分の1程度）がどのように変化したかを示しています。1955年以降、大気中の12 Cが増加したため、 14 Cの絶対濃度は依然として高いものの、相対濃度は1955年以前の値まで低下しました。

14 Cは大気中に微量に自然に存在し、あらゆる生物において検出されます。あらゆる種類の炭素は、生物の細胞分子の形成に絶えず利用されています。大気中の14 C濃度の倍増は、核実験の前後に生息していたあらゆる生物の組織と細胞に反映されています。この特性は、生物学や法医学において多くの応用が期待されています。

背景

14 Cは、中性子を生成する宇宙線によって、上層大気中の窒素14（14 N）から絶えず生成されています。これらの中性子は14 Nに衝突して14 Cを生成し、これが酸素と結合して14 CO 2を形成します。この放射性CO 2 は下層大気や海洋に広がり、そこで植物やその植物を食べる動物に吸収されます。このようにして14 Cは生物圏の一部となるため、すべての生物はある程度の14 Cを含んでいます。核実験は大気中の14 Cの急激な増加を引き起こしました（図を参照）。これは、核爆発によっても中性子が生成され、これが14 Nと衝突して14 Cが生成されるためです。1963年の核実験禁止以来、大気中の14 C相対濃度は年間4％減少しています。この継続的な減少により、科学者は、とりわけ死者の年齢を判定したり、組織内の細胞活動を研究したりすることが可能になっています。細胞集団中の14Cの量を測定し、それを爆弾パルス中または爆弾パルス後の大気中の14Cの量と比較することで、科学者は細胞がいつ生成され、それ以来どのくらいの頻度で入れ替わったかを推定することができます。[ 3 ]

古典的な放射性炭素年代測定との違い

放射性崩壊（ 14 Cの半減期は約5,730年）を考慮すると、死んだ生物に残っている 14 Cの相対量を使用して、その生物がどれくらい前に死んだかを計算できます。爆弾パルス年代測定は、炭素年代測定の特別な形式と考えるべきです。爆弾パルス年代測定では、大気中の14 Cが生物圏にゆっくりと吸収されることをクロノメーターと見なすことができます。[ 4 ] 1963年頃のパルス（図を参照）から始めて、大気中の放射性炭素の相対的存在量は、 1年に約4％減少しました。そのため、爆弾パルス年代測定では、減少しているのは大気中の14 Cの相対量であり、古典的な炭素年代測定の場合のように死んだ生物内の14 Cの量ではありません。大気中の14Cの減少は細胞や組織で測定可能であり、科学者は個々の細胞や死者の年齢を決定することが可能となっている。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]これらの応用は、パルスチェイス分析で行われる実験と非常によく似ている。パルスチェイス分析では、細胞を標識化合物（パルス）に曝露し、その後同じ化合物を非標識の形で曝露（チェイス）することで、経時的に細胞プロセスを観察する。これらの実験では、放射能が一般的に標識として用いられる。パルスチェイス分析と爆弾パルス年代測定法の重要な違いは、後者にはチェイスがないことである。

地上で核兵器が爆発しなくなった場合、2030年頃には爆弾パルスは消滅するでしょう。それ以降に生まれた生物は爆弾パルスの痕跡を検出できず、その細胞の年代測定も不可能になります。倫理的な理由から、放射性パルスは細胞のターンオーバーを調べるためだけに人体に照射されることは一般的ではありません。そのため、爆弾パルスの結果は核実験の有用な副産物と言えるでしょう。[ 4 ]

アプリケーション

細胞や組織が核実験中および実験後に大気中の14Cが倍増したことを反映しているという事実は、いくつかの生物学的研究、法医学、さらには特定のワインが生産された年の決定に非常に役立ってきました。[ 8 ]

生物学

カースティ・スポールディングによる生物学的研究は、神経細胞は本質的に静的であり、生涯にわたって再生しないことを証明した。 [ 9 ]彼女はまた、脂肪細胞の数は幼少期と青年期に決定されることを示した。 DNA中に存在する14 Cの量を考慮して、脂肪細胞の10％が毎年再生されることを彼女は立証することができた。[ 10 ]放射性炭素爆弾パルスは、淡水ドラム、[ 11 ]レイクスタージョン、[ 12 ]パリッドスタージョン、[ 13 ]ビッグマウスバッファロー、 [ 14 ] ホッキョクサケ科魚類、[ 15 ] Pristipomoides filamentosus [ 16 ]いくつかのサンゴ礁の魚類、[ 17 ]その他多数の検証済みの淡水魚および海洋魚種を含むいくつかの魚種の耳石輪状構造（耳石切片から計測した年齢）の検証に使用されてきた。爆弾放射性炭素年代の検証精度は、上昇期（1956～1960年）が非常に急峻であるため、通常±2年以内です。[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]爆弾パルスは、発生中の眼の水晶体への14Cの取り込みを測定することで、グリーンランドサメの年齢を推定するためにも使用されています。科学者は、爆弾パルスの周辺で生まれたサメの年齢を決定し、体長を測定した後、サメの体長と年齢の相関関係を計算し、より大きなサメの年齢を推定しました。この研究により、392±120歳のグリーンランドサメが、知られている中で最も古い脊椎動物であることが示されました。[ 18 ]

法医学

死の瞬間に炭素の吸収は終了します。爆弾パルスの14Cを含んだ組織は年間4%の割合で急速に減少していたことを考慮すると、急速に変化する組織を検査することで、ある裁判で2人の女性の死亡時刻を特定することができました。[ 5 ]もう一つの重要な応用は、2004年の東南アジア津波の犠牲者の歯を検査することで身元を特定したことです。[ 6 ]

炭素輸送モデリング

核実験による大気中の14Cの変動は、大気輸送モデルを検証し、大気と海洋または陸地の吸収源との間の炭素の移動を研究する機会となった。[ 19 ]

その他のアプリケーション

大気中の14Cは、樹木の年輪年代を検証し、年輪のない最近の樹木の年代を測定するために使用されてきました。[ 20 ]また、目に見える年輪のない熱帯樹木やヤシの木の成長率を知るためにも使用できます。[ 21 ]

低線量放射線による死亡と負傷

大気中の14 C 含有量の増加、ひいては生物圏や人間の組織でベータ崩壊による損傷を引き起こすことによる長期的な健康影響を、多くの科学者が数値化しようと試みてきた。 14 C の半減期が約 5,700 年であることから、この影響は約 8,000 年間にわたり人間に影響を及ぼし続けると推定されている。1958 年 6 月の出版物で、ソ連の核兵器物理学者アンドレイ サハロフは、大気圏内での 1 メガトンの核爆発で生成される 14 C だけで、最終的に約 10,000 人が癌、遺伝性疾患、その他の悪影響に苦しみ、6,600 人が死亡すると推定した。米国の科学者ライナスポーリングも同様の推定を行った。1990 年、米国の物理学者フランク N. フォン ヒッペルはサハロフの推定に関する論評を発表し、異なる人口係数と線量効果係数の値がおおよそ一致すると結論付けた。彼はまた、核爆発で生成される他のすべての同位体（核分裂生成物を含む）は、短寿命の同位体が影響を及ぼす世界が狭いため、負傷者数と死亡者数を約20％しか増やさないだろうと指摘した。[ 22 ]大気圏内核実験の最終的な値が約5億4500万トンで、世界の平均人口を300億人と仮定すると、今後8,000年間で約650万人が核実験による悪影響を受け、そのうち290万人が癌で死亡すると予想される。

参照

参考文献

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