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방사성탄소연대측정법과 나무나이테 연대측정법

고고학의 세계 에세이방사성탄소연대측정법과나무나이테 연대측정법농업생명과학대학산림과학부2002-12673김 남 기1. 고고학에서의 ‘시간’모든 역사적 사건은 그것이 발생한 시점을 알 수 있을 때 문화의 기원 및 전파, 인간 집단의 이주방향, 문화의 변동속도 등 그 의미를 해석할 수 있기 때문에, 고고학 자료의 시간적 위치의 정확한 측정은 학문의 성립 이래 항상 중요한 방법론적 문제였다. 그런데 고고학의 주 연구대상인 과거 인류가 남긴 물질적인 자료, 그중에서 특히 선사시대의 고고학적 자료는 그 연대를 직접 알기는 매우 힘들다. 이것의 해결을 위한 수단과 방법이 계속 제시, 개발되어 왔다).고고학적 자료의 체계적인 구조 속에는 3가지 차원, 즉 시간, 공간, 인간행위 등이 있는데 고고학의 연구목적이 과거 인간들의 행위들(이를 종합하면 ‘문화’가 됨)을 이해하는 것이라면 우선 두 차원, 즉 시간과 공간적 차원이 밝혀져야 할 것이다. 그중 고고학에서 시간적인 차원의 연구는 고고학적 자료를 선후관계로 배치하고 연대를 부여하는 작업으로 이를 편년(編年)이라고 부르며, 편년을 설정하는 방법을 편년법(編年法), 혹은 연대결정법(年代決定法)이라고 한다. 고고학에서 편년은 역사학에서의 연대기와 같이 그 자체가 큰 의미를 지니고 있다기보다는 과거문화를 밝히는 기본적인 뼈대의 역할을 한다. 따라서 고고학에서 편년의 설정은 고고학의 연구에 앞서 우선적으로 이루어져야 한다).고고학에서의 연대결정법은 상대연대결정법과 절대연대결정법으로 나뉜다. 상대연대결정법은 고고학 자료의 선후관계를 밝히는 방법으로 층서법, 형식학적 방법, 순서배열법 그리고 교차연대법 등이 있고, 절대연대결정법은 고고학 자료의 연대를 역의 단위로 제시하는 것을 말하는 것으로 19세기에 지질편년법과 교차연대법, 20세기초에 연륜법, 1950년대 이후의 방사성연대측정법 등이 사용되었다.절대연대결정법은 자연과학적인 방법에 의한다는 뜻에서 절대연대측정법으로도 불려지는데 이 절대연대측정법에 의해 얻어진 연대는 역사학에서의 연대와 방사성탄소연대측정법은 1940년대 후반 리비(Libby)에 의해 발견된 것으로 절대연대측정법 중 현재 가장 많이 쓰이고 있는 방법이다. 그 이전에 세계 각지에서 설정된 선사시대 편년이 거의 모두 수정되는 등 고고학계에 지대한 영향을 미친 방법이다).2. 방사성탄소연대측정법2.1 기본 이론방사성탄소연대측정법의 기본이론은 다음과 같다).지구상의 모든 유기물은 대기 중의 탄소를 흡수하여 그 생명을 유지한다. 안정상태의 탄소는 원자량이 12(C12)인데, 대기 중의 질소(N14)의 일부는 외계에서 오는 우주선(cosmic ray)이 대기권에 돌입하면서 작용하여 C14을 생성시킨다.N14 + n(중성자) → C14 + H1생성된 C14은 지구 내의 다른 탄소 동위원소 C12와 같이 일정한 비율(1/1012)을 유지하고 있다. 이 원소는 대기권속에 들어오면 다른 동위원소와 같이 CO2를 형성하게 된다. 따라서 모든 생물체는 호홉을 통해 계속적으로 C14를 내뱉고 받아들이므로 대기권 속의 C14 농도와 평행을 이룬다. 한편 대기권 중의 C14는 바다 속으로도 용해되어 들어가므로 해양의 생물체 역시 C14를 흡수하게 된다.그런데 일단 생물체가 죽으면(나무의 경우 나이테를 형성하고 나면) 호흡을 중지하게 되어 그때부터 C14의 교환이 중단되고 이때부터 안정된 상태의 C12와는 달리 내부에 축적된 C14는 서서히 붕괴하면서 그 수가 줄어들기 시작한다. 즉 β선을 방출하면서 N14로 되돌아가게 된다.C14 → N14+ + β-따라서 잔존하는 C12와 C14의 농도를 측정한다면 C14는 N14로 붕괴하였으므로 그 비율에서 차이를 보이기 마련이다. 자연상태의 C12와 C14 비율과 C14가 N14로 붕괴하는데 필요한 반감기는 상수이기 때문에, 유기물 잔해의 C12와 C14의 비율을 계산할 수 있다면 유기물이 원래 가지고 있던 C14의 양을 알 수 있을 것이고, 이것과 유기물 잔해에서 현재 측정된 C14의양을 비교하면 그 유기물이 생명을 잃은 때부터 현재까지 흐른 시간을 계산할 수 탄소저장고(대기권, 해양, 수권, 유기물질 등)에 있는 탄소원자는 평행상태이다.둘째, 우주선의 선량률(線量率)은 오랜 시간을 두고 일정하다.셋째, 활성적인 탄소저장고는 장기간에 어떠한 변동도 없었다.2.2 편차수정리비가 처음 방사성탄소연대측정법을 발표했을 때, 대기권 내에서 C14농도의 분포가 평형을 이룬다는 사실을 밝힌 바 있다. 그러나 위의 가설이 전부 증명된 것은 아니다. 방사성탄소측정연대와 실연대(實年代)와의 사이에 편차가 생기는 것은 바로 이런 가설에 기인되는 것이다. 이런 편차는 방사성 측정분야에서 고도의 발전으로 어느 정도 그 원인을 구명하고 있다. 그러한 연구에는 수에스효과, 원폭효과 등의 이론이 있다.수에스 효과는 19세기 산업혁명 기간 중 사용된 화석연료의 연소로 인해 많은 양의 비방사성 이산화탄소가 대기권에 도입됨으로써 상대적으로 C14의 농도가 떨어지게 되어 방사성탄소연대가 실연대보다 높게 나타난다는 이론이고, 원폭효과는 원폭실험에 의해 많은 양의 C14가 대기권에 도입되어 편차가 생긴다는 이론이다. 이 밖에도 자연적으로도 대기권의 C14농도가 단기적으로 변동하고 있다는 사실도 밝혀지는 등 방사성탄소연대측정법은 실연대와 편차를 가지고 있다는 것임을 알 수 있다.이러한 편차를 구하는 연구가 1970년대 이후로 활발하게 진행되었다. 리비도 나이테 자료를 이용해 방사성탄소연대를 검증해 보았고 그 결과 실연대와 대체로 일치한다고 주장하면서 다만 고대 이집트 역사자료의 방사성탄소연대가 실연대 보다 낮게 나타남을 시인하고 당시 C14농도가 현재보다 다소 높았다고 보았다. 그러나 그는 반감기가 새로 5730±40년으로 밝혀짐에 따라 그 차이가 줄어들 것으로 기대하였다. 그 후 미국의 캘리포니아대학, 애리조나대학, 펜실베니아대학 등지에서 각각 나이테자료를 바탕으로 C14년대와 실연대 사이와의 차이를 연구하여 그 편차를 수정하는 방법을 제시하였다.T = 1.4R - 1,000T=실연대(나이테 연대), R=C14연대(반감기는 5,730년)2.3 측정방법방77년에 처음 소개된 방법으로 지금까지 β선을 측정하는 것에서 벗어나 고도로 정밀한 질량분석기(質量分析器)에 의해 원자를 직접 헤아리는 방법이다.2.4 시료 취급 방법.시료를 취급하는 방법은 방사성탄소연대측정법에서 가장 주의 깊게 취급해야 할 점이다. 오염된 시료로 측정된 C14년대는 오차가 클 뿐만 아니라, 그 오차의 정도를 전혀 짐작할 수가 없기 때문이다. 오염이 되는 주요원인은 자연발생적인 것과 시료를 취급하는 과정에서 유발되는 것으로 나눌 수 있다. 전자의 경우 현대의 나무뿌리, 지하수, 산의 증기 등이 시료에 들어가서 생기는 것인데, 이런 오염은 실험실에서 어느 정도까지는 제거가 가능하지만 완전한 제거는 불가능하다. 후자의 경우, 시료를 채집할 때 사용하는 기구로부터 떨어지는 칠, 깨끗이 할 때 사용하는 붓의 털, 방부제, 저장용기의 천이나 종이 부스러기 등 주로 발굴시 시료채집을 담당하는 고고학자들의 책임이라고 볼 수 있다.이러한 오염을 최대한 방지하는 바람직한 시료의 채집은 다음과 같다. 첫째, 시료는 주거지에서 출토된 목탄이나 동물뼈, 패층의 패각, 무덤에서의 나무널이나 인골 등과 같이 유적과 직접 관련이 되어야 하고, 채집될 때 확실한 층위나 위치를 가진 것으로서 그 어떤 외부적인 영향을 받지 않은 시료가 적합하다. 둘째, 방사성탄소연대측정시에 필요한 시료의 종류나 양이 연구소나 측정장치에 따라 다르므로 충분히 준비되어야 한다. 셋째, 시료가 채집될 시에는 가능한 한 노출을 피하고 불순물은 핀셋으로 모두 제거하고 바로 플라스틱 용기에 넣고 밀봉하여야 한다. 그밖에 시료를 연구소에 의뢰할 때에는 그 시료에 대한 모든 기록을 동봉하여야 한다.2.5 방사성탄소연대의 의미그런데 또 한가지 고려해야 할 점은 연대측정치가 절대치가 아닌 확률치이기 때문에 하나나 둘 정도의 연대측정치만으로는 특정 고고학적 사건의 연대를 자신있게 말할 수 없다. 외냐하면 이러한 측정방법상의 오차 이외에도 확률계산 그 자체가 스스로 안고 있는 오차의 여지를 감안하여야 하기 때문을 수 있을 때 해당 유적의 연대에 대한 자신있는 확률적 평가가 가능하다.이 측정법의 신빙성에 대한 검토는 계속되고 있고 현재까지의 결론은 다소 제한점이 있으나 후기 구석기시대 이래로 고고학 편년에 절대연대를 제시하는 가장 적합하고 많이 이용되는 연대측정법이라고 말할 수 있다.2.6 우리나라에서의 방사성탄소연대측정법우리나라에서는 탄소연대측정법이 고고학자들 사이에서 그리 큰 인기를 누리지 못하고 있다. 이것은 국내에 믿을 만한 분석기관이 없이 때문이기도 하며, 아울러 지하수나 각종 유기물에 의한 오염문제를 고려하지 않는 시료채집 밑 시료오염과 측정치의 부정확성과의 상관관계를 고려하지 않고 무작정 결과만을 보려는 고고학자들의 태도에도 문제가 있을 것이다).또한 측정된 시료의 수가 절대적으로 부족하고, 탄소연대측정이 일정 연구소에서 측정된 것이 아니라 여러 곳에서 불규칙하게 측정되고 있기 때문에 연구소 간의 오차까지도 염두 해두어야 하는 등 어려움이 많이 따르고 있다).2.7 발전가능성에 대한 개인 견해지금까지 살펴봤듯이 방사성탄소연대측정법은 고고학의 편년연구에 있어서 매우 획기적인 이론이었지만 분명히 그 한계가 지적되어왔다.과학기술은 분명히 지금보다는 발전할 것이다. 언젠가는 탄소연대측정법보다 더 정확하고 획기적인 방법이 나오지 말라는 보장은 없다. 위에 열거된 다른 연대 측정법들 중 일부도 발표 당시에는 훌륭한 이론이었고 고고학사에 있어서도 중요한 위치를 차지하지만 과연 그 것들이 현재에 얼마만큼 이용이 되고 있느냐 하는 것이다. 물론 탄소연대측정법이 발전하여 더 정밀하게 분석 할 수도 있겠지만, 그 비용의 투자에 있어서 어떤 것이 더 효율적인가 하는 점은 분명히 고려되어야 할 듯 하다.게다가 현재 지구의 환경을 고려할 때 탄소연대측정법은 앞으로 오차의 범위가 더 커지지 않을까 한다. 자료를 조사하면서 찾을 수 있었던 탄소연대측정법의 문제점들을 보다가 문득 떠오르는 단어가 있었다. 바로 ‘탄소배출권’이다. 현재 지구는 온실효과로 인해 지구온난화가 심각히 대두되는.

인문/어학| 2008.07.09| 8페이지| 1,500원| 조회(1,009)

나이테, 연대측정법, 방사성탄소

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