history of radiocarbon

33
7/23/2019 History of Radiocarbon http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 1/33 Volume  09 ,  Number 2,  March-April 2004  Journal  of  Research  of the  National Institute of  Standards and  Technology J.  Res.  Natl.  Inst. Stand.  Technol. 09 ,  85-217  (2004)] The  Remarkable  Metrological  History  of  Radiocarbon Dating [II] Volume  09  Number 2  March-April  2004  Lloyd  A.  Currie National Institute  of  Standards  an d  Technology, Gaithersburg, MD  0899-8370  U.S.A.  [email protected] This rticle  traces he  metrological  history of adiocarbon, rom he  nitial  reak- through  devised  by  Libby,  to  minor  (evolu- tionary) nd  ajor revolutionary) advances  hat have  brought measure-  ment  from  a crude,  bulk  [8  g carbon]  dating  tool,  o  efined robe  or  ating iny  amounts f precious rtifacts,  nd  or  molecular  dating"  t  the  0  ng  to  00  \ig  level.  he  etrological dvances ed  o  opportunities nd  urprises, uc h  s he  non-monotonic  endrochronological  ali- bration urve  nd  he  bomb  ffect," hat  gave rise  to  ne w  multidisciplinary  areas of application,  ranging from  archaeology an d  anthropology o  osmic ay  hysics o  oceanography  o pportionment  of anthro- pogenic pollutants  o the  reconstruction of environmental  history.  Beyond  the  specific  topic  of natural  ,  it  is  hoped that this account  m ay  serve  as  a metaphor  or  young cientists,  llustrating  that just when  cientific discipline  m ay  appear  to  be  pproaching maturity, unanti- cipated  metrological  advances in their ow n  chosen ields, nd  nanticipated  nthro- pogenic r natural hemical  vents n he  environment, an pawn ew reas f research aving xciting  heoretical nd  practical  implications. Key  ords: ccelerator ass  pectro-  metry;  apportionment  of fossil  an d  biomass  carbon;  "bomb"  as  a global tracer;  dual  isotopic  uthentication;  etrological  history; olecular  ating; adiocarbon dating; the  urin  Shroud;  SR M  1649a. Accepted:  ebruary 11,2004 Available online: http://www.nist.gov/jres  Contents 1.  ntroduction 86  2.  he  Birth  of Radiocarbon  Dating 86  2.1  Standards an d  Validation 89  3.  atural  Variations 90  4.  he  Bomb  92  4.1  xcess C  as  a Global  Geochemical  Tracer 93 4. 2  he  Second  (Geochemical)  Decay Curve  of C:  sotopic-Temporal  Authentication 93 5.  nthropogenic Variations;  "Trees Pollute" 95 5.1  Fossil-Biomass Carbon  Source Apportionment 96  6.  ccelerator Mass  Spectrometry  99  6.1  he  Invention 99  6.2  he  Shroud  of Turin 00 Emergence of |X-Molar  C  Metrology  04 7.1  ong-Range  Transport of Fossil an d  Biomass  Aerosol  05 7.2  sotopic Speciation in Ancient  Bones an d  Contemporary Particles  10 7.2.1  Urban Dust (SRM 649a);  a Unique  Isotopic-Molecular Reference Material ..  .211 Epilogue 14 References 15 18 5  

Upload: gerasimos2010

Post on 19-Feb-2018

225 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 1/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

J. Res. Natl. Inst. 

Stand.

 

Technol.

 09 , 85-217 (2004)]

 

The

 Remarkable

 

Metrological

 History

 

of

 

Radiocarbon Dating [II] 

Volume

 

09

 

Number

 

2

  March-April

 

2 0 0 4 

Lloyd

 A. 

Currie 

National Institute of  Standards 

an d

 

Technology, 

Gaithersburg, 

M D 

0 8 9 9 -8 37 0

 

U.S.A.

 

[email protected] 

This

 

rticle

 

traces

 

he

 metrological history 

of

 

adiocarbon, rom he nitial reak-

 

through devised by 

Libby,

 to minor (evolu-

 

tionary) nd ajor revolutionary) 

advances

 

hat 

have brought

 measure- 

me nt from  a

 crude, 

bulk

 

[8  g 

carbon]

 dating 

tool, o 

efined

 robe or ating iny

 

amounts f precious rtifacts, 

nd

 or

 

molecular

 dating" 

t

 

the

 

0

 ng  to 

00

 \ig 

level.

 

he

  etrological dvances 

ed

 o 

opportunities 

nd

 urprises, 

uc h

 s 

he

 

non-monotonic

 

endrochronological

 

ali- 

bration

 urve nd he 

b o mb

 ffect," ha t

 

gave rise to ne w multidisciplinary areas of

 

application, ranging from  archaeology an d 

anthropology o osmic ay hysics o 

oceanography 

o

 pportionment of

 

anthro- 

pogenic pollutants 

o

 

the

 reconstruction of 

environmental

 history.

 

Beyond  the  specific topic of natural 

it

 is hoped that 

this

 account m ay  serve as a 

metaphor or young

 

cientists, llustrating 

that 

just

 when

  cientific

 discipline 

m ay

 

appear 

to

 

be

 pproaching 

maturity,

 

unanti-

 

cipated  metrological 

advances

 

in

 their 

ow n

 

chosen ields, nd 

nanticipated

 nthro-

 

pogenic r natural hemical vents n he

 

environment, an pawn ew reas f 

research aving xciting heoretical 

nd

 

practical implications. 

Key

 

ords: ccelerator  as s pectro- 

metry;

 apportionment of fossil an d biomass 

carbon;

 "bomb" as a global

 

tracer; 

dual

 

isotopic

 

uthentication;

 

etrological

 

history;

 olecular

 

ating; 

adiocarbon 

dating;  the urin  Shroud;  SR M  1649a.

 

Accepted:

 ebruary 11,2004

 

Available online: 

http://www.nist.gov/jres  

Contents

 

1 . ntroduction 86

 

2 .

 he  Birth of Radiocarbon Dating  86

 

2. 1  Standards 

an d

 Validation  8

9

 

3. atural 

Variations 90

 

4.

 

he

 B om b 

92

 

4.1

 

xcess

 

C

 

as

 a 

Global

 

Geochemical 

Tracer

 93

 

4. 2 he  Second (Geochemical) Decay Curve

 

of  C : sotopic-Temporal Authentication 93 

5. nthropogenic 

Variations;

 "Trees Pollute" 

9

5. 1

 

Fossil-Biomass Carbon 

Source

 Apportionment

 96

 

6.

 

ccelerator

 Mass

 Spectrometry 

99

 

6.1 

he

 

Invention

99 

6. 2 he  Shroud  of Turin 00

 

Emergence of

 

|X-Molar  C Metrology 

04

 

7.1 ong-Range

 

Transport

 

of Fossil 

an d 

Biomass Aerosol  05

7. 2

 

sotopic

 

Speciation

 

in

 Ancient

 Bones

 

an d Contemporary Particles 10

 

7.2.1  Urban Dust (SRM 649a); 

a

 Unique 

Isotopic-Molecular Reference Material ..  .211 

Epilogue

14

 

References 15

18 5 

Page 2: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 2/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

1. 

ntroduction

 

This

 

rticle

 

s

 

bout

 

etrology,

 

he

 

cience

 

measurement. More pecifically, 

t

 xamines he 

metrological 

revolutions,

 or at least 

evolutionary

 mile- 

stones ha t

 

have 

marked

 he 

istory

 f

 adiocarbon

 

dating,

 ince 

ts

 nception

 

om e 

0 years

 

go ,

 

o

 he 

present.

 The series 

of

 

largely

 

or

 even totally unantici- 

pated developments 

in

 th e metrology of natural * C  is 

detailed

 

in

 

th e several sections of  this article, together 

with 

xamples of 

th e

 

onsequent mergence

 of ne w 

an d 

undamental pplications 

road

 

ange 

f

 

disciplines n

 he

 hysical, ocial, 

nd

 iological 

sciences.

 

The

 possibility

 

of

radiocarbon

 

dating

 would 

no t 

have 

existed,

 

had

 not 

*€

 

ha d

 th e  wrong half-life—a 

fact

 

that delayed 

its

 discovery [1]. Following th e discovery 

of  this 5730  year (half-life) radionuclide 

in

  laboratory 

experiments

 

by  

Ruben an d

 

Ka me n, it

 

became 

clear 

to

 

W .

 

F.

 Libby

 

hat 

* C

 

should

 

exist

 in

 nature,

 an d 

that

 

it 

could serve 

as

 

a

 quantitative 

means

 fo r 

dating

 artifacts 

an d 

vents

 

marking

 

he

 

istory

 

ivilization. 

he 

search or 

atural

 adiocarbon as

 tself 

metro- 

logical

 

challenge,

 fo r 

th e

 

level

 

in

 

th e

 

living

 biosphere

 

[ca.

 

2 30  Bq/kg]

 

la y fa r

 

beyond

 

the

 

then 

current

 

state

 

of

 

th e

 

measurement

 

rt.

 

he

 

ollowing

 

ection

 

f

 

hi s 

article reviews th e underlying concepts an d ingenious 

experimental

 

pproaches

 evised 

y

 ibby nd is 

students

 

that

 le d

 to

 th e establishment an d

 

validation 

of 

th e  absolute radiocarbon 

technique.

 

That

 wa s but he beginning, however.

 

ubsequent 

metrological an d scientific advances have included: 

major

 mprov ement n

 *€ ecay

 ounting precision

 

leading 

to

 he discovery 

of

 natural 

*€

 variations;

 

he 

global racer

 

xperiment ollowing he pulse f 

excess 

* C

 

from 

atmospheric

 

nuclear

 

testing;

 

th e

 

grow-

 

in g importance of quantifying sources of 

biomass

 an d 

fossil

 arbonaceous contaminants in th e environment;

 

th e revolutionary 

change

 

from

 

decay

 counting to  atom 

counting 

AMS: 

ccelerator mass pectrometry) plus 

its

 amous 

pplication

 

o

 

rtifact

 ating; 

nd

 

he  

demand fo r

 an d possibility

 

of ' * € 

speciation (molecular

 

dating)

 f 

arbonaceous 

ubstances 

n eference 

materials, istorical rtifacts, nd n 

he

 atural 

environment. 

2.

 

he

 

Birth  of

 

adiocarbon

 

Dating

 

The  year before last marked th e 50th anniversary 

of

 

th e irst 

dition

 f W illard 

ibby's monograph. 

Radiocarbon

 ating—^published n

 

952

 

2].

 

ight 

years

 ater 

ibby

 

as

 

warded

 

he

 

obel

 rize n

 

Chemistry. 

n

 very

 

pecial ense ha t mall volume 

(111 pages

 

of text) 

captured 

the essence

 

of th e path

 

to

 

discovery:

 

from 

th e 

initial

 

stimulus,

 

to 

both conceptual

 

an d

 quantitative 

scientific

 hypotheses, 

to

 experimental 

validation, 

nd

 

finally,

 

o

 th e demonstration of highly 

significant

 

pplications. he 

ignificance

 f Libby's 

discovery,

 

rom 

he erspective 

f he obel 

Commi tte e ,

 

is

 indicated in

 Fig.

 

,

 

which

 

includes

 

also

 

a

 

portrait of Libby in 

th e

 year 

his

 monograph w as pub- 

lished 3].' he tatement f he  obel ommittee 

represents

 n 

unusual

 degree of foresight,

 

n

 ight

 

of 

unsuspected 

cientific

 nd

 

etrological evolutions

 

that

 would 

take

 

place

 in ensuing years. 

Like many f

 he

 major

 

dvances n cience. 

Radiocarbon

 

Dating

 

was 

bom

 

of

 Scientific Curiosity.

 

As 

noted

 

by

 

Libby

 

n

 his 

Nobel

 Lecture,

 

it ha d ts 

origin 

in

 

a

 study 

of

th e

 

possible effects that

 cosmic

 rays 

might have on th e earth an d on th e earth's atmosphere" 

[4]. 

hrough ntensive

 tudy

 

of th e

 osmic 

ay

 

nd 

nuclear 

physics

 iterature, 

ibby made

 n

 

mportant 

series

 of deductions, 

eading 

to 

quantitative  predic-

 

tion of

 

th e natural

 '^ C

 concentration 

in

 th e 

living

 bio- 

sphere. 

A s

 reviewed in chapter I ofLibby's monograph, 

an d

 

in

 

th e

 

Nobel Lecture, th e 

deductive

 steps included: 

(1 )

 Serge

 Korff's discovery that cosmic 

rays

 generate

 

on

 

average

 

about

 

2

 

econdary

 

neutrons

 

pe r

 

cm^

 

of

 th e

 

earth's 

urface 

pe r

 

econd; 

2)

 he nference ha t

 

he 

large majority of th e 

neutrons

 undergo hermalization 

an d 

reaction

 with

 atmospheric

 nitrogen 

to  

form   '* C

 

via 

the nuclear reaction

 "*N(n,p)"*C; (3 )

 th e

 

proposition that

 

th e 

'* C toms

 quickly

 oxidize o

 '^COj, 

nd

 

ha t

 hi s 

mixes with th e total exchangeable reservoir of carbon 

in 

a

 period short 

compared

 

to

 th e 

ca .

 8 0 0 0 year 

mean

 

life of

 

' * C . Based

 on 

he

 observed 

production

 

rate

 

of 

neutrons

 ro m

 osmic ay s

 

ca. 

cm"^ 

~'),

 

heir near 

quantitative ransformation 

o

 * C ,

 nd

 an 

stimate

 of 

th e

 

global

 

arbon

 

xchangeable

 

eservoir

 

8. 5

 

g/cm^),

 

Libby

 

estimated

 that th e

 

steady

 

state

 

radioactivity con- 

centration  

of

 exchangeable 

'* C

 would

 be

 approximate-

 

ly

 [(2 

X

 60)/8.5] 

or

 about 

14

 disintegrations per

 

minute 

(dpm) per 

gram

 carbon 

(ca.

 2 30  m Bq g"'). O n c e living 

matter s

 

ut off from hi s teady tate, 

xponential

 

nuclear

 decay 

will

 

dominate, an d

 "absolute dating" 

will 

follow

 

using

 

th e observed

 

half-life 

of

 

' ' * C

 (5568 

years).^

 

Figure

 

hows Libby as 

the

 author 

first

 m et

 him,

 shortly after

 the

 

latter

 

ntered

 

he

 

University

 

of

 

Chicago

 

s

 

graduate

 

tudent

 

n

 

chemistry.

 

Production

 rate an d reservoir parameters are  taken from th e Nobel

 

lecture 4];  these values differ somewhat from  those used by  Libby 

in

 [5 ] 

an d

 

in

 

the

 first edition of 

his

 book [2]. 

Th e

 half-life 

(5568

 a) is 

the  

"Libby half-life" which

 

by

 

convention is used 

to

 calculate

 

"radio- 

carbon

 ages;" 

the

 current accepted 

value

 

for the

 

physical

 half-life is 

(5730 ±

 

40 ) 

a

 [5a].

 

1 86 

Page 3: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 3/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Seldom has a single  

discovery in chemistry had

 

such an impact on the 

thinking in 

so

 many

 

fields

 

of human endeavor.

-Nobel 

Committee

 1960

W .

 F . Libby(ca.

 

1952)

 

Fig. 

.

 Portrait of W . F. Libby, bout the  time of publication of t he irst edition of 

his

 monograph,  Radiocarbon Dating 

(1952) , 

an d

 statement of 

the

 Nobel Committee (1960) [3]. 

Tw o

 

ritical

 

ssumptions

 

re

 

needed

 

or

 

bsolute

 

*€

 

dating:

 

onstancy of

 

both th e cosmic 

ra y

 

intensity

 an d 

size of

 

th e exchangeable reservoir on average fo r 

many

 

thousands

 of years.

 

A graphical 

summary 

of th e

 

above 

points 

is

 given

 

in 

Fig.

 

2. 

Libby first postulated th e existence of

 

natural 

*€

 

in

 

1946 ,

 at 

a

 level 

of

 0 .2  

to

 2 Bq/mol carbon 

(1

 dpm/g 

to

 

10  dpm/g)

 

5] .

 

is

 irst

 xperimental

 

as k as

 

o

 

demonstrate 

his

 presence

 f

  natural

'^ C 

n

 iving 

matter. The

 

problem

 

wa s that, 

even 

at 

10

 dpm/g, th e 

*€

 

would

 

be 

unmeasurable

he

 

plan was 

o

 

earch

 or 

natural

 

*€

 in

 

bio-methane,

 

but

 

th e 

background

 

of

 

hi s

 

well-shielded

 

.9

 

L

 

Geiger

 

ounter

 

34 2

 

ounts

 

er 

minute) xceeded

 

he xpected

 ignal 

by  actor

 of 

400. Libby an d coworkers di d succeed 

in

 demonstrat- 

ing the presence 

of

  ' ' ^C in living m atter, however. For an 

account

 of their 

creative

 approach 

to

 th e 

problem,

 ee 

their 

on e page rticle n

 

Science, Radiocarbon ro m 

Cosmi c

 Radiation" [6].^ 

Having detected 

*€ n

 he

 iving

 biosphere,

 

Libby 

an d is 

olleagues

 ad 

o

 evelop  measurement 

technique that

 

w as 

both quantitative 

an d practical.

 The

 

To  fully appreciate the  nature  of th e experimental impediments  an d

 

flashes of insight along 

the

 path to 

discovery,

 tudents re ncour- 

aged to tudy th e original scientific iterature, s given 

here,

 rather 

than

 

restricting attention 

to

 subsequent

 

summaries 

in

 textbooks. 

thermal

 

diffusion

 

enrichment

 

technique

 

6]

 w as

 

not:

 

t

 

demanded very 

large

 samples an d thousands of (1946) 

US dollars to measure he ge of 

a

 ingle mummy

[4].

 

Development f n

 cceptable 

echnique

 

as 

formidable, 

s

 outlined 

n Table . 

A

 ubstantial

 

n- 

crease

 

in

 signal w as achieved

 

by converting

 

th e 

sample

 

to 

olid

 

arbon,

 hich 

oated

 

he

 

nner

 

al l

 

specially 

designed

 

"screen wall counter;" bu t

 

th e back- 

ground/signal

 ratio

 

(16:1)

 

still

 eliminated

 th e 

possibili-

 

ty

 of

 

meaningfiil 

measurements.

 

At his

 point,

 

Libby

 

ha d

 an 

inspiration,

 from the analysis of the nature of th e 

background

 

adiation

 

4] .

 

e

 

oncluded

 

ha t

 t 

wa s

 

primarily

 

due 

to

 econdary, 

onizing

 

cosmic

 radiation 

having great penetrating power—negative 

m u

 mesons

 

{\r). By urrounding th e

 ample

 ounter with osmic 

ra y

 

uard

 

ounters

 

perating

 n 

n

 

nti-coincidence 

mode , most of th e \r counts

 could

 be eliminated,

 

result- 

ing 

n

 

urther 

background

 eduction

 

by

 

actor 

of 

twenty,

 

o

 pproximately 

ounts 

per minute 

cpm).

 

The inal background  

to 

ignal ratio

 

of 

0.8 

or 

living

 

carbon, made ossible he measurement f natural 

(biospheric) 

* C

 

with

 precision

 

under 2

 

% Poisson 

relative

 

standard

 

deviation)

 

with

 

a

 total

 

(sample,

 

back-

 

ground)

 counting time ofjust 2 

d

 

([2],

 Chap. 

V ).

 

Fig.

 3  

shows

 

he

 

ow-level

 

ounting

 

pparatus

 evised 

Libby,

 with

 which th e

 

seminal  '* C

 

dating measurements 

1 87 

Page 4: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 4/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

PRODUCTION OF ̂^C 

R

 

O

 

D

 

U  

C  

T

 

I

 

O

 

N  

D  

S

 

T

 

R

 

I

 

B  

U

 

T

 

I

 

O  

N  

D  

E

 

C

 

C o s m i c 

Ray 

*C 9 

Equilibrium

 

Concent ra t ion: ̂—

 

10

  ^

 

Tiien:  ^ ^0

 

14K

 

*N

 

+ e'

 

+

 V

 

T ^ ^ 2

 

5700

 

years

 

O ne

 Gram 

 

-10 

counts/minute

 

Fig.

 .  raphical 

epresentation

 f he roduction, istribution, nd ecay f natural 

(courtesy of D.  

J.

 Donahue).(Parameter  values are  approximate.) 

were

 

made.

 

he

 * C creen 

al l

 

ounter

 

s

 isible

 

through th e open, 8  inch thick cantilevered 

steel

 doors 

having

 

a

 

wedge-like

 

closure.

 The  

steel

 

tomb

reduces

 

th e

 

background

 

by

 

about

 

a

 

factor

 

of

 

five.

 

The

 

bundle 

of

 

nticoincidence

 

osmic

 

ay

 

uard

 

ounters,

 

ee n 

surrounding th e central counter in 

th e

 figure, eliminates 

some

 

%

 

f he

 

esidual ackground

 

rom

 

he  

Table

 

1. 

ibby's

 Measurement

 Challenge

 

penetrating

 

i

 

tion. 

radiation, hrough 

lectronic

 

ancella- 

• osmic ra y neutron intensity:  n m s 

• xchangeable carbon reservoir: .5 g m 

• stimated  C  

activity:

  14

 

dp m ~ 

0.23

 Bq ~ ) 

 

ample

 

size

 (detector 

efficiency):

 

carbon

 

(5.5

 

% )

 

 

stimated modem 

carbon 

rate 6. 2 cp m  

(min~

 )

 

• ackground rate: 0 0 cp m  (unshielded), 00  cp m  (2 0 cm Fe )

 

Assumptions: 

Constant production

 

rate 

Fixed

 

exchangeable C  reservoir

 

(uniform 

distribution)

 

Page 5: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 5/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Fig. 

.

 ow-level nticoincidence ounting pparatus evised 

by

 

Libby

 

fo r

 t he original

 measurements that

 

le d

 to the

 establishment 

of

 

he 

adiocarbon

 ating 

echnique

 

Ref

 

2 ],

 nd

 Radiocarbon 

Dating 

(jacket

 cover) 

R.

 

Berger

 an d H .

 

Suess, eds., Univ.

 

California

 

Press, Berkeley (1979) .)

 

Perhaps

 

the

 most valuable metrological 

lesson

 

from  

Libby's

 

arly

 

work

 

as

 

he

 

xtreme

 

mportance

 

f

 

formulating

 

ealistic

 

heoretical

 

stimate

 

or

 

he 

sought-after signal. W i th o u t ha t 

s

 guideline or 

designing a

 

measurement

 process

 with 

adequate 

detec- 

tion or

 quantification

 

apabilities,

 here s 

ssentially

 

no ossibility 

ha t 

atural adiocarbon ould

 av e

 

been found by hance with th e he n urrent radiation 

instrumentation.

 

2.1  Standards and 

Validation

 

Once he measurement f

 

atural

 

* C 

ecame

 

feasible, th e 

immediate

 

task

 

tackled

 

by  

Libby

 

an d

 

hi s

 

colleagues was 

o

 es t th e

 validity 

of

 

th e radiocarbon 

dating

model. Th e

 

first

 

step

 

consisted of

determining he

 

zero

 

point

 

of th e

 

natural

 

radiocarbon

 decay 

curve—  

i.e.,

 

th e radioactivity concentration (dpm 

* C

 pe r gram  C ) 

in

 

living 

matter,

 an d 

to

 

test fo r

 

significant geographic varia- 

tion.

 

This

 

was

 

a

 

major

 

component

 

of the

 

Ph D

 

thesis

 

of 

E. C .  Anderson 

[7];

 

the

 

result

 (i?„)

 wa s

 (15.3 ±

 0.5)

 

dpm/g

 

[255 Bq/kg]  ith

 

ignificant 

eviation ro m

 he

 

hypothesis of 

a

 

uniform

 global 

distribution.'*

 Th e next 

Th e 

neutron

 

intensity

 in the  

atmosphere,  

an d hence

 

the

 produc- 

tion

 

profile, 

ha s 

major

 

variations

 vertically 

(because 

of

cosmic

 ra y 

absorption with tmospheric epth) nd atitudinally because 

of 

geomagnetic shielding)—See Figs. 2 

an d

 3 in 

Ref

 2] , Because 

ha s uch  a long me a n life (=8000  a) , however, it w as expected that 

an y esidual gradients 

n he

 

global

 xchange

 

eservoir would

 be

 

undetectable, given 

the

 3 

%

 

to

 5 

%

 uncertainties of 

Libby's

 original 

measurements

 

(Ref 2] , 

Chap.

 

I).

 

step

 

w as

 

to

 

measure

 

th e 

* C

 

concentrations

 

in selected

 

historical artifacts 

of 

known 

age,

 an d compare them

 to 

th e  absolute

* C

 

age.

 The  

latter

 was accomplished by 

comparing th e rtifact * C oncentration 

dpm/g

 C ) 

to

 

that of th e iving biosphere. The bsolute ge derives 

from the

 inversion

 of 

first order

 nuclear 

decay

 

relation,

 

using 5.3 dpm/g an d 

5568

 

a

 

as

 th e parameters 

of 

th e 

absolute natural 

*€

 

decay

 curve. 

The famous result, utilizing  known 

ag e

 tree rings an d 

independently-dated 

gyptian

 rtifacts, s 

hown

 

n

 

Chapter

 I

 

of 

Libby's 

1952 

monograph 

an d Fig. 4

 in

 

this

 

article. Although he elative measurement uncertain- 

ties

 re moderately arge ca.

 

% ), he data 

provide

 

a

 striking

 

validation

 

fo r

 

th e 

radiocarbon

 dating

 

method over 

a

 period 

of 

nearly 5000  

years.

 Note  that

 

th e 

curve

 shown 

is

 notfit

to 

the

 

data\ Rather, 

it

 

repre-

 

sents 

the

 

absolute,

 wo-parameter nuclear 

decay

 func- 

tion. (See [8 ] fo r detailed information on th e validation 

samples

 selected.)

 

This 

initial

 

absolute

 

dating

 

fiinction

 

served

 

to

 

estab- 

lish th e 

method,

 but 

it

 indicated  th e 

need

 fo r 

a

 

univer-

 

sal 

adiocarbon

 

ating

 

tandard,

 

ince

 

he

 

eference 

value or th e ntercept here 

5.3

 dpm/g) would vary 

13- 

SAMPLES  OF   K N O W N   AGE 

^  TREE  RING SBO .D.) 

PTOLEMY

 (200

 

±

 

15 0

 B.C) 

TAYINAT(675±50B.C)  

Jj  REDWOOD

 

(979 ±52

 

B.C.) 

C URVE  CALCULATED  

FHOM  PRESENT

 

D A Y

  POiNT 

AN D

 

HALF

 

LIFE  O F

 

RADIOCARBON

  5566

 

±30  YEARS

 

SESOSTRIS 1800

 6£) 

ZOSER

 

(2700175ac) 

SNEFERU(2625±75B.c)

 

1000

 

2000  3000

 

4 0 0 0

 

50 0 0

 

HISTORICAL 

AGE   (YEARS)

 

6000

 

7000

 

Fig.  . 

adiocarbon 

dating

 validation 

urve 1952):

 

he 

curve of 

knowns" 

hat

 irst demonstrated ha t bsolute adiocarbon ating

 

worked. Th e validation  points epresent 

re e

 ings nd  historical 

artifacts

 

ofknown age.

 Th e 

exponential

 

function is notfit to

 

the data, 

but

 derived from  

the

 ndependently measured 

half-life

 

nd

 

he

 

content of 

living 

matter

 

([2], Fig.

 ).

 

1 89  

Page 6: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 6/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

among

 aboratories, 

f

 he y ac h

 

ad e 

heir wn 

standards.

 The

 

problem

 w as 

tackled by th e internation-

 

al radiocarbon community 

in

 th e 

late

 1950s, 

in

 

cooper-

 

ation with he U.S. National Bureau of Standards. A 

large quantity of contemporary oxalic ci d 

di-hydrate

 

w as

 

repared

 s B S tandard 

eference

 

Material

 

(SRM) 

4 9 9 0 B .

 

Its

 

* C

 concentration was 

ca.

 

5

 %  

above

 

what

 

as

 

elieved

 o 

e

 

he

 

atural

 

evel, o

 

he 

standard or adiocarbon dating was defined 

s

 .9 5 

times th e  *€

 

concentration of this 

material, adjusted 

to

 

a

 

reference 

value

 

of-19

 

per

 

m il

 (PDB). This 

value 

is defined 

as

  modem carbon" referenced 

to

 AD 

1950.

 

Radiocarbon

 

measurements re ompared o his 

modem 

arbon

 

value,

 

nd

 

xpressed

 s

 

fraction

 

of

 

modem Z^);

 

nd radiocarbon 

ges" 

re

 alculated

 

from  fi^ 

using he xponential 

decay

 elation 

nd

 he 

Libby half-life" 

568 

. The ge s 

re

 xpressed 

n

 

years before present 

(BP)

 

where

  present is defined 

as

 

A D  

1950.

 A

 

published estimate 

fo r 

th e '^ C  

concentra-

 

tion f

 

modem 

arbon"

 s 

iven

 s 13.53

 

±0.07) 

dpm/g 9]. 

n

 

uly 983,

 replacement SRM 

4 9 9 0 C

 

w as substituted  fo r th e nearly exhausted 

SRM

 4 9 9 0 B . 

It w as repared ro m xalic ci d erived ro m he 

fermentation 

of 

French beet molasses 

from harvests

 

of 

1977.

 

opy

 

f

 

he

 

ertificate

 

Analysis

 

f

 

SRM

 

4 9 9 0 C ,

 

ogether

 

ith

 

ertinent

 

eferences,

 

ay

 

obtained from th e website: ttp://nist.gov/srm  [1 0 ] . ' 

Libby's uccessflil

 

development

 

of th e cience f 

radiocarbon

 

dating

 ed

 o

 he 

apid

 stablishment 

of 

more

 ha n

 hundred

 dating

 aboratories

 

world-wide, 

th e initiation of 

a

 joumal supplement that later became 

th e joumal Radiocarbon, nd he stablishment of 

a

 

continuing series

 of

triennial

 

R A D I O C A R B O N 

confer- 

ences,

 

he

 irst 

f

 which

 

ook

 

lace 

n  ndover,

 

Massachusetts 

in

 

1954.

 

3.

  Natural Variations

 

This

 

failure esulted ro m basic dvances 

* C  

metrology. New pproaches o ow-level ounting

 

yielded

 

measurement

 

mprecision

 

hat

 

ltimately 

approached .2  % 

rsd);*

 nd onstruction f

 he

 

radiocarbon

 

dating 

alibration 

urve" ro m meticu- 

lously

 counted 

annual

 

tree

 ring 

segments

 

showed

 that

 

assumptions 

of 

constancy within different geochemical 

compartments

 

f th e

 

xchangeable arbon 

eservoir,

 

an d over time, were invalid. (This is 

a

 classic example 

demonstrating ha t one annot

 prove

 he 

null

 hypo- 

thesis;

he

 alidation urve 

hat

 stablished he

 

radiocarbon 

dating 

method demonstrated onsistency 

(validity) only within th e rrors uncertainties) 

of

 th e 

validation

 

measurements.)

 

Th e

 

failure

 

of

 

the

 

absolute 

dating

 

model

 was, 

n

 fact, a 

notable

 success. The

 

revo- 

lutionary discovery 

of

 natural adiocarbon variations 

literally

 

arose

 out of th e  noise of absolute radiocar- 

bo n dating, an d 

it

 transformed th e study of natural * C  

into multidisciplinary

 cience,

 

giving ise o

 

otally 

ne w scientific

 disciplines 

of

 

* C

 

solar 

an d

 geophysics. 

At hi s opening

 address

 at the 

12th

 N obel Symposium 

on Radiocarbon

 

ariations and Absolute

 

Chronology 

[12] n Uppsala,

 

Nobelist Kai 

iegbahn

 mphasized 

that

 This

 

ubject 

s now] 

nteresting 

o pecialists 

in 

many

 

different

 fields,

 

s

 

an be

 

ee n

 

ro m

 

he

 

ist

 

of participants,

 

howing

 

rchaeologists,

 

hemists, 

dendrochronologists, 

geophysicists,

 varved-clay geolo- 

gists, nd

 

physicists" Ref. 

12] ,

 p.

 

9f).

 

A n

 

arly 

version 

he endrochronological 

* C

 alibration

 

curve, resented y

 ichael

 nd

 

alph t

 

he 

Symposium,  is given 

in

 

Fig.

 5  

(Ref

 [12], p. 10) . ' The  

Bristlecone pine, 

s

 hown n he igure, ha s 

made

 

seminal

 contribution

 to

 

th e

 

science

 

of 

dendrochronolo-

 

gy,  

an d

 through that, 

to

 th e 

study

 

of

 natural 

'* C

 

varia-

 

tions. 

It

 is considered by some 

to

 be 

th e

 world's "oldest 

living

 

thing,"

 with 

single

 

tree 

containing

 

annual

 

rings

 

going

 

back 4000

 

years or more. It

 

is 

clear 

from

 

Fig.

 

Already, by  th e time th e 

Nob e l

 Prize w as 

awarded.

 

Radiocarbon Dating appeared 

to

 be  approaching matu- 

rity, 

with 

a

 

rich

 fiiture 

in

 application

 

as

 opposed 

to

 ne w 

fundamental 

iscovery.

 

hi s

 

ll

 

hanged,

 

owever, 

when some 

of

 th e fundamental assumptions proved 

to

 

be invalid—what might be considered 

as

 th e "failure 

of

 

Radiocarbon Dating.

Several

 

econdary

 

tandards

 

or

 

dating

 

re

 

vailable

 

hrough 

th e

 

International Atomic

 

Energy

 

Agency.

 

These

 

materials,

 

designated

 

IAEA Cl -C8, onsist of

 

wood, cellulose, ucrose, nd  carbonate;

 

they cover 

a

 range of 0.00 pM C  to 50.6 p M C , 

an d

 have been 

sub-

 

ject o 

nternational omparison 

11]. 

Note ha t 

pM C

 percent 

modem

 

carbon)

 

refers to_4i

 

expressed as a percentage. 

Th e deciding actor

 

for

 

high

 precision

 

measurement 

was he

 

successfiil evelopment f C O 2 as roportional ounting, fter 

several failed attempts. Co mp a re d to Libby's solid sample (graphite) 

technique, 

he

 CO 2 method esulted 

n

 maller ample 

izes

 

nd

 

efficiency enhancement by

 

nearly

 

a

 

factor

 

of

 

twenty. 

Th e 

relatively

 imprecise 

dendro-calibration

 curve in 

Fig. 5 

extends

 

to ca.  50 0 0 BC . Meanwhile, the  

radiocarbon

 dating calibration func-

 

tion ha s ndergone onsiderable efinement: 

t

 no w omprises n 

extensive

 

database, 

nd t

 ha s

 

become

 n

 ssential lement of al l 

radiocarbon

 

ating.

 

he

 

98 6

 

alibration

 

ssue

 

f

 

he

 

oumal

 

Radiocarbon

 

13] ha s

  ompilation 

going 

back

 o

 a.

 

00 0  BC . 

More 

recent

 attempts 

t

 extending the  

record

 much further back in

 

time av e tilized omparisons  ith ther ating methods, 

notably U/Th disequilibrium  

dating.

 B y 

this

 means, calibration  data 

have

 been

 

given fo r periods beyond

 2 0

 0 00 BC  

[14].

 

1 90 

Page 7: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 7/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

5600BC

 

r

4800

BC  

4000

BC 

1 1 1

 

3200BC

 

n

 

2400BC

 

1600BC

 

C D  

01  

800BC 

AD/BC

 

800

 

AD1600

 

.

 

o  o 

u  Q  Q 

Q  (j (J  Q 

o  o 

rfi 

iTl 

[Q C D   ro  

iTl  rTi 

m

 

O

o

  o  CJ  O O

CO  

y?  

 ̂

IN

O 00 

<

 

Dendro

 

-Age

 

CO   fl-  TT 

Fig. 5. Radiocarbon   Variations, discovered  by comparison of high precision radiocarbon  dates

with high annual) ccuracy re e ing 

ates.

 

Th e

 

plot,

 which overs 

he

 period ro m bout 

50 0 0

 BC  

to

 

the

 present, represents 

n

 early version of

 t he

 radiocarbon dating calibration curve 

( [12] ,

 p.UO). 

Th e

 

photo

 

shows

 

the

 Bristlecone  

pine,

 

the

 major 

source

 of

 

dendrodates  extending 

back

 many 

millennia

 (Photo

 

is courtesy  

of 

D.

 

J.

 

Donahue) .

 

that he 

dendrochronological 

ge

 

hows 

ignificant

 

departure

 

i-om he

 

bsolute 

* € nuclear) ge , begin- 

ning

 

bout

 

hree housand years 

go ,

 

nd 

ontinuing 

through he nd 

of

 this

 

eries of measurements ca. 

5000 BC). These

 

newly

 

discovered

 deviations

 from

 

th e 

absolute 

dating

 

model,

 

of

 

course,

 

posed 

new 

scientific 

questions: 

ha t ar e he 

auses of

 th e deviations,

 

nd 

ca n 

we

 use  them 

to

 better understand Nature?  

In

 fact, 

th e dendro-calibration curve serves dual 

purposes.

 For 

more

 

classic

 

dating

disciplines, 

such

 

as

 

archaeology, 

anthropology,

 

nd

 

geology

 

event

 

dating),

 

t

 

gives

 

n

 

empirical

 

orrection

 

iinction

 

or

 

he

 

imple

 

adio-

 

carbon ge s 

BP)

 derived ro m he irst order decay 

relation. 

or

 

olar

 nd geophysics nd elated disci- 

plines,

 

it

 

gives th e 

potential fo r

 th e

 quantitative investi-

 

gation 

of 

th e 

causes

 

of 

th e 

variations.

 

The  N obel

 

Symposium 

serves as

 

rich resource fo r

 

information about

 

th e natural 

'^ C

 variations.

 A n

 

excel- 

lent exposition of

 

th e hree prime causative actors s 

given by  Hans Suess 

Ref

 12], pp . 595-605). These 

are:

 (1 ) 

hanges

 n

 

he *€

 

production

 

at e ue 

o

 

changes

 

he 

ntensity

 of

 

th e

 

earth's]

 geomagnetic

 

field; (2)... modulation 

of th e

 cosmic-ray flux by  

solar

 

activity; 

3)

 hanges n

 

he geochemical adiocarbon 

reservoirs an d rates of carbon transfer between them.

The  major 

departure

 (ca. 10

 

% )

 seen 

in

 Fig.

 

5

 

is

 

consid- 

ered to be

 

du e

 

to

 

th e

 

geomagnetic

 

field,

 

corresponding 

to

 

a

 factor of tw o 

change

 in 

its

 

intensity

 over th e past 

8 0 0 0

 years 

15] .

 This 

ha s

 given major impetus 

to

 he 

science

 

of archaeomagnetism.

 

The other wo

 

actors 

are

 

onsidered 

esponsible or

 he

 

artly eriodic 

fine  structure 

exhibited n he

 

curve,

 

with arying

 

19 1 

Page 8: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 8/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

RADIOCARBON

 

AN D SOLAR 

ACTIV ITY

 

lOM 

1100  1150 

1200

 1iO 

1300

 :9S0

1400

 4S 0  ISOO

 55 0

 

60 0

  1650  1?0C

 

7S 0  ISQO 

It60

  190O 

A ir

 

temperatures, eastern Europe 

1,000 800 600 400  200

  T O D A Y

 

YEARS A G O  

CLIMATE  

Fig. 

6.

 Radiocarbon 

Variations

 

an d

 

Climate:

 

the

 influence of

 

solar activity (sunspot

 

record) 

(top)

 

on

  C concentrations (cosmic ra y production 

rates)

 

an d

 

climate

 

(Maunder

 

Minimum

 

temperature

 

record)

 

(bottom)

 

[15,

 

6].

 

amplitudes 

of 

about

 %

 to  

2

 

% .

 

See

 

Figs.

 

, 2 

in

 

th e 

Suess rticle, espectively, 

or 

plots of 

th e

 irst

 order

 

(geomagnetic) 

an d

 second order 

(fine

 

structure)

 devia- 

tions from the ideal exponential decay function 

("radio-

 

carbon

 age")-) 

fascinating 

link

 

exists

 between dendrochronology

 

an d

 adiocarbon

 ge ,

 elated

 o

 

limate.

 

That

 

s,

 

re e

 

rings by  their 

width

 time series, like 

ice

 cores by  their 

'*0

 

time

 

eries,

 

give 

insight

 

into 

ancient

 

climate

 

16].

 

This, 

in

 

turn,

 m ay  

be  linked

 

to

 

th e

 

aforementioned   *€ 

variations 

ro m 

hanging 

olar 

ctivity nd/or

 varia- 

tions n 

eochemical

 

eservoirs.

 ig . 

epresents

 

famous example of th e inter-relationships among solar 

activity (sunspots), 

natural

 radiocarbon 

variations,

 an d 

climate 

(Ref.

 

[15],

 

Fig.

 

5a ;

 

Ref.

 

[16] ,

 

p.

 615). 

The upper

 

part

 of

 

th e

 

igure

 

hows

 he orrelation

 

between he 

sunspot

 record (circles, 

an d

 

ca . 

1  year cycles) 

an d

 th e 

* C

 

variations.

 

The period of  lo w

 

olar ctivity,

 

nd 

correspondingly 

increased

  * C

 

activity,

 

peaking at 

about

 

1500 

AD

 

nd

 

70 0 

AD

 s triking. 

The

 

ower

 

part

 

of 

th e igure uggests  trong ink

 

o

 lobal limate, 

represented

 here 

by

 th e

 "little 

ice

 age."

 

4. 

The Bomb 

Atmospheric nuclear testing 

ha d

 

n

 

unintended

 bu t

 

profound

 

mpact on 

* C

 

geoscience.

 

t

 pproximately 

doubled 

th e

 

* C

 concentration in atmospheric C O j , an d 

consequently

 

in

  living

 

matter, 

by

 

th e

 

mi d- 1960s .

 

This

 

came

 

bout 

because

 neutrons 

eleased

 

ro m

 

nuclear 

fission 

(o r

 

fusion)

 react with atmospheric nitrogen by

 

exactly

 

th e same 

reaction,

  ^N(n,p)' '*C, 

as

 th e secondary 

neutrons from  cosmic rays. The  " bomb pulse ofexcess 

* C

 was ecorded 

n

 ll parts of th e iving 

biosphere,

 

from  

vintage 

wine

 

[17]

 

to

 contemporary

 

tree

 

rings 

[18] .

 

It

 

w as

 characterized by  

a

 sharp injection 

of

 

' *€

 in th e 

early 

960s, 

ollowed by relatively slow geochemical 

decay 

after

 th e imited atmospheric) nuclear test ba n 

treaty. Totally ne w

 

nd  unanticipated

 opportunities 

o

 

perform

 

global

 

racer

 

xperiments

 

esulted

 

ro m

 

hi s

 

192

 

Page 9: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 9/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

90 0

 

80 0

 

70 0

 

60 0

 

50 0

 

400 

30 0

 

20 0 

10 0 

0

 

-100

 

1950

 

1960

 

1970

 

Y E A R  

1980

 

1990

 

Fig.

 

7. nput function

 of

 excess

 ("bomb")

  C :

 a

 global

 tracer

 fo r

 carbon

 cycle

 

dynamics

 

in the  atmosphere, biosphere, an d oceans [19].

 

sudden,

 widespread

 

injection

 of 

anthropogenic 

*€

 into

 

th e biogeochemical system. 

4.1  Excess C as 

Global

 

Geochemical Tracer 

An 

extensive

 

world-wide

 

program

 

of

 

monitoring

 th e

 

excess

 

tmospheric

 

' ^COj

 

egan

 

ith

 

he

 

nset

 

f

 

nuclear testing an d 

continues

 today. Results of precise 

measurements of

 

the nput 

unction

 

or 

xcess

 

' ^COj 

ar e hown n 

Fig. 

Ref[19]; 

Ref 20] , hap. 1, 

(I. Levin, et

 al.)).

 U se of this known

 

pulse of

 excess

 

*€

 

as

 

a

 tracer 

ha s

 allowed scientists 

to

 study exchange an d 

transport processes 

n

 he 

tmosphere,

 he 

biosphere,

 

an d

 

th e oceans

 on 

cale

 

ha t

 

would

 otherwise 

have 

been nearly 

impossible.

 

Simple

 visual xamination 

of

 

Fig.

 

7

 shows, fo r 

example,

 that th e excess atmospheric 

' ' ^C  

injected

 

in 

th e 

northern

 

hemisphere

 

gave an attenu-

 

ated signal

 

n

 th e

 outhern

 

hemisphere, 

nd  that

 there

 

w as

 

la g time 

of 

approximately 

2

 

years. 

Nowhere 

ha s

 he 

b omb

 pulse been 

mor e

 mportant 

than n urthering our understanding 

of

 

th e

 dynamics 

of th e ocean. A comprehensive program G E O S E C S : 

Geochemical

 

Ocean 

Section

 

Study)

 

to 

follow

 th e

 plume

 

of

 

excess

 

*€

 

as

 

it

 

diffused

 

in

 th e

 

Atlantic 

an d

 

Pacific

 

oceans

 wa s 

initiated

 

in

 th e 

970s.

 A small example 

of

 

th e findings is given in 

Fig.

 , where we 

find

 

a

 nearly 

uniform  

distribution

 below th e mixed layer,

 indicating

 

rapid

 

vertical

 

transport

 

in

 the 

North

 Atlantic, in 

contrast

 

to

 

mode l

 predictions 

19,

 

21].

 The  

scientific

 impact 

of

 

this massive tracer study of ocean circulation  is 

trik-

 

ing, onsidering,

 

or 

xample,

 he ne w knowledge t 

brings regarding th e 

effects

 

of 

th e 

oceans

 on pollutant

 

an d

 heat transport 

an d

 

climate

 

[22].*

 

4.2

  The

 

Second

 

(Geochemical) Decay Curve

 

of 

C: Isotopic-Temporal Authentication 

Geochemical elaxation of th e xcess tmospheric 

* C

 

fter

 

bout 

970

 

ha s

 esulted 

n

  econd short- 

lived)

 "decay 

curve"

 

fo r

 

* C

 

(tail

 

of th e

 

input

 

function. 

Fig.

 ).

 This

 

ha s

 made possible

 ne w

 

kind

 

of

 

radio- 

carbon dating, where modem 

rtifacts

 nd 

orgeries,

 

food

 

products,

 forensic biology samples, 

an d

 industrial 

bio-feedstocks

 

can be

 dated

 

with

 near annual resolution 

[24].

 

As

 

result 

of th e ne w 

submilligram measurement

 

capability Sec.

 

),

 

hort-term adiocarbon

 ating

 

s

 

beginning o 

chieve

 

ommercial

 mportance, 

s

 

exemplified

 

y

 

ts

 

pplication

 

o

 

he

 

ual

 

sotopic 

( C,  * C )

 

fingerprinting an d time

 

stamping

 

of industrial 

materials. 

A ase

 

n point

 

s

 

he

 

ooperative

 

esearch

 

nd 

Development

 

roject

 

etween he

 

NIST hemical 

Science

 

nd Technology Laboratory nd he DuPont 

Central

 Research 

nd

 Development Laboratory

 

25].

 

Th e dvent 

ccelerator  as s pectrometry, s iscussed n

 

Sec. of 

this

 rticle, ha s given a major boost to ou r knowledge  of 

ocean irculation. nformation ained hrough he E O S E C S 

program 

ha s

 been greatly amplified 

in

 

the

 

W o rl d

 O cean Circulation 

Experiment

 

W O C E ) ,

 

where

 

equisite

 

ample

 

izes

 

were

 

educed 

from

 

2 0 0 L

 of

 se a

 water 

each, o es s

 ha n L;

 nd

 

the

 

cean

 

circulation atabase grew by more ha n 0 0 0 0 ates uring he

 

1990s [23]. 

19 3 

Page 10: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 10/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

A^H( )

 

50 0 

1000

 

1500 

2 000 

Z50D 

3000 

3 500

 

4000

 

4500

 

goo

 

100 

—I

 

 

prS-EMHTlt) 

-100

 

1972

 

10 0

 

00 

model 

OEOSECS

 

7  

N AlloMic 

l l

 

j

 

—/w 

Fig. 8.

 

xcess

an d ocean 

circulation

 

( G E O SE C S) . 

M od el

 

(left)

 

an d 

experimental 

(right)

 

vertical

 

transects

 of

 bom b

C  

in the  North 

Atlantic 

[19].

 

The goal

 

of the 

project was

 to

 demonstrate

 th e capabil- 

ity o 

uthenticate

 

nd

 

at e

 

enewable

 

biosourced) 

feedstocks, hemical ntermediates, nd

 

inished 

industrial

 

products

 

using

 

high

 

ccuracy

 

dual

 

sotopic 

( C- 'C)

 

fingerprinting,

raceable

 

o

 

IST.

 

he

 

specific roject, s 

utlined n 

Fig. , w as 

irected

 

toward th e unambiguous

 

dentification of th e 

opoly-

 

mer polypropylene  terephthalate  (3GT)) produced from  

th e biosourced  monomer ,3-propanediol 

3G),

 which 

w as

 derived

 from

 

com as

 

feedstock.

 

(Terephthalic

 

acid 

(TPA) 

erved

 

s

 he omplementary

 

onomer.) 

Isotopic discrimination was ssential because 

it

 is not 

possible hemically 

o

 distinguish he biosourced 3G  

an d GT ro m 

xisting

 

ndustrial

 

materials

 ha t

 

re 

fossil

 feedstock 

(petroleum) based.

 

The

 

ability to estab- 

lish  nique sotopic ingerprint or

 he

 uPont 

biotechnology  materials was  critical fo r th e 

identifica-

 

tion

 

of

 

th e

 product

 

s

 

unique

 

omposition

 

of

 

matter,

 

an d 

o

 rack

 t 

n

 omme r c e .

 The 

work 

epresents 

frontier 

of 

high 

ccuracy,

 

dual

 

sotope

 

metrology,

 

with 

'^ C

 ata 

Mr < 0.01% )

 erving o 

iscriminate

 mong

 

different

 photosynthetic cycles, 

an d

  *€ 

data

 {u, <

 

0.5  

% )

 

serving 

both

 fo r 

quantitative

 fossil-biomass 

apportion-

 

ment

 

an d

 fo r

 

dating 

th e

 

year of

 growth 

of th e

 biomass

 

feedstock.

 

graphical

 summary  of th e results of th e project is 

presented 

n

 

Fig.

 0,

 

which

 

hows he

 

dual sotopic 

signatures f

 

he opolymer

 

3GT) nd

 

bio-sourced 

1 94 

Page 11: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 11/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Corn  Petroleum 

i

 

Glucose 

Xylene

 

i

 

1 , 3-Propanediol 

H O C H 2 C H 2 C H 2 O H

 

Biomass Carbon

 

[3G] 

Terephthalic Acid 

H O O C

 —̂—C O O H 

Fossil

 Carbon

 

[TPA] 

Polymerization 

O

 

I I

  /=x 

I

 

-t 

C

  ^̂ C

OCH2CH2CH2O^ 

[3GT] 

Polypropylene

 

Terephthalate 

Fig. 9. olypropylene Terephthalate: biomass 

an d

 fossil feedstocks. Th e 

,3,

 propane- 

diol

 mo no me r is derived from  a renewable (biomass) feedstock vi a laboratory biotech- 

nology:

 conversion

 

of glucose 

or comstarch

 using

 

a

 single

 microorganism.  

Th e 

copoly- 

m er

 ha s potential 

arge

 

v olum e

 

demand, nd

 is 

useful

 

s

 

fiber, ilm,

 particle, 

nd

 a 

molded article

 

[25].

 

monomer (3G);

 

as well

 

as values

 fo r

 

isotopic

 

reference

 

materials (SI: 

SRM

 

4 9 9 0 B

 

[oxalic 

acid]; 

S2 :

 IAEA

 C 6 

[ANU ucrose];

 

3:

 RM 649a 

urban dust]).,

 

nd 

pre-existing

 

materials 3G', 

G").

 he

 

ashed

 

ine 

joining 

th e copolymer

 

en d

 

members 

(3G,

 

TPA)

 demon- 

strates 

sotopic-stoichiometric

 as s 

alance.

 

ec- 

tangular

 egions

 n

 ed

 

define

 he scope 

of

 claims" 

(authentication 

regions)

 fo r th e 

ne w

 isotopic 

composi-

 

tions. Th e blue  x in th e figure 

represents

 data fo r an 

independent 

atch

 f

 

he monomer—sent 

o

  IS T 

blind to

 

test

 

th e

 

validity

 

of 

th e

 

authentication

 

region

 

fo r bio-sourced

 

G.

 

he

 

esults

 

ho w

 both

 

ha t

 

he 

test was

 uccessful

 nd ha t he 

eparate

 production 

batches of th e 3G monomer

 

ha d

 unique

 isotopic signa- 

tures. 

he pproximately en-fold xpansion 

of

 

th e 

isotopic 

data

 or

 

wo ndependent batches 

A,

 

B)

 

of

 

corn-glucose

 

bottom

 

ight)

 

emonstrates

 

he

 

ual 

isotopic discrimination capability 

of 

th e 

technique. n 

fact,

 

using  th e short

term  

decay

curve

 

of  * C

 

(Fig.

 11), 

it

 w as possible to date he wo batches 

to

 he  nearest

year of

 

growth, 

99 4

 A) nd 

99 6

 B) , espectively. 

(Standard

 

uncertainty

 

bars

 

shown.) 

5.  Anthropogenic

 Variations; Trees 

Pollute

The

 

achievement

 

of 

high

 precision,

 

lo w

 

background

 

counting,

 

iscussed

 

n

 

ec .

 

,

 

ed

 

lso

 

o

 

he

 

irst 

isotopic evidence of

 

global pollution with fossil COj— 

named

 

he

 

Suess

 

ffect,"

 

fter ts

 

iscoverer. 

dramatic

 

monotonic 

drop

 n

 he 

'^C/'^C 

atio

 n

 re e 

rings

 beginning 

in

 th e 

late

 

9th

 century, reflecting  th e 

19 5 

Page 12: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 12/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

1.7 

1.4

  -

 

1 . 1  

-

 

^

 

0 ,8  

0 ,5

 

-

 

0 .2

 

-

 

TPA  

-0.1 

-

  biomass-C 

3G  

S2_

 

Glucxjse

 

S3

 

_

 

3G '  (c)

 

„.

--

(d ) 

S1

 

--.'•

 

--

 

/••-••

{b ) 

(a )

 

3G T .^'' 

3G (e )

 

fossi l -

 

-2 9  -2 6  -2 3  -2 0   -1 7  -1 4  - 1 1  

0.33 

0.31

 

0,29 

0.27 

1.20 

-25.5

  -24.5   -23.5  

[B ] 

[A]

 

Glucose (a ) 

10.5

  -10.1 

-9.7

 

-9.3

 

:13 

(3'X(permil) 

Fig.

 

10 . 

Unique 

Isotopic

 

Signatures:

 

the

 

-

 

plane

 

[25]. Th e main

 

panel shows

 

dual isotopic

 

signatures

 

f:or

 

(1 ) NIST (SI,

 

S3 )

 

an d IAEA

 

(S2)

 

traceability standards, an d (2 ) glucose from  biomass (a), the  ne w bio-sourced mo no me r 3G  (b)  (from cornstarch), the  resulting 

copolymer

 3G T

 

(d),

 an d

 

pre-existing

 

products 3G', 

30

(c, e).  Expanded views of 

the

 authentication

 

regions (red

 

rectangles) fo r

 t he

 copolymer 

(left)

 

an d

 mo no me r 

(center) 

are

 given 

in

 

the

 bottom panels, plus =  10-fold expansion 

(right)

 of 

the

 isotopic  data fo r independent

 

batches 

(A ,

 B)  of a biomass feedstock 

(glucose from

 

com). 

Th e

 

blue

 

x

represents  a

 

blind 

(3G)

 validation 

sample.

 

use  of coal 

during

 the 

Industrial

 Revolution, showed 

a

 

2 .5

 

%

 

ossil

 

arbon 

dilution

 effect 

by

 th e

 

950s

 

Ref

 

[12],

 

p. 89), 

fter

 

which

 

t

 

w as 

clipsed

 

by

 

he

 

vast

 

injection

 

of  bomb arbon. Thus began

 till 

nother 

field

 

of'

*€ science: th e investigation  of anthropogenic 

variations,

 

articularly 

s

 elated

 

o

 

nvironmental 

pollution. 

5.1

 

Fossil-Biomass Carbon Source Apportionment 

Research

 

on

 

mor e pecific ocal r

 

ven

 egional

 

carbonaceous

 

pollution

 

began

 

lowly,

 

because

 

of

 

th e

 

massive

 amples

 

equired.

 

Heroic 

ampling fforts

 n

 

th e 

late

 950s demonstrated  

th e

 principle  by  measure- 

ments

 f particulate arbon

 

pollution

 

n U.S. rban 

atmospheres

 2 6,

 

7]. 

After

 

apse 

of

 tw o 

decades. 

1 96 

Page 13: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 13/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

1.6 

1.5

 

^

1.4 

\

\l

~  

VK^^  ̂

1 ,2

 

^^^ '̂''̂ -̂̂  

LI 

-

 

'̂̂ '̂ * ̂ ~ -̂-.

 

1.0

 

. .

1970

 

19SU

 

199(1

 

2000

 

Fig.

 1. hort term

 

decay

urve,

 epresenting geochemical elaxation of excess 

atmospheric ro m  nuclear testing

 Levin

 

et

 l.,

 n

 (Ref 

19]; 

Ref

 

20],

 Chap. 

31). 

Information 

critical for the discussion

 

in

 

Sec. 

7.2.1 

is indicated by

 

the

 

arrow—namely, the

 

sampling 

date

 an d corresponding biomass  C enrichment fo r SR M 649a (urban dust).

 

research

 

in this 

area

 

was

 renewed

 by

 th e

 

author, 

stimu- 

lated 

by  975

 rticle

 

Science eporting 

ha t

 he 

culprit fo r 

a

 severe case 

of 

urban pollution 

in

 tidewater 

Virginia might be hydrocarbon 

missions 

ro m rees 

[28] .

 Th e

 

vidence

 was 

hemical 

nd ontrovertible: 

plausible,

 

but

 

ircumstantial

 

vidence

 

uggested

 

ha t 

th e

 

ir

 pollution wa s

 

ue o hydrocarbon missions 

from  trees ather from automobile  exhaust or evapora- 

tion from

 nearby

 industrial an d

 

military storage

 

tanks. 

The rticle 

oncluded

 

ha t

 

th e

 

elatively unsophisti-

 

cated

 

monitoring f

 

organic] ollutant oncentra- 

tions ... will rarely be ofvalue 

in

 identifying [pollutant] 

sources 

.. "

 

Recognizing

 

mmediately ha t *€ ould 

function 

as

 

an 

undisputed 

discriminator,

 

w e

 decided

 to 

design miniature  lo w level 

counters,

 

capable

 

of

 

meas-

 

uring

 

just 

10

 

m g

 

carbon

 samples, 

mor e

 than tw o 

orders

 

of

 

magnitude

 

smaller

 

than

 

those used in

 

th e tw o

 

earlier 

studies.

 Apart

 from

 forest 

fires,

 

we

 found

 that th e trees 

were

 

not

 th e prime 

culprits,

 except fo r

 

th e 

case

 where

 

humans  er e

 using he

 

rees

 

or 

uel

eview

 f

 

research 

in

 this 

area

 

in

 th e ensuing 2 0 years is given 

in

 

Ref 

[29] .

 

O ne

 llustration

 of

 

*€

 

erosol

 

cience

 

s

 given

 n 

Fig. 2.

 

t

 

is

 drawn 

ro m

 perhaps he most xtensive 

study 

to

 date of urban particulate  pollution using

 * C .

 

The multi-year, multidisciplinary study of th e origins of 

mutagenic

 

erosols

 n

 he

 

tmospheres

 

everal

 

U.S.

 

ities,

 

ocussed

 

n

 

Albuquerque,

 

ew

 

Mexico

 

during th e winter of 1984-1985. The  photos 

show

 th e 

tremendous impact on

 

visibility from  particulate

 pollu- 

tion 

from

 rush hour traffic.

 Results

 of th e tw o month 

study of particulate  carbon proved that daytime pollu- 

tion 

up

 

o

 ~ 65  % ) w as dominated by mot or vehicle 

emissions

 fossil arbon), 

nd ighttime

 

ollution 

(u p

 

o

 

~

 

95 

% ),

 

by

 

residential

 

woodbuming

 

biomass

 

carbon), with th e mutagenicity 

(potency)

 

of

 th e mot or 

vehicle particles mor e severe by  

a

 factor of three 

[30].

 

Particulate 

carbon

 

aerosols

 

are

 

no w

 widely

 recognized 

as

 

an 

extreme

 health 

hazard

 

in

 a

 number 

of 

U.S. cities;

 

an d

 except fo r periods dominated  by  

wildfires,

 major 

studies ncluding *€

 

measurements

 

av e

 

roduced 

incontrovertible vidence ha t

 

he rban pisodes 

re

 

dominated by

 fossil carbon,

 

largely

 

from

 mot or

 

vehicle

 

exhaust 

[31].

 

Quantitative

 

pportionment 

of

 natural

 

nd nthro- 

pogenic

 sources

 

of

particulate

 carbon, 

methane,

 

carbon

 

monoxide,

 

nd

 

olatile

 

rganic

 

zone

 

recursors

 

n

 

th e

 

tmosphere,  eanwhile, 

as

 

ee n 

ignificant

 

expansion 

hanks

 o 

he

 ensitivity nhancement 

of ccelerator

 

as s pectrometry AMS) 32 , 

3].

 

Most recently, 

with

 th e mergence of

 

micromolar '^ C  

A M S ,

 

nd G C / A M S ,

 

he 

bility

 o

 

date

ndividual

 

chemical 

fractions

 

in

 small 

samples is 

having

 

important 

impacts

 on both artifact ag e accuracy,

 

nd  our under- 

standing f perturbations f he uman nd

 

natural 

environments

 y 

ossil

 

nd iomass

 

arbonaceous 

species.

 

(See

 

Section

 

7) .

 

1 97 

Page 14: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 14/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

1 3  

Fig.

 2.

 Anthropogenic variations:

 

ossil-biomass carbon  

apportionment

 

of particu- 

late

 

ir

 

pollution

 

in 

Albuquerque,

 

New

 

Mexico.

 

Photos

 

howing

 

visibility

 

reduction

 

in

 

early morning 

(top)

 an d mid-afternoon (bottom)  

are

 courtesy of R .K . Stevens 

[30].)-

 

measurements quantified tmospheric

 oot

 

ro m

 motor vehicles

 nd

 esidential wood- 

burning, 

an d 

helped apportion

 

concomitant 

data on 

particulate  

mutagenicity.

 

198

 

Page 15: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 15/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

6.

  Accelerator Mass

 Spectrometry

 

6.1

 

he

 

Invention 

The econd revolution n * € measurement cience 

w as

 

he 

discovery 

of a

 means

 o 

ount

 * C atoms,

 

opposed 

o *€

 

decays

 

beta 

particles). The

 

potential 

impact

 

on

 

ensitivity was

 

arly 

ecognized:

 nverting 

th e first order nuclear decay relation,  one finds that th e 

ratio of th e

 

number

 

of

 

' *€ atoms 

to

 th e

 

number

 

of ' *€ 

decays

 

fo r

 an y

 

given

 sample

 

is

 

simply  T/t), 

where ris

 

th e

 

mean life (8270 

fo r 

'

*€), an d 

t

 is

 

th e counting

 

time 

used fo r measurement of th e 

disintegrations.

 Allowing 

for

 

he

 

ifference

 

n

 

elative

 

etection

 

fficiency

 

between AM S

 

an d

 

low-level

 

counting, and 

setting

 i to 2

 

d, 

gives

 

sensitivity

 

enhancement 

of

roughly 

lO'',

 in favor 

of

 

AMS. hi s

 mplies

 

ating 

apability

 

ub -

 

milligram  amounts of

 

modem carbon. 

The 

rize

 f radiocarbon 

ating

 t

 

he 

milligram

 

level 

as

 

o

 reat

 

ha t

 major 

fforts ere

 

ad e

 

to

 efine mass

 

pectrometric echniques

 o

 ender th e 

1. 2 X  10"'^ 

'*C/'^C

 ratio 

of

 modem carbon measurable; 

but,  like Libby's initial 

attempt

 

to

 

count

 

natural

 radio- 

carbon

 without nrichment), atural

 * €

 roved

 

unmeasurable

 

y

 

onventional

 

as s

 

pectrometry. 

Impediments ro m

 

molecular

 

ons 

nd 

he xtremely 

close sobar 

' '*N:

 m/m  .2x10 ^) ere ver- 

whelming.

 Success

 

came

 in

 1977,

 

however,

 when

 high 

energy

 

megavolt)

 

nuclear 

ccelerators 

were used s 

atomic

 io n mass spectrometers 34-36]. 

Tw o

 measure-

 

ment ideas 

held

 th e 

key:

 

1 )

 Negative carbon ions are 

produced by 

a

 sputter io n source, using 

graphite

 

as

 th e 

target. 

(2 )

 Following lo w energy mass selection,  atom- 

ic nd

 molecular negative

 ons re 

njected nto

 n 

accelerator tube with 

a

 megavolt 

potential.

 The  major 

isobar is eliminated because nitrogen 

does

 

no t

 form  

a

 

stable negative on . Passage of th e high nergy 

on s

 

through

 a 

stripper

 ga s

 

or foil

 

destroys all molecular ions 

through th e "coulomb explosion," 

leaving

 

only

 

atomic 

carbon ions 

in

 th e + 3

 or

 

+ 4

 

charge

 

state.

 

'*C/'^C

 ratio 

measurements down 

to

 ca. 0"'^ ar e thus made possible. 

Typical

 

ample

 

izes

 

re

 

.5  

m g

 

o

 

m g;

 

modem

 

carbon 

yields

 

0 0 0

 ounts 

ust  ew

 

minutes; 

an d 

nstmment

 

ackgrounds

 

re

 

egligible

 <0.2

 % 

modem, equivalent 

to

 

a

 

*€

 ag e of 

>50

 0 0 0  

years

 BP). 

A diagram of th e ccelerator at one of th e eading 

facilities 

is 

given in 

Fig.

 

37].

 

The  dramatic impact

 

of

 

high nergy

 

atomic

 

on) 

as s pectrometry

 s 

shown

 

n

 

Fig. 

4, where 

t

  is

 

lear 

that

 natural 

* C

 s 

quite unmeasurable by lo w energy (conventional) mass 

spectrometry

 

ue

 

o

 

molecular ons

 

xceeding he 

* C ignal 

y

 mor e 

han

 

ight

 rders f

 magnitude

 

(Ref.

 

[20],

 

Chap.

 

6]

Excellent

 reviews

 of

 

th e history,

 

principles,

 

nd

 

pplications

 

f A M S

 

re

 

iven

 

n

 

Ref

 20 ] 

y

  . ove 

Chap.

 5) nd . 

eukens

 

(Chap. 

6) .

 

heCATIVC IO N  

SWTTEft SOURCE  

MAGNETtC M A S S

 

ANALYZER

 

ruiituci  

EN - TA N D EM 

ACCELERATOR  

EI£CTROSTAT;C 

DEFLECTOR 5* 

MAGNETIC

 

4ASS

 

ANAL YZ E R

 

IMJUX 

surs 

Q \

 

STHlPPtft 

IIIIIIIIIIIINIIirT^^IIIIIIIIKIIIMMI

 

_ UASSC.Il 

/-

 

VMLKW

,14

 

J

l̂ ^̂ i i i i i l l l l l l l l l l l

 

ELtCTOOSTAnC

00 EI  

CDC

•^  

M : 

I

 

A C E

 

OUTPUT  

'•c/«c

 

c/'h

 

CO M P UT E R

 

H CURRENT/FREQ. h

-|CUBREHT/FIJEO~t-

  ^̂ ̂

C vENTS 

Fig. 

3.

 AMS: andem

 accelerator 

t

 

ETH,

 

Zurich.

 Negative carbon 

ons,

 produced with a 

C s 

putter 

io n

 

ource,

 

undergo ow

 

nergy

 

mass

 

resolution

 an d then are  injected into th e 4. 5 MV accelerator tube. 

Molecular

 ions are  destroyed by  the  stripper gas, an d emerging 8 M eV  C ^

 

beams of  C ,  C , 

an d

  C are  mass analyzed an d measured in current (stable C  

ions)

 an d event (  C 

ions)

 detectors [37]. 

1 99 

Page 16: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 16/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

MASS UMBER 

13

 

-1 

1  

n

 

xlO

 

-r

z

—1—

K > '

 

f-CH  3n

 

10

Kf' 

\

 

'CH-  SxlO

10-' 

\

 

r

 

^CH,- 3x10' - 

lo

X .̂Hl 

V

 

s

 

CH; 

J

 

^

 

' NH-

 

-f 

V,

 

-J

 

L _

 

_yv. 

Conventional 

M

 

a.  

/

 

Z

i 0

< J

 

-8

 

z 0

 

o

 

 

^9  

lo' 

•10  

1 0  

-

 

-n 

to  

-

 

W »

 

CONTEMPORARY

 

 

_ ^

 

n

 

-B 

' C 

0  

-  

19000 YEARS —

 

i

 

Accelerator MS  

1 0 ^

j———

019 .20 JI 

I NJ ECTOR AG NET IC 

FIELD

  (TESLA) 

Fig. 4. onventional 

top)

 s ccelerator 

high

 

nergy)

 

bottom)

 

mass

 

spectrometry:

 

/ ensitivity

 

s

 nhanced

 by m or e

 

ha n

 

ight rders

 

of magnitude hrough estruction f molecular ons an d nstable ~ )

 

(Ref 20], 

Chap.

 6). 

A s

 

noted

 

n

 

he

 

eviews

 

by

 

Gove

 

nd

 

Beukens,

 

he

 

A M S revolution ha s extended well beyond  * € , spawn- 

in g totally new research re a in ong-lived sotopic 

an d

 

ultra

 

race

 

table osmo-

 

nd 

geo-chemistry

 nd 

physics through 

its

 capability 

to

 measure 

'H,

 

*€ ,

 

^'Al, 

^ 'Cl , '*'Ca,

 an d 

\, 

and most recently, selected

 

actinides. 

W ithin 

on e

 year of th e publications announcing 

suc-

 

cessful

 

* C

 A M S , another 

continuing

 series of interna- 

tional 

onferences

  as 

om .

 

he

 

irst

 

nternational

 

A M S

 conference took

 place

 in 

1978

 

in

 

Rochester,

 N ew 

York.

 These conferences have continued on 

a

 triennial 

basis,

 

with

 each 

proceedings

 

occupying

 

a

 

special

 

A M S

 

conference

 ssue

 

of

 

th e journal, Nuclear Instruments

 

and

 Methods

 in

 Physics

 Research.

 

6.2

 

The

 

Shroud

 

of 

Turin

 

The

 

adiocarbon

 ating 

f

 

he

 

urin

 

hroud

 

arguably th e best known 

dating

 application 

of

 

acceler-

 

ator

 

mass pectrometry, t 

east o

 he 

ay

 public.

 t

 

could

  not, 

or

 at least

it

 would not have taken place with- 

out

 

A M S ,

 because most 

decay

 

beta)

 ounting

 ech- 

niques

 

would

 

have

 

consumed

 

a

 

significant

 

fraction

 

of

 

this 

artifact. 

Although 

still

 

destructive analytical 

tech-

 

nique,

 AM S required only "a  postage stamp" amount 

of

 

th e inen 

loth

 Ref. 20], 

Chap.

 

5).

 This particular 

exercise

 

s

 having 

a

 metrological mpact 

well

 beyond

 

th e radiocarbon date,

per

 

se. This

 

is

 shown, 

in

 

part,

 by 

widely

 

ccepted

 

tatements

 

1 ) 

oncerning

 

cientific

 

investigations  of th e Shroud, nd  

(2 )

 ollowing publi- 

cation

 

of  th e 

Nature

 rticle

 

nnouncing adiocarbon 

dating results 

(Fig. 5;

 

Ref [38]). 

1 : The

 

Shroud

 

of

 Turin 

s

 he ingle, most 

tudied

 

artifact 

in

 human 

history."

 

14 

2: The  

Nature 

) rticle

 

ha s ha d mor e 

mpact

 on 

Shroud

 research 

than

 

an y

 other paper 

ever

 written on

 

th e subject." 

The article,

 

which

 

was

 

prepared

 

by

 

three 

of

 

th e

 

most 

prestigious

 AM S

 

laboratories,

 

is

 available to

 the

 

gener- 

al 

ublic

 

n

 

he

  eb www.shroud.com/nature.htm).

 

Together

 with

 

public elevision 

39],

 

t

 s helping

 o

 

create

 

broad

 

wareness

 

nd

 

nderstanding

 

f he 

nature  an d 

importance

 of th e A M S measurement capa- 

bility. 

econdly, because 

of

 controversy urrounding

 

th e meaning 

of

 th e adiocarbon 

esult,

 measurement 

aspects

 f rtifact

 ating av e ee n 

iven

 

ntense 

scrutiny. Such 

scrutiny

 is quite 

positive,

 fo r 

it

 gives th e 

possibility

 

of 

added insight

 

into 

unsuspected 

phenome-

 

na

 

an d

 

sources

 

of 

measurement

 

uncertainty. 

The Turin

 

hroud s believed by many o be he 

burial loth of Christ. The documented ecord, how- 

ever, oes

 

back

 

only

 

o

 he

 

Middle Ages, 

o

 irey, 

France

 

ca. 

35 3 AD ) with

 he

 irst

 irm

 

date 

being

 

1357 

AD when 

t

 was

 

isplayed n Lirey 

hurch.

 

20 0  

Page 17: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 17/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

(b ) 

m  

Fig.

 

1 5. 

he

 

Turin

 

Shroud.

 Shown

 in the  

montage  

are:

 (15a, 

upper

 

left),

 

the

 cover

 

of 

the

 

issue

 

of

Nature

 

(1 6 February 

989) 

reporting

 the  

results 

of the

 measurements

 by

 

A M S

 aboratories

 n

 

Tucson, Zurich,

 

nd Oxford;

 

nd hree 

ingular

 eatures 

of 

the rtifact:

 

15b, 

ower

 eft),

 

th e

 

=5 0 m g dating

 

ample

 eceived 

by

 

he

 

Tucson

 

aboratory, howing

 

he distinctive

 

weave 3:1 

herringbone 

will), 

with 

dimensions bout

 

m  X  

0. 5

 cm ; (15c, upper right), th e characteristic negative image, considered by  some as  a remarkable piece of

 

mediaeval art; an d 

(15d,

 lower

 

right), 

a

 microphotograph  

by

 M ax Frei showing individual  

fibers

 supporting pollen grains of presumed unique  origin  [38, 39]. 

2 01 

Page 18: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 18/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Radiocarbon dating

 

was seen

 

immediately

 

as a

 

defini- 

tive

 

method

 o ecide 

hether

 

he

 

Lirey

 

hroud"

 

could 

have om e 

i-om

 

la x grown n he

 

st entury 

AD . Th e Shroud image, considered by  some 

to

 be  th e 

skilled work of 

a

 mediaeval artist, hows 

a

 fiill  length 

image of a

 crucified man;

 

but 

as a

 negative

 image 

[Fig.

 

15c]. ' Prior

 to

 the

AM S

 measurements, th e 

Shroud

 was 

subject 

to

 intensive examination by 

photography,

 

spec-

 

troscopy, 

rt

 an d textile analysis, nd  palynology 

38 -

 

40].

 

The 

unique

 herringbone twill 

[Fig.

 5b ]  is

 

consid- 

ered

 onsistent 

with

  st Century

 ate; 

nd pollen

 

grains

 

found

 on th e cloth 

[Fig.

 5d ] 

are

 

stated

 by 

M ax

 

Frei 

to

 have originated Irom  

a

 plant found only in th e 

region

 

of 

Jerusalem.

 

Radiocarbon

 

dating

 

of

 

th e

 

loth,

 

however,

 yielded result 

of

 

126 2 o 38 4

 

A D 9 5

 

confidence 

interval)

 

[38].

 

Apart

 from  sampling,'" the AMS measurements were 

performed taking th e strictest quality 

control

 measures. 

Figure 

5c 

an d 5d

 

images

 

are

 

from the

 documentary

 

prepared 

by

 

the  British Broadcasting Corporation which is hereby acknowledged

 

[39]; Fig. 

5b

 is courtesy of D.  

J.

 Donahue. 

Th e

 critical, non-AMS 

issue

 relates 

to

 

sample

 

validity.

 

Th e

 

origi-

 

nally

 greed 

upon

 

ampling

 protocol wa s o

 

have 

nvolved

 even

 

laboratories,

 

wo

 measurement 

techniques decay

 

an d

 

atom AMS]

 

counting), an d multiple samples representing different regions of the  

cloth.

 Shortly before 

the

 event, however, 

the

 scheme 

was

 changed to 

restrict he number 

of laboratories al l 

A M S)

 

nd

 

he number 

of 

samples o hree, 

al l

 

aken

 

from

 

he

 

am e ocation. 

he 

ampling 

location,

 near

 

a

 comer 

of

 the

 

Shroud,

 

an d 

near

 an

 

area

 

damaged by

 

the 

ire

 of 

53 2

 AD , s onsidered 

n

 unfortunate hoice, because

 

of 

the

 possibility of exogenous arbon ro m 

he

 

ire,

 epairs, 

nd

 

organic contamination from

 

handling

 

through

 the

 

ages

 [40, 41]. 

Organic

 contamination cannot be  

dismissed.

 Recent observations 

indicate

 

the  

presence

 

of

 

a

 

bacterially-induced

 

bioplastic coating

 on

 

Shroud ibers, s ha s ometimes been ound n m u m m y wrapping

 

fabric

 

(leading

 

to

 

ertoneous

 

dates).

 

According

 

to

 

[42]

 

(Gove,

 

et

 

al.),

 

such bioplastic contamination would not have been removed 

by

 

the

 

conventional 

pre-treatment

 methods applied 

to

 

the

 Shroud samples. 

Qualitatively,

 

such

 contamination would 

lead

 

to

 a 

more

 recent 

date;

 

quantitatively, 

if

 the  

contamination 

were all from

 

the

 6t h

 Century, it

 

would need to represent roughly 70  %  of the  carbon present,  to shift

 

a irst entury 

ate

 o he bserved esult. Fo r ecent, 

at e

 0 th 

Century contamination, oughly 40  % ontamination carbon would 

be  required.) n a 

20 0 2

 review 

article

 posted 

to

 

the

 shroud  website, 

www.shroud.com/pdfs/rogers2.pdf, 

38], ogers nd moldi

 

question the  bioplastic hypothesis, on  the  basis of

 

detailed  chemical

 

analysis of fibers ro m  

the

 "Raes ample" which was aken from a 

region djacent o ha t of th e 

amples.

  uantitatively, hese 

authors suggest

 

that

 the  

coating

 

would

 

contribute  only

 

a

 few 

percent 

to he ample arbon;

 

qualitatively, 

he y believe

 ha t t 

s

 poly-

 

saccharide

 gu m  

(probably

 

G um  Arabic)

 

ha t 

would

 be

 removed 

by

 

the pretieatment hemistry. Nevertheless, Rogers 

nd

 Amoldi 

question 

he

 alidity f 

he

 ample, artly ecause f 

he

 

presence f

 

otton nd ther hemical ifferences etween 

he

 

adjacent 

(Raes)

 

sample

 

an d 

th e

 

main

 

shroud 

material.

 

Three highly 

competent 

laboratories

 

were

 

selected:

 

th e 

University 

f Arizona,

 

xford niversity,

 nd

 

he

 

Swiss

 

ederal

 

nstitute

 

f

 

echnology

 

E TH ] 

Zurich. amples

 

f he hroud,

 

lu s

 

hree

 

ontrol 

samples of 

known

 ge , were 

distributed

 blind 

o

 he 

three aboratories. Control of

 

this 

operation

 distribu- 

tion 

of samples,

 collection 

of results)

 

was

 th e responsi- 

bility

 

f

 Michael 

ite

 

f he

 

ritish

 Muse um. 

he  

accuracy nd  precision of the nterlaboratory data fo r 

th e control samples were outstanding,

 

leaving no 

doubt

 

as o

 he

 

quality 

of

 th e AM S

 

measurement echnique

 

(Fig. 

6) .

 ample-1 

Shroud) 

esults,

 

however,

 

were

 

just marginally consistent a mong the three laboratories, 

prompting

  th e

 

uthors

 of

 

Ref

 

38 ] o 

tate

 

ha t

 

it

 

is

 

unlikely 

that

 

th e

 

rrors

 

quoted

 by  

th e

 aboratories 

or 

sample-1 

ully

 

eflect he 

overall

 

catter."

 Consistent 

with th e discussion 

in

 Sec. 2, th e "'C  

ag e

 measurements 

are reported in "' '*C years BR Transformation of

 

these 

ages

 

to

 calendar

 

ages

 

m u s t

 

take 

into

 

account 

th e

 

natu- 

ral

 'C

 ariations, sing 

he

 endrochronological

 

calibration  

curve

 

[13].

 The  transformation is shown 

in

 

Fig. 

7,

 

which

 demonstrates 

also

 an interesting aspect 

of he on-monotonic alibration unction:

 

amely, 

exclusion

 of th e

 

period

 between 

1312

 

AD an d

 

1353

 

AD 

from

 

he

 

5 %

 

onfidence

 

nterval.

 

n

 

ddition,

 

n

 

interesting ink xists etween his

 

igure nd  

Fig.  Maunder Minimum), n ha t he

 

am e olar- 

activity-induced   '* C

 variations 

are 

represented.

 A c om- 

parison 

f

 

he

 wo igures 

hows

 ha t

 he 

adio-

 

carbon date

 69 1

 BP),

 

ear he

 nd

 of 

ignificant 

calibration urve protrusion 

Fig. 

7) , orresponds 

o

 

th e en d of

 

th e

 

3  th 

century

 warm  

period

 

having

 high 

solar 

activity 

(Fig.

 

6) . 

Consistency 

of

 th e

 

A M S esults 

with

 he xisting 

(Lirey) documentation seems compelling, bu t 

a

 wave 

of

 

questioning

 

ha s

 

followed—not

 

of

 

th e

 

AM S

 

method,

 

bu t of

 possible 

rtifacts

 

ha t ould have

 

ffected he 

linen

 an d invalidated  th e

 '* C

 result 

(Ref

 

40],

 

Chap. , 

Refs. 

[41],

 

[42]). 

A sampling 

of 

th e 

creative

 hypotheses 

pu t forward is given in Table 2. The  

first,

 fo r example, 

is

 

based

 

on

 

the

 premise 

that nuclear reactions

 

involving 

th e ubstantial 

mount

 f

 deuterium

 

ontained

 n 

human

 

body 

could

 produce neutrons, which

 

might 

then

 

produce excess

 

'* C  through th e 

(n,p)

 

reaction,

 making 

th e ge oo young. The proposed deuteron eactions, 

however, 

re

 

ither ualitatively

 

r uantitatively 

inaccurate—barring

 

an

 

unnatural

 

burst

 

of high

 

energy 

photons photofission). Th e hird

 

proposal aises he 

question

 

f non-contemporaneous rganic

 

atter—  

whether from ncompletely 

removed

 arbon ontami- 

nation

 

from

 

"oil,

 

wax,

 

tears,

 

an d

 smoke" 

that th e

 

cloth 

ha d 

een

 

xposed

 o, r ro m 

acterial

 

ttack

 

nd 

202  

Page 19: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 19/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

*

D'Anjou cope 

Cleopatra m u m m y 

- Nub ian

 

tomb 

Turin

 si i roud

 

4BB

 

3BB

  2 8

 

IBBB

  2B B B  24 B 

Radiocarbon

 

Ag e

 (yr

 

BP )

 

Fig. 1 6. 

M S

 dating results ( blind ) 

fo r the  Turin

 

Shroud 

(sample-1) 

an d three

 

control

 samples of known 

ag e 

samples-2,3,4), 

ro m he hree

 

A M S

 

aboratories:

 

Z Zurich) , 

O

 Oxford) ,

 

nd

 

A

 

Arizona).

 

Dates re

 

expressed as 

"Radiocarbon 

Years" before 

present

 (BP); uncertainties  

represent

 95  %  confidence intervals

 

[38].

 

1 0 5 0 

Calendar age BP)

 

850

 

50

 

450

 

300 t

900 

1100 

300

 

Calendar 

age

 AD )

 

1 5 00  

Fig.

 17 .

 

ransformation

 

of

 the

 Radiocarbon

 A ge

 

(BP)

 

to

 

the

 Calendar 

A ge AD ) 

f

 he hroud. he  C ge 

95%

 I) 

69 1 

±31) 

B P corresponds o two-valued alendar 

ag e

 s resuh of 

the

 non- 

monotonic adiocarbon dating alibration urve. As ndicated n 

he

 

figure,

 he

 projected

 

alendar 

ge

 anges

 

re : 1262-1312) 

AD

 nd  

(1353-1384) 

AD

 [38]. 

203 

Page 20: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 20/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Table 2. reative Hypotheses 

Excess

 

C

 

from

 

deuterium 

spontaneous 

fission;

 

cold

 

tusion

 

C isotopic  fractionation/ exchange 

(fire

 of 1532 A D) 

biased sampling;  age depends on  location 

Bioplastic

 

coating;

 non-contemporaneous

 

with 

linen

 

pretieatment chemistry

 

deposit over th e ges. Apart from  th e

 

ffects

 of such 

factors

 on the Shroud,

 

th e issue

 

oforganic

 

reactions an d 

non-contemporaneous contamination 

of

ancient 

materi-

 

al s

 

can be 

a

 

very

 

serious

 

an d

 

complex

 

matter, 

deserving 

quantitative nvestigation 

of

 

th e

 possible 

mpacts

 

measurement

 ccuracy.'" 

esearch

 

uestions

 f

 hi s 

sort,

 ncluding 

he

 lassic problem of 

dating

 ncient 

bone, form  one  of th e ke y stimuli fo r th e development 

of  molecular dating"—the

 

topic

 

of th e

 following 

sec- 

tion.

 

7. 

Emergence

 

of 

^-Molar 

^ C 

Metrology

 

Radiocarbon 

metrology

 is

 

at th e 

very 

m o m e n t 

in

 th e 

midst

 

of

 

still

 

nother

 

revolution,

 

nvolving

  th e

 

dating

 

(o r

 

sotopic

 

peciation)

 

f

 

pure

 

hemical

 

ractions: 

"molecular dating."

 

or trace pecies, uch 

s

 poly- 

cyclic

 

romatic

 hydrocarbons

 PAHs),

 

or

 remote,

 ow 

concentration

 samples,

 

such

 

as 

th e soot 

or

 pollen in th e

 

free

 troposphere 

or

 in 

ice

 cores, th e sensitivity of

A M S

 

is challenged 

to

 

its

 ultimate.

 n

 order 

to

 understand th e 

nature of th e 

challenge

 it is interesting 

to

 consider th e 

limiting 

factors. n

 recent 

tudy

 

t

 was

 

hown that

 

10

 %

 

oisson

 error" 

standard uncertainty)

 

an

 

achieved with 0 .9  ng modem carbon, 

whereas

 machine 

background

 is

 

equivalent

 

to

 

0 .2

 

ng

 

or

 

less

 

[43].

 

Sample

 

processing blanks, however, 

m ay ange

 ro m

 

ag

 

o

 

15

  |ag 

or

 

more,

 nd  

they

 m ay  consist 

of

 both 

biomass 

carbon an d fossil carbon 

[44].

 Thus, th e ultimate limit- 

in g actor or very mall ample AM S s he overall 

isotopic-chemical blank.

 

nvironmental studies of '

*€

 

in

 individual

 chemical compounds 

ca n

 

be

 

successful

 

at 

th e Hg 

to 0

 ng level, but only with stringent control 

of

 th e

 variability of

 

th e blank.

 

hi s is in sharp contrast 

with mall ample, ow-level ounting where he  

Poisson modem 

arbon

 imit ca.

 

3

 

m g)

 

nd ack- 

ground

 limit (ca.

 

5

 

m g 

equivalent)

 

fa r

 

exceed

 

th e

 typ- 

ical 

sample

 preparation blank (ca. 40  ng ) [29 ] ." 

Some

 

llustrations

 

f pure

 

ompound

 

dating"

 

NIST an d collaborators are 

given

 in Table 3. Th e 

first

 

item  refers 

to

 

th e

 aforementioned  

ag

 

capability,

 using

 

"dilution

 

AMS."

  For thermally stable 

species

 

uch

 

as

 

soot

 

an d

 

pollen, we

 

have

 

th e

 

possibility

 

of 

controlling

 

th e 

ample

 preparation

 

blank

 o es s

 ha n 

.2

  |ag

 

by

 

applying 

a

 "thermal discriminator"  at 

a

 

critical

 stage of 

th e

 process.

 

icrogram evel

 

^ C oot tudies have 

already 

been 

successful

 in Greenland snow; an d

 

pollen 

studies

 hold

 

great promise fo r 

ice

 

core dating,

 

an d

 

per- 

haps

 

even

 fo r 

dating

 th e pollen 

foimd

 by  M ax  Frei on 

th e

 

Turin Shroud.'^

 

An mportant

 

measurement ssue 

fo r ice ore  pollen 

relates

 

to

 th e amount needed fo r 

a

 

given 

ating recision.

 

o

 

iv e

  ough 

stimate: 

assuming 

0

 ng 

arbon 

er

 

ollen rain,  ollen

 

ag e f

 

0 0 0  years, nd % oisson mprecision 

(o=400 years); one would need 

o

 ollect bout

 

00 

pollen

 

grains.

 

This

 

might

 

be

 

ccomplished

 n 

ew

 

hours,

 using 

the

 

hand

 

picking"

 microscope technique

 

ofLongetal. 

[48].

 

14 

Table

 

3 .

 Molecular Dating (  C M S 

at

 

the

 microgram  level) 

• ilution AMS quantifies  

0 .9

 ng modem

 carbon

 

( 1 9 9 9 )

 

-

 oot/

 pollen

 

blank

 controllable  to 

-0.2 ng

 (o 

=

 60  ng )

 

- hallenge: dating pure pollen grains from the  Shroud

 

• ossil  nd biomass aerosol sources characterized  in remote 

atmosphere/

 

cryosphere (2.9  ng

 

biomass soot

 

quantified) 

 

ndividual 

amino

 

acids

 

dated

 

in 

ma mmo t h

 bones

 

(LC/AMS)

 

• ndividual 

poly

cyclic aromatic hydrocarbons dated in atmo-

 

spheric particles 

an d

 marine sediment (GC/AMS) 

There is a

 profound

 difference between 

background-limited

 decay

 

counting 

an d

 blank-limited A M S, that m ay  no t 

be

 widely appreciat- 

ed . Although 

the

 ultimate imitation in each 

case

 s B"  variability, 

when B represents

 the  

instrumental background 

it

tends 

to be

 reason- 

ably

 

well

 controlled,

 and under th e 

best of

 

circumstances,

 

Poissonian 

[45]. An  extia degree

 of

 caution is needed, however,  

when

 the  limit-

 

ing   B is 

an

 isotopic-chemical blank. A t best, it might 

be

 assumed

 

normal;

 

then

 

replicate-based

 

detection

 

tests

 

an d

 

confidence

 

intervals 

ca n

 

be  constructed

 

using Student's-t. If

 

the

 blank 

does

 not

 

represent 

a homogeneous 

r

 stationary 

tate

 

as

 reagent 

blank,

 well-mixed 

environmental 

or

 biological

 

compartment,  

etc.),

 

such tests

 

an d

 

inter-

 

vals an

 

be otally misleading. 

Non-stationary 

blanks m ay 

xhibit 

(geochemically meaningful) structure, or they m ay

be

 ertatic, reflect- 

ing

 a transient source of

 

contamination [46]. 

12 

Molecular

 dating"

 of 

the

 pure cellulose fraction of 

the

 

Shroud,

 

or

 

of the

 associated

 pollen,

 could

 

furnish

 an 

interesting

 

consistency

 

test 

for the

 published radiocarbon 

date. t would

 

be

 

especially

 

interest-

 

ing  to pu t 

a

 "time stamp" on pollen whose point of origin ha s already

 

been

 scribed o  ocation 0 

km

 o 0 km as t 

nd

  es t f 

Jerusalem [47]. 

uc h 

measurements are  

made

 feasible

 by the  

reduc- 

tion

 of 

requisite

 

sample

 

sizes

 

by

 

a

 

factor

 

of 

te n

 

or

 

more,

 

from

 

what

 

AM S

 

dating

 equired

 ixteen

 

years go . Th e 

question of

 non-

 

contemporaneous iber ro m 

6t h

 entury epairs, or xample,

 

could 

be

 ddressed by ne w measurements n just 00  

xg

 of 

fibers 

(=50,

 cm  linen 

fibers)

 from  

the

 main

 

part of 

the

 

Shroud.

 

Th e

 

expected standard

 

uncertainty

 

would

 be

 equivalent

 to

 approximately 

12 0 radiocarbon

 years

 

([43],

 Eq .

 ).

 

20 4 

Page 21: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 21/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

7.1  Long-Range 

Transport

 of Fossil

 

and

 

Biomass 

Aerosol 

Ongoing

 

multidisciplinary,

 multi-institutional  research 

on oot articles n 

emote

 nd aleo-atmospheres, 

which s 

bsolutely

 

ependent

 

n

 he mall ample 

dating

 apability, s ndicated n ig .

 8.

 

he

 

pper 

portion of th e figure relates 

to

 

climate

 

oriented

 research 

on he ources nd ransport f ossil nd iomass 

aerosol

 

o

 

he 

emote

 Arctic 

49];

 

he

 ower

 

portion

 

relates 

to 

atmospheric and paleoatmospheric

 

research at

 

Alpine

 

high

 

altitude 

stations

 

an d ice cores

 [50,51]. 

In 

th e 

remainder of this section we present some 

of

 th e high- 

lights

 

an d

 

measurement

 

challenges

 of

 

the

 

first

 

project, 

on

 th e

 

long-range

 transport

 of 

carbonaceous particles

 to 

Summi t ,

 

Greenland.

 

Cooperative  research on this project, between NIST 

an d he Climate Change Research Center t he  

University of 

N ew Hampshire

 (UNH),

 

began 

in

 994. 

It 

was catalyzed by  th e discovery

 ofan 

unusually  heavy

 

loading of 

soot

 on

 on e 

of th e

 ir

 filters used or  'Be 

sampling

 at Summit, Greenland by  Jack Dibb of UN H 

[52] .

 Th e Summi t soot

 

ha d been 

ascribed 

to

 th e combi- 

nation

 

of

 intense boreal wildfire ctivity 

n

 

th e ower 

Hudson's

 

Bay

region

 

of

Canada

 

an d

 

exceptional

 

atmos-

 

pheric transport 

to

 

central

 

Greenland.

 Measurement 

of

 

' ' ^C  in th e filter sample yielded 

definitive

 evidence fo r 

biomass 

burning

 

as

 

th e

 

source

 

of th e soot. O n

 

one

 

da y 

only

 (5

 August 

1994),

 th e biomass

 

carbon increased by

 

nearly 

an

 order

 

ofmagnitude, with 

scarcely

 

an y 

change 

in he ossil arbon oncentration n 

he

 ilter. 

Supporting data fo r th e 

origin

 of th e biomass 

burning

 

carbon

 am e ro m acktrajectory nalysis, 

V H RR

 

(infrared)

 

atellite

 magery

 of

 th e ource 

egion,

 nd 

T O M S ultraviolet)

 

atellite

 

magery that w as

 bl e

 

o

 

chart

 th e

 

ourse

 

of

 

th e

 

oot

 

particles

 

ro m  th e

 

ource

 

wildfires

 

to

 Summit. 

The

 several

 

parts of  this

 remark-

 

able

 event

 are

 assembled

 

in

 Figs. 9,

 

2 0

 [29,49,52]. '^

 

Since snow 

an d

 

ice

 ca n serve 

as

 natural 

archives

 fo r 

atmospheric vents, one  m ay xpect 

to

 ind hemical 

evidence

 of prior

 years'

 fire seasons 

in

 snowpits, fim, 

an d ultimately

 

ice

 

cores.

 This 

is 

illustrated

 

in th e upper

 

right portion of 

Fig.

 

8,

 

which hows depth profile 

sampling

 in 

a

 snowpit at Summit, overlaying an energy 

dispersive  spectrum an d SE M image of 

a

 char

 

particle 

found

 near he 99 4 ire 

horizon

 

n

  9 9 6

 

nowpit 

[29] .

 An 

organic

 tracer 

of 

conifer combustion, methyl 

dehydroabietate, was 

found

 also at th e same depth 

[53].

 

Atmospheric science entered 

a

 ne w phase at Summit 

during

 he W int er-Ov er" roject 

1 9 9 7 -1 9 9 8 )

 

54].

 

Fo r he

 

irst ime, 

direct 

ampling

 of

 

ai r

 nd

 urface 

snow took place over th e polar winter, extending 

from

 

June

 997 o

 April

 998.

 A pecial chievement of 

micro-molar

 

* C

 

"dating"

 

was

 

th e first

 

seasonal

 

data

 

fo r

 

carbonaceous

 

articles,

 

eposited  ith 

he

 

urface 

snow.''*

 he 

easonal

 ecord or

 

iomass 

arbon

 

particles, shown in 

Fig.

 2 1 , was 

striking

 

[55].

 The large 

spring eaks, n articular, onsisted rimarily f 

biomass

 arbon:

 

.7 6 

M

 =

 

0.03)

 

modem

 arbon

 mass 

fi-action 

(/M)

 or

 

sample-1

 

(WOl),

 an d 

0.94 

(0 .01)

 mass 

fraction

 or ample-8 

W08).

 eyond 

he

 ossil- 

biomass pportionment, however, ay questions bout 

th e ature nd 

rigin

 f he 

arbonaceous

 erosol. 

Especially intriguing 

ar e

 

contrasts

 between 

the samples 

showing

 

ummer

 

sample-4

 

W04)]

 

nd

 

pring

 

[sample-8 W08)] biomass-C maxima 

Fig. 1 . To 

explore hese,  multi-spectroscopic pproach was 

taken, 

through

 which

 

insights

 

an d

 supporting evidence

 

were 

derived 

ro m

 variety 

of 

analytical 

echniques. 

Results or

 

ne f

 

he microanalytical echniques 

employed, aser

 

icroprobe ass pectrometry 

(LAMMS), re 

hown

  in 

Fig.

 2. '^ The igure uses 

principal

 

omponent projection 

o ummarize

 

multi- 

variate

 

(multi-mass)

 contrasts between 

the

 summer

 

an d 

spring

 biomass peaks. 

t

 shows that 

th e

 three summer 

(W04)

 

ub-samples

 

en d

 

o

 

avor

 

„"

 

luster

 

on s

 

(n-even),

 

ypical

 

of 

condensed 

arbon

 

tructure

 

an d 

graphite),

 whereas

 th e

 three spring

 

(W08)

 

sub-samples 

exhibit 

a

 

mor e

 

complex,

 oxygenated 

structure

 uch  

as

 

occurs with biopolymers. 

Th e

 bserved 

Fig.

 0 ) vs nferred Fig. 9 ) paths of

the

 m ok e 

plume present 

n

 nteresting

 ontrast.

 

Th e

 

T O M S

 

atellite

 

mage

 

shows

 

the

 

smoke

 approaching 

the

 southern 

tip

 of

 

Greenland 

on

 

3,

 

4

 

August 

9 94 

nd

 

departing  

toward

 Iceland

 

on

 6

 August .

 

Th e back-

 

trajectory m od el mployed n 

Ref

 52 ] places he pproach 

t

 

somewhat igher atitude, 

nd

 f ourse rovides 

o

 eparture 

information. 

Th e 

icro-molar

 apability as ssential or his o rk

 

because of

 

the

 extremely 

small

 concentrations of

 

particulate  carbon 

in the  

surface

 snow, 

especially

 

during

 the  winter (<10  ng 

C/ kg

 snow). 

Microanalytical

 

methods,

 

such as LA M M S ,

 are

 crucial

 

fo r gaining 

chemical

 

nsight n ndividual particles,

 

r

 when

 nly very mall

 

snow (o r

 

ice) samples 

of

 remote aerosols are  available, or

 

needed fo r

 

high resolution studies. n contrast to he  ng  capability of the  most 

sensitive ul k nalysis echniques, A M M S , an provide seful 

chemical 

data

 on  as 

little

 as 2 0

 

pg

 

of carbon species 

[57].

 

205 

Page 22: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 22/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Summit, 

Greenland

 

- Particle (9 0 %

 

C )

 

from  

1 9 9 4

 

fire 

horizon 

- Biomass-C aerosol

 seasonal

 

cycle

 

reported

 

(20 0 3) 

[6

 

to 

40

 |ig/kg snow]

 

Mt. 

Sonnblick 

Austria

 (3106

 

m ) 

Global

 Atmospheric

 

W a tch

 

Observatory

 

-''*C "dating" 

of

 

soot 

in the free

 

troposphere

 

[W eissenbok,

 

2 0 0 0 ] 

Fig. 1 8.

 

ubmicromolar  C apportionment of

 

anthropogenic

 an d

 

natural 

carbonaceous

 aerosols at remote sites in

 Europe

 an d 

Greenland

 

provides 

knowledge 

of

 

their

 impacts on

 present

 an d paleoclimate [49-51].

 

2 0 6 

Page 23: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 23/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

207 

Page 24: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 24/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

 ̂

f e  

^

 

^

 

o  

> Z  

3 s

 

O

 

w

 

^

 

o  

O

 

W  

^

 

o  

Si'o 

^

 

'o

 2 ?  

° s 

1 5 

a

 

>

 

3

 

208 

Page 25: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 25/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Summit S n ow

 -- Winter

 Over

 (1997-1998) 

50 

30  

40 

-

 

c

 

o

 

ff l 

10  

spring 

Augus t 

S u m m e r

 

Spring

 

 ̂

/

 

/

 

/

 

/

 

W i nt er

 

Samp le

 

Fig. 2 1 . First evidence of

a

 seasonal pattern in biomass carbon aerosol in surface snow  in central Greenland

 

[55, 56]. Fundamental differences were found between th e biomass carbon peaks in s u mme r (sample-4 [W04]), 

an d spring (sample-8 

[W08])

 vi a

 

"multi-spectroscopic" macro- an d

 

micro-chemical  

analysis.

 

Findings from other techniques: 

 hermal-optical nalysis.

 

istinctive

 

easonal 

volatilization/decomposition 

patterns

 were

 

seen as 

samples

 

were

 heated in 

a

 

tream

 on 

helium. 

The 

summer

 

ample W04) 

ha d

 predominant high 

temperature

 

peak

 

at

 

=560

 

°C

 

an d 

little

 

evidence

 

of

 

charring 

(4 % ),

 

whereas

 

th e

 

spring

 

sample

 

(W08) 

ha d 

predominant peak

 t

 

=410

 

°C 

nd major

 

charring 

(1 9

 % ). Thermal analysis of

 a

 powdered 

wood 

oak)

 eference material 

howed

 thermal 

peak

 

t

 

he pproximately

 

am e emperature 

s

 

W08,

 with 

21

 

%

 

charring,

 mplying 

th e

 presence

 

of

 

a

 major cellulosic component in this sample. 

• on hromatography. ire racers NH/, ^) 

accompanied W04; oil racers Ca^, 

Mg^)

 

accompanied W08 

• acktrajectories.

 

or

 

W04, trong

 

transport

 

was

 

indicated

 

ro m

 regions

 

of annual wildfires n th e 

Canadian Northwest;

 

or 

W08, 

trong ransport 

was indicated  from  th e agricultural  

regions

 of th e 

upper idwest—both

 

epresenting

 

ransport

 

distances

 

of some

 8  M m . 

 

lectron 

probe icroanalysis. 

or 

W04, p 

o

 

9 0

 

% C

 

mass

 raction) was observed in 

individ- 

ual,

 

im 

ize

 particles, with 

C

 

>

 O or he most 

abundant (core) particles;

 

or 

W08,

 maximum  C 

particles

 ha d 

C:0

 

ratio

 

consistent

 

with

 

cellulosic 

biopolymer, 

an d C

 

<

 

O

 fo r

 th e

 

core particles. 

The

 

eight

 

f multi-spectroscopic

 vidence 

hu s 

indicates ha t he u m m e r W04) nd pring W08) 

biomass particles do not

 

epresent

 

he

 

ame

 

yp e of

 

biomass.

 Rather,

 

the W04

 particles appear

 to

 

include

 

soot

 

omponent

 ro m 

ig h

 

emperature

 

ombustion 

(motor 

vehicles,

 

wildfires).

 The  

W08

 particles, whose 

carbon derives almost entirely from  biomass, appear 

to

 

have

 

a

 

major

 

biopolymer

 

component, such as

 cellulose

 

an d

 

other

 

bio-materials

 

associated

 

with

 

soil

 

an d

 

vegeta-

 

tive carbon. 

These

 

findings

 

are

 consistent

 

with

 

work by 

Puxbaum nd 

olleagues,

 who have ound by direct 

chemical

 nalysis, ignificant mounts f ellulose, 

bacteria, 

an d fiingal

 

spores 

in

 

atmospheric particles

 [58, 

59].

 

2 0 9 

Page 26: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 26/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

2

 - 

1

  - 

-2 

-3 

C2H2O-

 

_t  _i _ 

-2

 

1

 

2

Conponent

 

1

 

W04

 

08

 

Fig. 2 . C A biplot of laser microprobe  mass pectral data; ompositional ontrast 

between

 particles

 

from 

he

 u m m e r biomass 

peak

 W04, ed : „~ luster 

on s

 avored) 

nd

 

he

 pring biomass 

peak

 

(W08, 

green:

 xygenates favored) [55]. 

7.2

  Isotopic

 

Speciation

 

in Ancient Bones and 

Contemporary Particles 

The ating f

 

ncient

 

ones as een otably 

unreliable because  of diagenesis an d isotopic  contami- 

nation ha t

 ccur

  ith  illennia f 

nvironmental

 

exposure. 

Molecular 

dating

 

of

 individual 

amino

 

cids

 

in such bones ha s proven 

to

 be  one  

of

 th e m o s t effec- 

tive 

means

 

to

 

overcome

 this 

problem.

 

Figure

 

23

 shows

 

dramatically

 

ow

 

he

 

pparent

 

adiocarbon

 

ge

 

th e

 

ent

 

Mammot h

 

hanged

 ro m a.

 

0 0 0

 BP

 o 

ca . 

1  0 0 0 BP, 

he

 

ated

 

hemical

 

raction

 

as 

refined from  th e crude collagen fraction 

to

 

th e

 individ- 

ual amino acids. The known radiocarbon ag e is

 given

 

as

 

= 11,000 

BP,

 

based on ssociation 

with

 Clovis

 ulture 

artifacts, nd

 iostratigraphy

 

60].

 Note ha t 

he

 

calibrated

or

 orrected alendar 

ge ,

 derived ro m 

th e adiocarbon alibration urve 13], s oughly 

1500

 years

 

older

 

than th e

 

radiocarbon ag e

 fo r

 this

 

time 

period.)

 

The

 

ommonly

 

dated

 

organic

 

ractions

 

ro m

 

bones

 

weak

 

ci d

 

nsoluble

 

ollagen

 

C O L L ]

 

nd 

gelatin GEL]) gave ge s hat were t odds with he 

archaeological

 

vidence—suggesting ecent umate 

contamination. W h e n 

th e

 diagenesis-resistant 

molecu- 

lar components 

were

 solated (individual 

mino cids

 

an d

 

he

 

ollagen

 

ydrolysates

 

XAD-HYD]),

 

ge 

concordance

 mong 

he

 

ndividual mino cids

 

an d

 with

 

he

 

rchaeological 

vidence

 ndicated 

elia-

 

bility. H ad ontamination ro m bio-intrusive material 

having

 

ifferent

 

hemical

 

amino

 

cid)

 

attern 

occurred, mino cid ge 

eterogeneity would 

have 

been xpected

 60].

 This work ould

 

no t 

have

 been 

accomplished  without th e ability 

to

 date 0  |ag 

carbon

 

fractions.

 

A n 

historical

 footnote related 

to

 this work involves 

th e

 

question

 of

 th e 

ncestors

 

of

 th e North American

 

Clovis

 ulture.

 

Since th e 

Clovis

 ites give th e earliest 

unequivocal data on he peopling of th e 

Americas,

 

it 

ha s

 been of

 

enormous 

nterest

 

to

 ind 

a

 

geochrono-

 

logical ink

 o

 n

 

arlier

 

ulture. 

he 

most

 

popular 

belief 

ha t 

he

 lovis 

rogenitors

 ad 

rrived

 

ve r 

th e Bering 

Land

 Bridge" ro m Siberia 

ha s

 ecently 

been put into doubt, however, with new '* C vidence 

that one

 

of th e most

 

likely 

pre-Clovis

 sites

 in

 

northeast-

 

em 

iberia

 

s

 

0 0 0

 

ears

 

ounger

 

ha n

 

reviously 

believed. Dating

 

t

 =1 3

 0 0 0 alendar 

years

 

go ,

 

doubtful that migration could have ranspired quickly 

enough

 

o

 give ise 

o

 he Clovis ulture 13 60 0 

o

 

12

 

60 0 

alendar

 

ears

 P) n he  orth 

American

 

Southwest 

[61] .

 

2 1 0 

Page 27: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 27/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

8

 

t

 

9 - 

LU  

O

  10

 

11 

-

 

LU

 

O

 

O

 

L U  

C D  

<

 

<

 

DENT

 

MAMMO I I

 

Q . 

<

  C 5  

ir

  C L   >. 

<

 

> - -I _i 

1-

 

I

  C 3   < 

~I

 

SAMPLE

 

T

 

Fig. 3. Molecular

 Dating"

 

of

 individual mino cids n ncient

 

bone. adiocarbon ge s f o mmo nl y ated collagen, elatin)

 

fractions were 

20 0 0

 to 

3000

 years to o young as 

a

 result of

 

environ- 

mental egradation; ure molecular ractions amino 

cids)

 were 

self-consistent

 an d in

 agreement with

 the

 

Clovis

 

culture

 

ag e

 [60]. 

7.2.1

 

Urban

 

Dust

 

(SRM

 

1649a):

 

Unique 

Isotopic-Molecular

 Reference

 

Material 

SRM

 

649a s NIST's 

most

 

ighly

 

haracterized

 

natural matrix

 Standard

 Reference

 Material,

 nd

 t s 

th e only

 on e 

fo r 

which

 there 

ar e

 certificate 

values

 or 

* C

 in individual chemical 

fractions

 an d pure molecular 

species. he carbon ortion f he 

ertificate

 f 

Analysis 

w as 

eveloped hrough 

n

 xtensive

 nter- 

national nterlaboratory 

comparison,

 nvolving 

eighteen

 

teams f 

nalytical

 xperts 

ro m

 

leven

 

nstitutions 

[62] . 

Th e

 

particle-based

 

S RM ,

 

which

 ha s

 

been

 

charac-

 

terized

 fo r

 nearly 2 0 0

 chemical 

species

 

an d 

properties,

 

serves

 

as

 

n

 essential quality 

assurance

 material fo r 

remarkably  broad range 

of

 

disciplines,

 

from

 th e 

moni-

 

toring of pesticides, PCBs, 

nd

 particulate mutagenic 

activity

 

o

 

asic

 

rganic

 

eochemistry

 

o

 

sotopic 

apportionment

 of

 carbonaceous

 

particles.

 A dramatic 

illustration

 f

 

he *€ sotopic 

eterogeneity

 

n

 

hi s 

reference material s

 

iven n Fig.

 4. 

he biomass 

carbon mass fractions are seen 

to

 

range

 from  

about

 2 

%

 

(aliphatic xtract) 

o

 8

 

% total arbon). hus, he 

aliphatic raction 

erives

 ssentially 

=9 8

 

% )

 

ro m  

fossil

 uel 

missions,

 

nd ,

 on verage, 

ossil

 ources 

account fo r some 

60

 

%

 of the carbon in 

these

 particles. 

Note

 hat he 

Certificate

 of 

Analysis

 63 ] 

provides

 

* C at a 

xpressed

 

n

 he 

roper eference

 nits s 

fraction 

of 

modem carbon 

(Z^).

 To emphasize th e more 

meaningful

 

ossil-biomass

 arbon 

ource

 

ichotomy, 

however, we have hosen o present he nformation 

here

 

n

 erms 

f

 

he

 

raction

 

f

 biomass 

arbon. 

Conversion 

is 

based

 on 

th e

 

post-bomb enrichment 

of 

' ' ^C 

he 

iving 

iosphere, 

s

 hown

 

n

 ig .

 

1.

 

Sampling or SRM

 

649a ook place n

 

976-1977; 

th e

 

enrichment

 

factor

 

fo r

 

biomass

 carbon

 

at

 

that

 

time,

 

indicated by

 th e re d

 

arrow 

in

 the

 

figure,

 

was

 

.35. 

O ne 

of

 th e most mportant outcomes 

of

 th e SRM 

1 64 9 a

 ntercomparison 

xercise 

w as

 

he

 et

 of 

data

 

obtained fo r "elemental carbon" 

(EC).

 EC  (sometimes 

known 

s

 

black

 arbon")

 s

 

outinely monitored

 

n

 

urban

 nd ural

 

erosols,

 

nd t s

 

of

 major

 

oncern

 

because of 

its

 presumed 

mpacts 

on 

health, 

visibility, 

an d limate radiation 

bsorption).

 

RM 

649a

 

potentially

 an 

erve

 

s

 

ey

 

aboratory

 

uality 

assurance eference

  aterial

 

or 

C  easurement.

 

Results

 of

 

th e

 

largest 

intercomparison

 

to

 

date

 

of

 

EC

 

in

 

a

 

niform

 

eference

 

aterial,

 

owever,

 

ndicate

 

severe measurement problem:

 

elative values or he 

reported

 

data span

 

a

 range 

of 7.5,

 showing

 

very 

signif- 

icant

 

method

 ependence. hree lusters f 

esults

 

for

the 

mass fraction

 

of

EC

 (relative

 to

 total-C), reported 

as

 nformation alues

 

n he Certificate of Analysis, 

are 0.075, 0.28, an d 0.46. (For th e 'C data in 

Fig.

 2 4, 

cluster-1 EC

 

ha s 

been 

labeled  soot an d

 cluster-3 EC ,

 

"char." 

'* C

 as ot etermined 

n

 luster-2 C .) 

The

 iindamental

 problem

 

s

 

ha t EC

 

s

 

ot  pure 

substance,

 

o

 

unique

 

true

 

value"

 

or

 

EC

 

m ay

 

no t

 

exist,

 

n

 

principle."'

 S o m e 

interesting

 insights 

into

  th e 

meaning 

of certain

 

of

 th e 

EC

 results 

follow,

 

however, 

from

 th e 

'* C

 EC  speciation 

data.

 

Although a

 

true (Certified) 

EC

 

value

 

may be

 beyond

 

reach, com - 

patibility ofresults from

 laboratories

 

using

 

the

 

same

 method 

suggests

 

the ossibility f method-specific 

"operational")

 C eference 

Values 

fo r

 

this

 

SRM.

 

211

 

Page 28: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 28/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

Urban Particulate Reference 

Material

 (SRM 1649a) 

(prototypical

 

isotopic-chemical aerosol

 

reference/Q A

 

material)

 

i ^ C SPECIATION

 

CARBON  BIOMASS-C

 

%  

total

 

38

 

polar 

32

 

elemental

 

char 11 

soot

4

aromatic

  13 

aliphatic  2 

Pyrene 

3

 

Benzo(g/;/)perylene 

6

 

(U

 

=

 6 aromatic];

 

thers

 

<1)

 

Fig.

 2 4.

 NIST 

Standard 

Reference

 

Material

 649a 

("urban 

dust").

 Photograph

 

of

 the  

bulk reference

 

material 

an d

 

derived  filter

 samples" 

fo r QA

 

of atmospheric elemental carbon (EC).

 

C  

data

 listed indicate  the  mass

 

fraction (% )

 of

 biomass-C

 

in the

 

several chemical

 

fractions

 

[2 9 ,

 62]. 

Isotopic 

consistency.

  easurement

 

of

 

*€ n

 multiple

 

chemical 

ractions

 offers he possibility 

of

 tw o 

very

 

interesting 

an d

 important consistency 

tests:

 

1 )

 assess- 

ment

 

of

 

isotopic-chemical

 

consistency

 

mong

 

hemi-

 

cally-related ractions,

 

nd 

2 )

 

ssessment of overall 

isotopic-mass alance.

 

he

 

irst

 es t s 

llustrated

 

by

 

comparison 

of

th e 

*€

 content 

of

th e 

EC

 fraction with 

that 

of

th e 

PA H

 

fraction

 (o n average). To th e extent that 

both

 

omponents

 

riginate

 

ro m he

 

am e

 

ource, 

acetylenic 

re e 

adicals hat enerate

 

olyaromatic

 

structures 

n

 

he

 laming 

tage

 f

 ombustion,

 

ne 

would expect similar 

*€

 

composition.

 Such is th e case 

fo r 

* C

 

in

 cluster-1 EC  (labeled   soof in 

Fig.

 

24),

 but 

not 

or

 luster-3

 

labeled

 char"). 

he

 ac k f 

isotopic

 

consistency

 

fo r

 

cluster-3

 

EC

 

is 

th e stimulus fo r

 

th e

 

ifferent

 

abel,

 

ince

 

his

 

manifestation

 

f EC  

necessarily eflects different m ix of fossil-biomass 

sources ha n he 

laming

 tage C ,

 

hich erives 

primarily from fossil

 fuel 

carbon. 

Regarding he 

econd

 est, he

 

* C

 

data n Fig.

 4

 

demonstrate

 hat sotopic-mass 

alance

 annot

 

achieved with th e current isotopic-chemical data. Since 

th e

 

biomass

 

arbon

 

raction

 

on

 

verage

 

38

 

%

 

mass

 

fraction)

 

exceeds

 that of 

ll

 other

 measured

 fractions, 

there

 must e  ignificant missing  iomass arbon 

component. This matter

 

is addressed 

in

 

[62],

 

where

 

it 

is 

suggested ha t unmeasured biopolymers m ay ccount 

fo r mor e han 45  

%

 of th e 

esidual

 

non-extractable,

 

non-EC)

 carbon mass.

 Cellulose 

is

 

one 

excellent 

candi- 

date 

[58].

 

GC/AMS. inally, th e  molecular dating" of

 

individual 

PA H

 n 

RM

 

649a 

pitomizes 

ne

 

f

 

he

 

atest 

advances

 

in

 

micromolar

 

'* C

 

measurement

 

science:

 

he

 

capability 

o

 

ink hromatographic

 

solation

 

f

 pure 

chemical compounds 

to

 AM S determination 

of

 ' '^C'^C. 

Results f 

pplying

 ff-line 

C / A M S

 

o

 ix AH s 

recovered from

 

th e

 

aromatic

 fraction

 of SR M

 

1 64 9 a

 

are 

2 1 2 

Page 29: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 29/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

\

'-

 

% Biomass-C 

I  ~l 

T-  —I-

 

r^

 

f I 

i

  '^T

t̂̂ ^̂ ^̂ —̂^̂

3.0  

4.7 

_L

 

- 2 .8  

\

-I——-̂ —

 

I

 

j'

u

 

-<-—- I 

3. 1

 

6.2

 

6.4  

-_L^>_^fc>< 

\

*vi|

 

JWW*--̂  

± 

30 0 0 0

 

0 0 0 

Fig. 

5.

 

as 

chromatography/accelerator

 

mass

 pectrometry G C / A M S) : A M S ollowing utomated 

prep-scale apillary GO yields 

dates

equivalent

 

biomass arbon mass ractions) or

 

micromolar 

amounts

 of individual

 

polycyclic  

aromatic 

hydrocarbons 

[63-65].

 

(Results

 

shown forNIST SR M

 

649a;

 

"I.S." 

denotes

 

an

 

internal

 

standard;

 

abscissa

 

indicates

 

retention

 

time

 

(min).)

 

shown

 

in

 

Fig. 

2 5.

 Th e critical first 

step

 

w as

 

th e sequen- 

tial isolation  

of tens

 

of 

micrograms 

of th e

 

six

 

PAHs

 

in 

separate

 

traps

 by automated preparative scale capillary 

ga s 

hromatography 

66]. 

he

 

ndividually

 

rapped 

PAHs were he n oxidized an d converted 

to

 AM S 

ar -

 

gets.

 

These 

esults

 epresent he

 irst

 uch

 

data ver 

available

 

or

 

n

 

tmospheric

 

articulate

 

RM ,

 

nd

 

although such compounds ar e only

 trace

 constituents 

of

 

atmospheric particles 

(=10

 ng/g), they ar e of

 

great con- 

sequence du e 

to

 their mutagenic and carcinogenic prop- 

erties.

 

n

 

hi s ase, s hown n

 

Fig. 5, 

adiocarbon

 

dating 

of

th e 

individual

 

PAHs 

revealed

 these

 congeners 

to 

be sotopically heterogeneous, nd

 

demonstrated

 

basic flaw 

in

 th e 

conventional

 wisdom  that th e heavier 

PAHs, n

 

particular, re

 

mor e

 

ikely

 

o

 

be

 produced

 

strictly

 from  

fossil

 fuel combustion  sources. 

On-line

 

G C / A M S

  is nearly upon 

us.

 The  linkage of 

ga s

 or liquid) chromatographic eparation, nd  direct 

injection

 

of

 

microgram

 mounts 

of

 

pure

 ompounds

 

into

 

th e

 

io n

 

source of an 

accelerator

 

mass

 spectrometer, 

is under 

active

 investigation  

in

 

several

 

AM S

 

laborato-

 

ries; 

an d

 

it

 promises a new dimension in th e practice of 

radiocarbon

 

dating at th e

 

molecular level

 

that m ay have 

an 

mpact

 n rchaeology 

nd sotopic

 

iogeo- 

chemistry comparable  

to

 

that

 

of

 

G C / M S

 on 

analytical,

 

physical, organic, an d biochemistry 

[67].

 

2 1 3

 

Page 30: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 30/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

8.

 

Epilogue

 

Libby's discovery, an d th e remarkable developments 

that followed, rose from 

scientific

 question freely 

translated):

 

W h at  il l 

ecome

 f he 

osmic

 ay 

neutrons? It

 

is

 

noteworthy

 

that

 

an

 

"academic

 son" 

of 

this Nobel Laureate 

also

 posed 

a

 

scientific

 question 

to

 

himself. 

F.

 Sherwood Rowland's question 

also

 

le d

 

to

 an 

unexpected  discovery having major practical import fo r 

mankind: he  

possible

 destruction of

 

the 

tratospheric

 

ozone

 

ayer. Rowland's

 

query, lso

 ulminating

 

N obel

 

rize

 

1995) ,

 

as

 

I

 

egan

 o 

onder

 

what 

w as

 

oing

 

o

 

appen

 o 

his

 

man-made

 

ompound 

[trichlorofluoromethane]

 

ewly

 

ntroduced

 

nto

 

he

 

atmosphere" 

[68].

 

M ay  this historical

 journey

 into 

scientific

 discovery, 

as

 an outgrowth of seemingly simple scientific curiosi- 

ty, nd  th e onsequent unanticipated cientific-metro- 

logical

 revolutions,

 encourage students 

to

 examine 

th e 

original

 historical literature documenting 

such

 

discov- 

eries, nd

 o

 ealize 

ha t 

profound unforeseen devel- 

opments m ay be 

n

 tore or presumably mature

scientific discipline. 

Acknowledgment 

This article represents an adaptation an d extension of 

a

 

ecent publication

 

n

 

he  zechoslovak Journal

 

of

 

Physics: 

The Remarkable Metrological

 

History 

of ' *€ 

Dating:

 ro m

 ancient Egyptian artifacts to  particles 

of

 

soot 

an d

 grains of pollen" [Czech. J. Phys. 53,  (Suppl. 

A )

 A1 37 -A1 60 2003)]. Permission of th e Institute of 

Physics,

 Academy 

of Sciences of the Cz e c h 

Republic 

is 

gratefully cknowledged. 

Thanks

 

go

 lso 

o

 Cynthia 

Zeissler an d 

Ed

 M ai fo r assistance in final preparation 

of

 

th e

 

figures

 

fo r

 

publication. 

Figures

 

re

 

dapted,

 

it h

 

ermission,

 

ro m

 

he  

following

 ources. Fig. : 

photo by Fabian Bachrach

 

(AEC-5 4-5 1 23-DOE) 

from

 page 

of

 

de 

Messieres,

 N.:

 

Libby an d th e interdisciplinary  aspect of radiocarbon 

dating." Radiocarbon 43 2 0 0 1 ) 

-5;

 opyright 

0 0 1

 

Arizona 

Board

 

of

 Regents 

on

 behalf

 of

 

th e

 University

 

of

 

Arizona.

 

Fig. 

ro m 

Radiocarbon

 

Dating 

jacket

 

cover]

 Eds.

 

R.

 Berger an d 

H. 

Suess) Univ. California 

Press, Berkeley, 

979] .

 

Fig.

 

4,

 ro m  

Fig.

  f: Libby, 

W illard F.,

 

Radiocarbon Dating, Univ. Chicago Press, 

Chicago, 

copyright

 

1952 (1st edition). 

Cov er

 

an d

 Fig.

 

5  

(plot),

 

ro m

 

ig.

 

p.

 1 0)

 

n:

 

lsson,

 

.U.,

 

d. 

Radiocarbon  Variations an d

 

Absolute Chronology (12th 

N obel Symposium), Almqvist 

&

 W iksell , Stockholm, 

1970;

 

copyright,

 

th e

 Nobel Foundation. 

Fig.

 

5

 

(photo). 

courtesy

 of

Douglas 

J. 

Donahue,

 University

 

ofArizona. 

Fig.

 

6a 

(top), reprinted

 

with

 

permission

 from  Fig.

 

5a in: 

Eddy,

 

.:

 

The

 

Maunder

 

Minimum,

cience

 92 

(1976)

 

1 8 9 - 1 2 0 2 ;

 

opyright

 

9 76

 

merican 

Association or th e Advancement of Science. 

Fig.

 b 

(bottom), ro m

 

th e

 

climate igure p. 1 5, ast

 

eg- 

ment 

only,

 

labeled

 "Past 

1000

 years ) in: 

Mathews,

 S.: 

What's

 appening o ur limate, ational 

Geographic 50

 

1976) 

76-615;

 

opyright 976 he 

National

 

Geographic

 Society.

 

Fig. an d

 

Fig. ,

 

rom: 

Toggweiler, .R., 

ixon,

 

.

 nd 

ryan,

 

.: 

"Simulations of Radiocarbon n Coarse-Resolution  

W or ld

 

cean

 

Model,

 

.

 

istributions

 

f bomb-pro- 

duced

 

" 'C,"

 J 

Geophys

 

Res

 

9 4 

[C6] 

1 9 8 9 ) 8243 - 8264

 

(figures nd 7,

 

espectively);

 

opyright

 9 89  

American Geophysical 

Union. 

igures  nd

 0

 re 

adapted from  Currie, L.A., et 

al.,

 Authentication an d 

Dating ofBiomass 

Components

 of

Industrial

 Materials: 

Links 

to

 Sustainable 

Technology," Nuclear 

Instruments

 

an d

 Methods

 n Physics 

Research

 

B172

 

pp

 

8 1 -28 7 ,

 

copyright 2000), with ermission rom lsevier 

Science.

 ig .

 2:

 

hotos

 

re

 

ourtesy

 

f Robert 

K.

 

Stevens. 

Fig.

 3, from

 

Fig. in: W olfli , W: "Advances 

in 

accelerator 

mass

 

spectrometry,"

 Nuclear

 Instruments

 

an d

 

Methods

 

in

 

Physics

 

Research

 

B2 9

 

numbers

 

,

 

2]

 

pp -13,

 

opyright

 

1 9 8 7 ),

 

it h

 

ermission

 

ro m 

Elsevier Science.

 

Fig. 

4,

 

ro m Fig. 6. 2

 

n:

 

Taylor, 

R.E., Long,

 

A., nd

 

Kra, R. , Eds.:

 Radiocarbon

 

fter

 

Four 

Decades: n

 Interdisciplinary  

Perspective; opy- 

right Springer-Verlag, N ew 

York,

 

992.

 

Fig.

 5c 

inset

 

(negative 

ma ge )

 

nd 

5d 

microphotograph),

 rom:

 

British

 roadcasting 

orporation

 ocumentary, 

"Shreds 

of

 Evidence" 

Timewatch

 

Series),

 opyright

 

1988.

 

ig . 5b ,

 ourtesy 

ouglas . onahue, 

University of

Arizona.

 Figures

 5a

 (reprint cover), 6, 

an d 

17 , 

from  D a mon,

 

P.,

 

et

 

al.: 

Radiocarbon

 dating 

of

 

th e

 

hroud

 

f Turin,"

 

ature

 

37

 

1 9 8 9 )

 

11- 615; 

copyright Macmillan Magazines

 td , 989. ig.

 

8, 

from:

 a) 

Currie,

 L.A., t 

al.: 

The pursuit of

 

isotopic 

an d

 molecular 

fire

 

tracers

 

in

 th e polar atmosphere an d 

cryosphere," adiocarbon

 

40 1 9 9 8 ) 81- 3 90, 16f; 

copyright 

9 98 

Arizona

 

Board

 of 

Regents on 

behalf of 

th e

 

niversity

 f

 

Arizona; nd b) 

Mark

 wickler,

 

Univ. N ew 

Hampshire.

 Fig.

 9

 

center,

 backtrajecto- 

ries), ro m  Dibb, J.E., et  

al.,

 Biomass burning signa- 

tures 

n

 he 

tmosphere

 nd now t ummit, 

Greenland:

 

n

 

event

 

on

 

5

 

August

 

994,"

 

Atmospheric 

Environment

 

0

 

p

 

53-561

 

opyright

 

1996), 

with

 

ermission

 

ro m

 

lsevier

 

cience.

 

igures 9, 

2 0 dapted ro m Currie, L.A., t l. , The pursuit of 

isotopic 

an d

 molecular 

fire

 

tracers

 in 

th e

 

polar

 

atmos- 

2 1 4 

Page 31: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 31/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

phere 

nd

 

ryosphere,"

 

Radiocarbon 40

 

1 9 9 8 )

 

381- 

390,416f; copyright 

1998

 Arizona Board 

of

Regents 

on 

behalf

 

of

 he

 

niversity

 

f

 

Arizona.

 

ig.

 

3,

 

ro m

 

Fig.

 

n: Stafford, T .W ., r., Hare, RE., Currie, L.A., 

Jull,  .J.T., nd 

onahue,

 

.:

 

Accuracy f North 

American 

uman

 

keleton ges ,

 uarternary

 

Research, 

4,

 p 11-120, opyright 

1 9 9 0 ) ,

  ith 

permission

 

ro m

 

lsevier

 

cience.

 

ig.

 

4,

 dapted

 

from

 

ig . n urrie, .A., Evolution

 

nd 

Multidisciplinary 

rontiers

 f *€

 Aerosol

 

cience,"

 

Radiocarbon 2 

2000) 15- 126,

 opyright 0 0 0

 

Arizona 

Board

 

of

 Regents on  behalf

 of

 th e University 

of Arizona.

 

ig.

 

5,

 

ro m

 

ig.

 

n: urrie,

 

.A., 

Klouda,

 

.A.,

 

enner,

 

r.,

 

.A.,

 

arrity,

 

.,

 

nd

 

Eglinton, T.I.,

 "Isotopic

 an d Molecular 

Fractionation 

in 

Combustion;

 hree 

Routes

 o Molecular Marker 

Validation,

 

ncluding irect olecular

 Dating'

 

(GC/AMS)," Atm. Environ. 33 ( 1 9 9 9 ) 

27 8 9 -28 0 6;

 pub- 

lished by  Elsevier 

Science

 

Ltd. 

9. References

 

[1 ]

 . F. 

Libby,

 Nuclear 

dating:

 

n

 historical perspective,  Nuclear 

an d hemical ating echniques: nterpreting he  

Environmental 

Record,

 L. A. 

Currie,

 

d. ,

 American  Chemical 

Society

 Symposium 

Series No . 

76  

( 1 9 82)

 

Chap. .

 

[2 ]

 illard 

F. 

Libby, 

Radiocarbon

 Dating, Univ. Chicago Press,

 

Chicago  (1952) . 

[3 ] 

.

 

e

 Messieres, ibby nd he nterdisciplinary spect of 

radiocarbon 

dating.

 Radiocarbon 

43 ,

 -5 

(2001) .

 

[4 ] . F. Libby, Radiocarbon

 

dating

 (Nobel Lecture),

 

Science

 133, 

6 21 - 6 29

 

(1961) .

 

[5 ]

 . . ibby, Atmospheric  elium-3 nd Radiocarbon ro m

 

cosmic radiation, 

Phys.

 

Rev.

 

69 ,

 6 71 - 6 72 

(1946).

 

[5a] 

H.

 Godwin, Half-life  of radiocarbon. Nature 195,

 9 84

 

(1962) .

 

[6 ] . 

.

  nderson,  . . 

ibby,

 . 

W einhouse,

 

.

 . 

eid,

 

A. .  irshenbaum, nd A. 

.

  rosse, 

adiocarbon

 

ro m 

cosmic adiation. cience 

05 ,

 76 1947) . Se e 

lso

 .

 

MacKay,

 

M .

 

Pandow,

 

nd

 

R.

 

W olfgang,

 

O n

 

he

 

hemistry

 

of

 

natural adiocarbon,

 

.

 Geophys.

 Res. 

8,

 3929-3931

 

1963) ,

 

fo r 

an 

account

 

of

  C O

 as th e precursor

 

of cosmogenic

 

C O 2 .) 

[7 ] . 

C. 

Anderson

 nd

 W .

 

F.

 

Libby,

 W orld-wide 

distribution

 of

 

natural radiocarbon, Phys. Rev. 

81,

 64-69  (1951) .

 

[8 ]

 . 

R.

 Arnold nd . F. Libby, 

Ag e

 determination by adio- 

carbon ontent: hecks with amples of known ge . Science 

110,678-680(1949).

 

[9 ] . 

Karlen,

 I. 

Olsson,

 P. 

Kallberg,

 

an d

 S. 

Killici,

 Absolute 

deter-

 

mination f

 

he ctivity 

f

 wo

 

ating tandards. 

Ark. 

Geotys. , 46 5 1964) . Se e 

lso

 Ref 12], 

.

 

7,

 Th e us e of

 

oxalic acid as 

a

 [radiocarbon dating] standard.) 

[10]

 IS T Standard Reference

 

Materials website: ttp://nist.gov/srm. 

[11]

 

.

 ozanski,  . 

tichler,

 

.

 onfiantini, 

.M .

 

cott,

 . 

Beukens, 

B.

 Kromer, nd

 

. va n

 de r 

Plicht, Th e A EA

 

nter-

 

comparison exercise 990, Radiocarbon 34 , 506-519  (1992) .

 

[12]

  I.  .,  lsson, 

d. .

 Radiocarbon  ariations nd Absolute 

Chronology 12th

 

Nobel Symposium),

 

Almqvist 

&

 

W iksell ,

 

Stockholm

 

(1970) . 

[13]

 

M.

 

Stuiver

 

an d

 

R.

 

Kra,

 

eds..

 Calibration 

Issue,

 Radiocarbon 28 , 

2 B

 

1986); Stuiver,

 

M .,

 

Long, A. ,

 

Kra, 

R. ,

 

ds..

 

Calibration

 

1993, Radiocarbon 

35

 (1), 91- 199 (1993) . 

[14]

 

M.

 Geyh an d C. Schluchter, Calibration of

the

 

'^ C

 time scale 

beyond

 

22, 0 0 0  BP,  Radiocarbon

 40 , 

475-482 

(1998) .

 

[15]

  J.

 ddy, he 

Maunder

 

Minimum,

 cience 

92 ,

 

118 9- 12 02 

(1976) .

 

(See Fig. 

3). 

[16]  S.  Mathews, What's appening o  o ur limate. National 

Geographic 50, 76-615 1976) . 

Se e

 specially p. 86 , 

61 4

 

f).

 

[17]

  J. 

Lopes,

 

R.

 

Pinto,

 

M. 

Almendra, 

an d J.

 Machado, 

Variation 

of 

C

 

activity

 

in Portuguese 

wines 

from 

9 40

 to 974,

 

Proc.

 

Int.

 

Conf n Low-Radioactivity Measurements nd  Applications:

 

Th e

 

ig h

 

atras,

 

Czechoslovakia,

 

-1 0

 

October

 

1975,

 

.

 

Povinec

 an d 

S. Usacev, 

eds., 

Comenius Univ., Bratislava

 (1977)

 

pp .

 

26 5- 26 8.

 

[18]

 

W .

 F. 

Cain,  C

 

n Modem

 American

 Trees,

 

Radiocarbon 

Dating, 

R.

 Berger an d H . Suess, ds., Univ. California Press,

 

Berkeley (1979) pp . 49 5- 51 0 . 

[19]

 

J.

 . 

oggweiler,

  .  ixon, nd K.  ryan, imulations f 

Radiocarbon 

n

 Coarse-Resolution 

W o rl d

 Oc e a n Model, . 

Distributions of

 

bomb-produced  C ,

 J.

 

Geophys.

 Res. 

(C6)

 

9 4,

 

8243-8264 1989) . Se e lso: 

.

 evin nd .  esshaimer,

 

Radiocarbon—a  unique  tracer  of lobal  carbon  cycle

 

dynamics. Radiocarbon 42 , 69-80 (2000) .] 

[20]

  R.

 

E. Taylor, 

A. 

Long,

 an d

 R.

 Kra,

 

eds.. 

Radiocarbon After

 

Four 

Decades:

 

n

 

nterdisciplinary

 

erspective,

 

pringer-Verlag, 

New 

York

 

(1992) .

 

[21]  M. Stuiver nd 

G

 Ostlund, G E O S E C S Atlantic Radiocarbon,

 

Radiocarbon 22 , 1-24(1980). 

[22]

  J.  Sarmiento,  an d 

N .

  Gruber,  Sinks  for  anthropogenic 

carbon. hysics 

Today

 5,

 0-36

 

8)

 

20 0 2) .

 Se e lso: . 

Nydal, 

adiocarbon

 n he  cean, 

adiocarbon

 2 , 1-98

 

(2000) .]

 

[23]  A.  McNichol, 

.

 

.

 chneider,  .  on Reden, A. 

.

 

Gagnon, K. L. 

Elder,

 N O S A M S , R. M. K ey  an d

 

P D.  Quay, Te n 

years 

fter:

 

he

 W O C E 

MS

 adiocarbon rogram,  ucl. 

Instrum.

 

Meth.

 

Phys.

 

Res.

 B172, 79-484 

(2000) .

 

[24]

  E.

 M. 

W i ld ,

 K. A. Arlamovsky, 

R. 

Golser, W . Kutschera,

 

A.

 

Priller, S. Puchegger, W . Rom , P Steier, an d W . Vycudilik, '* C

 

dating

 

with

 

he

 

omb 

peak:

 

n

  application 

to

  forensic

 

medicine,  ucl. 

nstrum.

 

Meth.

 

hys.

 es . 172,

 

44-950 

(2000) .

 

[25]

  L.  

Currie, D.

 

Klinedinst, 

R.  

Burch, N.

 

Feltham, nd

 R.  

Dorsch,

 

Authentication

 

an d

  Dating  of Biomass  Components

  of 

Industrial Materials: inks o Sustainable Technology, Nucl. 

Instrum. 

Meth.

 Phys. 

Res.

 

B172,

 8 1-2 8 7 (2000) . 

[26]

  G Clayton,

 

J.

 

Arnold,

 

an d

 F.

 Patty, 

Determination of Sources

 

of 

Particulate

 

Atmospheric  

Carbon,

 

Science

 122,

 

51-753(1955). 

[27]

  J.

 

P

 Lodge, 

G

 S. Bien, and H. 

E.

 Suess,

 

Th e Carbon-14

 Content 

of Urban Airborne Particulate Matter, nt.  

J.

 A ir Pollut. , 30 9

 

(1960) . 

[28]

  T. . Maugh, 

ir

 pollution: here o ydrocarbons om e 

trom?

 

Science

 

189,

 

2 77

 

(1975). 

[29]

  L.  

A.

 

Currie,

 Evolution 

an d

 Multidisciplinary  Frontiers of

  C

 

Aerosol Science, Radiocarbon 42 , 15-126 (2000) .

 

2 1 5

 

Page 32: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 32/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

[30]

 . K. Stevens, C . W . Lewis, T. G . 

Dzubay,

 R. E. Baumgardner, 

R. B.

 

Zweidinger,

 

. R. Highsmith,

 

L.

 

T. 

Cupitt,

 

.

 Lewtas, 

L.

 

.

 

laxton,

 

.

 

.

 

urrie,

 

.

 

.

 

louda,

 

nd

 

.

 

ak , 

Mutagenic

 

Atmospheric

 

Aerosol

 

ources

 

Apportioned

 

Receptor

 Modeling, ASTM  Monograph ST P 052, Monitoring

 

Methods fo r Toxics in th e Atmosphere,  W . L. Zielinski, 

Jr.

 an d 

W .  . orko, 

ds.,

 mer. oc . 

esting

 

Mtls.,

 hiladephia 

(1990)

 pp .

 

87-196. 

[31]

 

B.

 Klinedinst, nd

 L. 

A. Currie, 

Direct Quantification 

of

 

PM2.5 Fossil

 

nd

 

Biomass

 

Carbon

 

within

 

the  Northern 

Front 

Range A ir Quality Study's Domain, Environ. Sci. Technol. 33 , 

4146-4154(1999). 

[32]

 

.

  louda, .  . ewis, . 

.

 tiles, 

.

 . 

Marolf,

 

W . D. 

Ellenson,

 

nd

 W . A. 

Lonneman,

 

Biogenic

 contributions 

to 

tmospheric

 olatile rganic ompounds n zusa,

 

California, J. Geophys. Res. 07 (D8) 0. 102 9/2 001J D0007 5 8

 

(2002) . 

[33]

 . K uc

 

an d 

M. 

Zi mno c h , Changes of th e C O 2

 

sources 

an d sinks

 

in

 a

 

polluted

 

urban

 area

 (Southern Poland)

 

over

 t he last

 

decade,

 

derived

 

from th e 

carbon 

isotope

 composition. Radiocarbon

 40 ,

 

417-423 (1998) .

 

[34] 

.

 A. Muller, Radioisotope dating with  yclotron. Science 

196,489-494(1977). 

[35]

 

.

  elson, . orteling, 

nd

  . tott, arbon-14:  irect 

detection 

t

 atural oncentrations. cience 98 ,

 0 7- 50 8

 

(1977).

 

[36] . L. Bennett, 

R.

 P Beukens, M.  R. Clover, H . E. Gove, 

R.

 

B. 

Liebert, A. E. Litherland, K. H . 

Purser,

 nd  W . E. Sondheim, 

Radiocarbon

 

dating using lectrostatic

 

ccelerators: egative 

ions

 

provide

 

the

 

key.

 

Science

 

198,

 

508-510

 

(1977) . 

[37]

 

. W olfli,

 Advances

 n 

ccelerator 

mass pectrometry, Nucl.

 

Instrum. Meth. Phys. Res. B29, -1 3 (1987) .

 

[38] Dam on , D.  

J.

 Donahue, B.  H . Gore, A. L.  Hatheway, A. 

J.

 

T.

 

Jull,

 T. W . Linick, P J. 

Sercel,

 L.  J. 

Toolin,

 C . R.  Bronk, E. T. 

Hall,

 R. E. 

M.

 Hedges,

 

R. 

Housley,

 .

 

A. 

Law,

 C . Perry, G 

Bonani,

 .

 rumbore, 

.

 W olfli , 

. mbers, 

. G

 

B owm an ,

 

M.  N .

 

Leese,

 

an d M.

 

S.

 

Tite,

 Radiocarbon

 dating of

 

the  Shroud of Turin, Nature 337 , 

611-615

 (1989) . (See 

also

 the  

website: www.shroud.com/papers.htm or hi s rticle 

(.../nature.htm) 

nd

 

others

 contained 

n

 a 

large

 on-line collec- 

tion of scientific 

rticles

 reating 

various

 

spects

 of Shroud 

research.)

 

[39] ritish roadcasting orporation:  ocumentary, hreds f

 

Evidence,  Timewatch series (1988) . 

[40]

 

.

 

ove,

 

elic,

 

con,

 r 

oax?

 arbon  ating he urin 

Shroud,

 nstitute f hysics ublishing, ristol 

nd

 

Philadelphia

 (1996) .

 

[41]

 . 

W ilson, A n

 

ppraisal

 of

 th e mistakes

 

made 

egarding

 he

 

Shroud  samples aken in 988, Proc. 3r d 

Intern.

 Conf n 

the

 

Shroud

 of

Turin. Turin, 

June

 1998. (www.shroud.com/wilson.htm). 

[42]

 rticles xamining non-contemporaneous 

rganic

 ontamina- 

tion f

 extiles:

 

)

 

.

 

ove,

 . 

Mattingly,

 

.

 

avid,

 

nd

 

L.

 Garza-Valdes, A 

problematic 

ource

 of

organic

 

ontamina-

 

tion of linen, Nucl. 

nstixim.

 Meth. Phys. Res. B123, 50 4- 50 7

 

(1997)  ) A. ull, D. Donahue, nd P Dam on , Factors ha t 

affect th e apparent radiocarbon 

ag e

 of textiles. Archaeological 

Chemistry,

 

.

 

rna,

 

d. ,

 

C S

 ymposium

 

eries 

2 5, 

American 

Chemical

 

Society,

 

W ashington

 

DC

 

(1996)

 

Chap.

 

9,

 

pp . 248-253.

 

[43] . A.  Currie, J. D.  Kessler, 

J.

 V. Marolf, A. P McNichol, D.  R. 

Stuart,

 . C . Donoghue, D. . Donahue, G S. 

Burr,

 nd

 

D. 

Biddulph,  Low-level  (submicromole)  environmental

 

meh-ology, Nucl. nstrum. Meth. 

hys.

 

es .

 172, 40-448 

(2000) .

 

[44]

 

.

 

B.

 

Klinedinst,

 

an d

 

L.

 

A.

 

Currie,

 

Radiocarbon

 

blank

 

correc- 

tion:

 

Methodologies 

an d

 

limitations

 

in

 a major

 

urban 

study

 of 

carbonaceous aerosols, Nucl. Insttum. Meth. Phys. Res. 

B172, 

545-550  

(2000) .

 

[45]

 . A. Currie, E. 

M.

 Eijgenhuijsen, 

nd

 G A. Klouda, 

O n

 

he

 

validity f 

he

 oisson  ypothesis or ow-level ounting; 

investigation

 

of

 the  

distributional

 

characteristics of

 

background 

radiation 

with

 

he 

NIST 

ndividual Pulse Counting System,

 

Radiocarbon 40 , 13-127 (1998) . 

[46]

 . A. 

urrie,

 om e as e tudies f kewed an d ther 

b-

 

normal)

 data

 

distoibutions 

rising 

n

 ow-level nvironmental 

research, Fresenius 

J. Anal.

 

Chem.

 370 ,

 

70 5- 71 8 

(2001) .

 

[47] .

 

Danin, nd U.

 

Baruch,

 

Floristic

 

indicators

 

fo r th e origin 

of 

the Shroud of

 

Turin, 

Proc.

 3r d Intern. Conf n th e Shroud of

 

Turin.

 

Turin,

 

June

 

998. 

(www.shroud.com/pdfs/daninx.pdf). 

[48]

 . 

Long,

 O . Davis, 

an d 

J.

 

de Lanois,

 Separation 

an d

 

dating 

of pure pollen 

from

 

lake

 

sediments:

 anofossil 

AM S

 dating," 

Radiocarbon

 34 ,

 

557-560

 

(1992) .

 

[49] . A. Currie, 

J.

 E. Dibb, 

G

 A. Klouda, 

B.

 A. Benner, Jr., J. M .

 

Conny,

 S. 

R.

 Biegalski, D. 

B.

 Klinedinst, D. 

R.

 Cahoon, 

nd

 

N.  C . 

Hsu,

 Th e pursuit of isotopic 

an d

 molecular fire tracers in 

the 

polar

 

tmosphere 

nd 

ryosphere. Radiocarbon

 40 ,

 

381-

 

390, 416f

 

(1998) .

 Se e

 lso:

 

.C .

 

Hsu, . 

R.

 

Herman,

 P 

K. 

Bhartia,  C.  J.

 

Seftor, 0. Torres, A.  M. Thompson, J. 

F.

 Gleason,

 

T F. Eck, nd 

B.

 N. Holben, Detection of biomass burning

 

smoke iom 

T O M S

 measurements, Geophys. es . 

ett.

 

3 ,

 

745-748 

(1996) .

 

[50]

 

.

 

W eissenbok,

 

L.

 

A.

 

urrie,

 

C.

 

Grollert,

 W .

 

Kutschera,

 

A.

 

Priller,

 

.

 

uxbaum,

 

.

 

om ,

 

.

 

teier,

 

nd

 

.

 

Marolf, 

Accelerator Mass pectrometry Analysis f

 

Non-soluble

 

Carbon n Aerosol articles ro m  ig h Alpine no w M t. 

Sonnblick, Austoia), Radiocarbon 

42 ,

 285- 29 4 

(2000) .

 

[51]

 A R B O S O L : resent nd etrospective 

tate

 f 

rganic

 s 

inorganic

 

erosol

 ve r

 urope: mplications

 

or limate,

 

European Union; M.  Legrand,  coordinator, (2001-) .

 

[52] 

.

 

E.

 Dibb, 

R.

 W . 

Talbot,

 S. 

.

 W hitiow, M. 

C .

 Shipham, . 

W interle, J. McConnell,  

an d

 R. Bales, Biomass burning signa- 

tures

 

n

 

he

 tmosphere 

nd

 no w t Summit ,

 Greenland:

 

n

 

event

 n 

August 

994,

 Atmospheric

 

Environment 30 , 

53 -

 

56 1 1996) .

 

[53] 

F. Slater, L. A.

 

Currie, .

 

E.

 

Dibb,

 

nd 

B.

 A.

 

Benner,

 

r.,

 

Distinguishing

 

he

 

elative

 

ontribution

 

f

 

ossil-fuel

 

an d iomass ombustion erosols eposited 

t

 ummit, 

Greenland, through 

isotopic

 

an d

 molecular characterization  of 

insoluble

 arbon. 

tmospheric

 

nvironment

 6, 463-4477

 

(2002) .

 

[54] 

.

 . Dibb, onvenor, American Geophysical Union Special 

Session: Relationships etween he Composition f he 

Atmosphere 

nd

 now, AG U 

Fall

 Meeting Sa n Francisco, 

December 

998).

 

[55] 

.

 A. Currie,

 

. D. Kessler, R. A. Fletcher, nd 

.

 

E. 

Dibb,

 

Long-range transport of

 

biomass aerosol to Greenland:  ulti-

 

spectroscopic investigation of particles deposited in th e snow, J 

Radioanal.  

Nucl.

 

C h em .

 2 63  

( 20 0 5)

 

in press.

 

[56]

 

.

 D. 

Kessler,

 

L.

 

A. 

Currie,

 

E.

 

S.

 

W indsor,

 

an d

 

D.

 

E.

 

Newbury, 

Seasonal

 

ecord

 

f

 

otal

 

articulate

 

matter

 

mbedded

 

n

 

Greenland

 

urface

 now, Microsc. Microanal. , 78-479

 

(2001) . 

[57]

 . Fletcher, R. Dobbins, an d H.-C. 

Chang,

 

Mass

 Spectrometry 

of particles Formed 

n

 Deuterated Ethene Diffusion 

Flame,

 

Anal.

 

C h em .

 70 ,

 No . 

3, 

2745-2749

 

(1998) .

 

2 1 6 

Page 33: History of Radiocarbon

7/23/2019 History of Radiocarbon

http://slidepdf.com/reader/full/history-of-radiocarbon 33/33

Volume

 09 , Number 2,  March-April 2 0 0 4 

Journal of Research

 

of

 

th e National

 

Institute of Standards an d Technology 

[58]

 . uxbaum, 

nd

 M. enze-Kunit, 

ize

 istribution nd 

seasonal ariation f atmospheric ellulose, Atmospheric 

Environ.

 

37 ,

 

3693-3699

 

(2003) . 

[59]

 

.

 auer,

 

.

 asper-Giebl, 

.

 

oflund,

 

.

 

iebl,

 

Hintzenberger, F. Zibuschka, nd H. Puxbaum, Th e ontribu-

 

tion of bacteria 

an d

 fungal spores to the  organic carbon content 

of loud water, recipitation nd erosols. Atmospheric 

Research 64 , 09-119  

(2002) .

 

[60]

 

.

 W . 

Stafford,

 Jr., P .

 

E. 

Hare,

 L.

 A.

 

Currie,

 

A.

 

J.

 

T.

 

Jull,

 

an d D.

 

Donahue, Accuracy 

of

 North 

American

 Hu ma n Skeleton

 

Ages,

 

Quartemary Res. 34 , 11-120 (1990) . 

[61]

 . Goebel, M. R. W aters, nd  M. Dikova, 

Th e

 rchaeology of 

Ushki Lake, Kamchatka,

 nd

 

he

 Pleistocene peopling of

 the

 

Americas, 

Science

 301 ,

 50 1 - 50 5

 

(2003) .

 

[62] 

A.

 

Currie, 

B. 

A.  Benner, 

Jr.,

 H . Cachier, 

R.

 Gary, 

J. 

C.  Chow,

 

E. R. M.  Druffel, 

T.

 

I.

 Eglinton, O . Gustafsson, 

P

 C . Hartmann,

 

J.

 I.

 

Hedges,

 

J.

 

D.

 

Kessler,

 

T.

 

W .

 

Kirchstetter,

 

D.

 

B.

 

Klinedinst, 

G A. Klouda,

 

.

 

. Marolf, C .

 

A. Masiello,

 

T.

 

Novakov, 

A.

 

Pearson, 

K.

 

M.

 rentice,  . uxbaum, . G 

uinn,

 

.

 

M.

 

Reddy,

 

H . Schmid,

 

F.

 Slater, 

.

 W atson, nd 

S. 

A. W i se,

 A 

Critical Evaluation 

of

 

Interlaboratory 

Data

 

on Total, Elemental,

 

an d

 sotopic Carbon n 

he

 Carbonaceous Particle Reference 

Material, NIST 

SR M

 649a, J. Res. Natl. Inst. 

Stand.

 

Technol.

 

107,

 279 - 29 8

 

( 20 0 2) .

 

[63]

 IS T

 SR M

 649a Urban 

Dust) Certificate of Analysis, 

an . 

2 001

 

http://nist.gov/srm).

 

[64] . M.  

Reddy,

 A.  Pearson, L. X u, A.  P McNichol, 

B.

 A. Benner,

 

Jr., S. A.  

W i se,

 G A. Klouda, L.  A. Currie, an d T. . Eglinton, 

Radiocarbon s

  oo l

 

o

 pportion 

he ources 

of polycyclic 

aromatic

 

hydrocarbons

 

and black carbon

 

in

 environmental

 

sam- 

ples.

 

Environ.

 

Sci.

 

Technol.

 

36 , 774-1782

 

(2002) .

 

[65] . A. Currie, 

G

 A. Klouda, 

B.

 A. Benner, r., K. Garrity, nd

 

T.

 

.

 glinton, sotopic nd Molecular ractionation n 

Combustion; 

Three

 Routes o Molecular

 

Marker 

Validation,

 

including irect olecular 

Dating

GC/AMS), tm . 

Environ.

 33 ,

 2 7 8 9-2 8 06

 

(1999) .

 

[66] . 

.

 Eglinton,

 L.

 

Aluwihare,

 . E.

 Bauer,

 E. R. 

M. Druffel,

 

an d

 

A.  P . McNichol, as chromatographic isolation of individ- 

ua l

 compounds from  complex matrices 

fo r

 radiocarbon 

dating.

 

Anal.

 

Chem.

 68 , 

9 0 4- 9 1 2

 

(1996) .

 

[67]

 .

 Hughey, 

P

 

L. 

Skipper, 

R.

 

E.

 

Klinkowstein,

 R. 

E.

 

Sheffer, 

J.

 

S.

 

W ishnok,

 

an d S.

 R.

 Tannenbaum, Low-energy 

biomedical 

G C - A M S ystem 

or

 '^C nd 

H

 etection,  ucl. nstrum.

 

Meth. 

Phys.

 

Res.

 B172, 40-46 (2000) . 

[68]

 . S. Rowland, Atmospheric Chemistry; Causes 

nd Effects,

 

Marine

 Technol.

 Soc. J. 2 5, 

2-18

 

(1991) .

 

(2001), an invited

 

NIST

 Sigma Xi lecture (1998), and a

 

plenary

 

ecture

 

he

 ourteenth

 

adiochemical

 

Conference

 

2002) .

 

t

 

he

 

onference

 

n

 

002,

 

Dr. 

urrie

 

w as 

presented

 he .M .

 

arci

 

medal,

 

he 

highest award ofthe Czech Spectroscopic Society ofthe

 

Czech 

Academy f Sciences.

 

he ational

 nstitute 

of Standards 

nd

 

echnology

 s 

n gency

 f

 he 

Technology 

dministration,

 .S. 

epartment

 

f

 

Commerce.

 

About

 

the

 

author:

 Dr L.A. Currie 

is

 an 

NIST

 

Fellow

 

Emeritus

 

n he hemical

 

cience

 nd 

echnology 

Laboratory. 

he 

deas behind

 

his rticle were

 

first 

conceived bout 5 ears go 

n

 

onnection

 ith 

lectures at 

NIH

 and the University 

of

 Maryland,

 

and

 

as

 

n

 

utgrowth

 

of

 

the

 

author's

 

esearch

 

n

 

nviron-

 

mental adiocarbon while eader 

of

 the

 

Atmospheric 

Chemistry Group at  

NIST. 

Th e concept and scope 

of

the 

article 

were

 

rystallized in

 onnection 

with uncheon