Araştırma Kimyacısı
Ulusal Standartlar Bürosu
Washington, DC 20234
Taslak
- Smog
- Radyokarbon Tarihleme
- "Canlı" ve "Ölü" Karbon
- İs ve Diğer Parçacıklar
- Fosil ve "Yaşam Kaynaklı" Karbon
- On Miligramlık Numuneler
- Birinci Dünya Savaşı’ndan Demir
- 1950’lerden Şaraplar
- Tekil Parçacık Sayımı
- Mu-Mezon Dışlama
- Birçok Bölgeden Numuneler
- Günün Birçok Zamanından Numuneler vb.
- Çevre Koruma Ajansı’nın Zor Görevi
- Heyecan Verici Gelecek
1. Smog
Yaklaşık altı yıl önce Science dergisinde, ağaçların atmosferi kirlettiğini okudum. O makalenin yazarları, ciddi miktarda kentsel kirliliğin yakın ormanlardan kaynaklanabileceğini öne sürüyordu. Bu soruya yanıt bulmanın son derece iyi bir yolunun radyokarbon ölçümü olduğunu düşündüm.
Atmosferik kirlilik smogdur. Smog nedir? Nasıl oluşur? Nereden gelir? Neyden oluşur? Örneğin, "Denver kahverengi bulutu"nun ne kadarı ağaçların solunum süreçlerinden, ne kadarı odun gibi "doğal" yakıtların ya da kömür gibi fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanmaktadır?
Jeolojik bir bilim insanı genellikle bir eserden 1 ila 10 gram karbon kullanırken, biz sistemimizi 10 miligram karbonla çalışacak şekilde tasarladık.
Ulusal Standartlar Bürosu’nun Gaz ve Parçacık Bilimi Bölümü olarak, karbon izotopu 14 olan radyokarbonu kullanarak tarihleme tekniklerini uygulamak suretiyle bu sorulara yanıtlar aradık.
2. Radyokarbon Tarihleme
Radyokarbon tarihleme, arkeolojik eserlerin ya da jeolojik numunelerin yaşını belirlemek için sıkça kullanılan bir yöntemdir ve kararsız karbon-14 (C-14) izotopunun, kararlı izotopu olan karbon-12’ye (C-12) oranının ölçülmesini içerir. 1940’ların sonlarında Willard Libby, karbon-14’ün kozmik ışınlar tarafından atmosferde üretildiğini ve bitkilerin solunumu yoluyla karbondioksit biçiminde tüm canlı maddelere dağıldığını keşfetmiştir.
Bir bitki ya da hayvan hayatta kaldığı sürece, çevreyle sabit bir hızda karbon-14 alışverişi yapmaya devam eder. Ancak bir organizma öldükten sonra, içindeki karbon-14 düzeyi radyoaktif bozunma yoluyla giderek azalır.
Yaklaşık 5.700 yıl sonra, başlangıçtaki C-14 derişiminin yalnızca yarısı kalır. Bu da, yaklaşık 40.000 yıldan daha genç eserler için, bilim insanlarının eserde bulunan radyokarbon düzeyini canlı maddelerdeki düzeyle karşılaştırarak yaklaşık bir yaş hesaplayabilmesini sağlar.
Bu aynı zamanda, radyokarbon ölçümlerinin, fosil yakıtların yanmasıyla üretilen karbon bileşikleri ile ağaçlar ya da odun yakılmasıyla üretilenler arasında ayrım yapmak için kullanılabileceği anlamına gelir.
3. "Canlı" ve "Ölü" Karbon
Kömür ve petrol gibi fosil yakıtlar ölüdür; yani yaklaşık 300 milyon yıl önce yaşamışlardır ve bu nedenle içlerindeki radyokarbon çoktan bozunmuştur. Buna karşılık, ağaçlar tarafından salınan odun ve organik bileşikler (örneğin terpenler ve izoprenler), canlı maddelerdekiyle yaklaşık aynı C-14 düzeyini içerir.
4. İs ve Diğer Parçacıklar
Bu kaynaklardan herhangi biri tarafından üretilen atmosferik karbonun aşırı dengesi bir dizi soruna yol açabilir.
Siyah elementel karbon parçacıkları (is), görüş mesafesini azaltan kirlilik pusunun başlıca nedenidir. Bu parçacıklar ayrıca güneş ışınımını emme eğilimindedir, ısınmaya neden olur ve atmosferdeki aşırı karbondioksitin ürettiği sözde "sera etkisini" güçlendirebilir.
Bazı karbon bileşikleri, belirli polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH’lar) gibi, bilinen kanserojenler ya da mutajenlerdir; diğerleri ise solunum rahatsızlıklarına neden olabilir. Bazı organik karbon bileşikleri, alt atmosferde insanlar ve diğer hayvanlar için toksik olan ozonun oluşumuna da yol açabilir. Paradoksal olarak, metan gibi diğer organik bileşikler üst stratosfere yayılabilir ve güneşten gelen zararlı ultraviyole ışınımı engelleyen yararlı ozon tabakasının parçalanmasına neden olabilir.
Atmosferdeki karbon düzeyine insanın ne kadar katkıda bulunduğu önemlidir; çünkü doğa üzerinde çok fazla kontrolümüz yoktur. Endüstrinin salımları doğanınkilerle kıyaslandığında önemsizse, sanayiye katı kontroller getirmek çok anlamlı değildir. Öte yandan, endüstrinin katkılarının kayda değer olduğuna işaret eden çok sayıda kanıtımız vardır. Çevresel düzenlemeleri mümkün olan en sağlam bilimsel temele oturtmaya yardımcı olmak için, her bir kaynaktan ne kadar karbon geldiğini belirlemeye çalışıyoruz.
5. Fosil ve "Yaşam Kaynaklı" Karbon
Birçok bilim insanı kirleticilerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini analiz ederek kaynaklarını izlemeye çalışırken, araştırma grubumuz fosil ve biyojenik kirlilik arasında ayrım yapmak için bir radyokarbon tekniği kullanmaktadır.
İlke son derece basittir, ancak uygulamada gerçekleştirilmesi oldukça zordur.
6. On Miligramlık Numuneler
Karşılaştığımız ilk engel, çok küçük numunelerle çalışabilecek bir karbon-14 ölçüm sistemi tasarlamak oldu. Radyokarbon tarihlemede, jeolojik bir bilim insanı genellikle bir eserden 1 ila 10 gram karbon kullanarak yaş tayini yapar. Ancak en kirli kentsel alanlarda bile havanın metreküpü başına nadiren 50 mikrogramdan (0,00005 gram) fazla karbon bulunduğundan, 10 gramlık bir numune toplamak birkaç yıl alır.
Sistemimizi, bir numunenin 1.000 kat daha azıyla, yani yalnızca 10 miligramla çalışabilecek şekilde tasarladık. Ölçümleri uygulanabilir kılmak için, geleneksel radyokarbon tarihlemenin tüm tekniklerini ve bunlara ek olarak birkaç ilave elektronik ve kimyasal tekniği kullandık.
7. Birinci Dünya Savaşı’ndan Demir
Örneğin, küçük numuneler için bir radyokarbon ölçüm aygıtı kurma sürecindeki ilk adımlarımızdan biri, Birinci Dünya Savaşı’ndan kalma bir top namlusunu değerlendirmeyi içeriyordu. Şans eseri, bu top namlusunu yeni çeliğe dönüştürülmek üzere geri dönüşüme gönderilmesinden hemen önce, Virginia eyaletinin Dahlgren kentindeki ABD Deniz Silahları Laboratuvarı’nda bulmayı başardık. Bunun yerine, namlunun ortasından yaklaşık 6 metrik ton ağırlığında, 1,7 metrelik (5,5 fit) bir bölüm kesildi ve Büro’nun kimya binasına gönderildi; burada artık ölçüm düzeneğinin ayrılmaz bir parçasıdır.
Eski dönem demiri, ortaya çıktığı üzere, mükemmel bir radyasyon kalkanı sağlar. C-14’ün hassas ölçümlerini yaparken, numuneyi kozmik ışınlardan, bina malzemelerinden ve hatta insanlardan gelen dış kaynaklı doğal arka plan radyasyonundan korumak önemlidir. Modern çeliğin aksine, Birinci Dünya Savaşı’ndan kalma namlu, karbon-14 ölçümlerine müdahale edecek serpinti ya da endüstriyel izleyicilerden kaynaklanan çok küçük radyoaktivite miktarları içermez. (Bu arada insanlar, ölçmeye çalıştığımız miktardan yaklaşık 1 milyon kat daha fazla radyoaktivite içerir.)
Bu durum başka bir sorunu gündeme getirir. Atmosferde her bir trilyon karbon-12 atomuna karşılık yalnızca yaklaşık bir karbon-14 atomu bulunduğundan, üretilen karbon-14 miktarındaki küçük bir mutlak artış, bağıl derişimde büyük bir değişikliğe yol açabilir. Bilim insanları, C-14 derişiminin Dünya tarihinin büyük bir bölümünde dengeye yakın olduğunu düşünmektedir. Yani, kozmik ışınlar tarafından oluşan C-14 atomlarının sayısı ile radyoaktif bozunma yoluyla parçalananların sayısı yaklaşık olarak aynıydı ve bu da genel derişimi kararlı tutuyordu.
Daha sonra, 1900’den yaklaşık 1950’ye kadar, atmosfere salınan büyük miktardaki “ölü” fosil yakıt karbonu, karbon-14 derişimini “normal” düzeyinden yüzde 2 ila 3 oranında düşürdü. 1950’den sonra ise, yoğun atom bombası denemeleri bu azalmayı fazlasıyla telafi ederek, doğal olarak bulunacak miktardan yüzde 100 daha fazla C-14 meydana getirdi. (Nükleer patlamalardan çıkan serbest nötronlar, atmosferde C-14 oluşumu açısından kozmik ışınlardan gelen nötronlarla aynı etkiye sahiptir.) 1960’ların ortalarından bu yana C-14 derişimi kademeli olarak azalmış ve tarihsel düzeyine yaklaşmıştır.
8. 1950’lerden Şaraplar
Bu değişimler, radyokarbonun “ortalama” güncel derişimini hesaplamayı zorlaştırıyordu; ta ki Portekiz’deki bir araştırmacı bu soruna dahiyane bir çözüm geliştirene kadar. Portekiz’in Sacavém kentindeki Fizik ve Mühendislik Laboratuvarı’ndan J. S. Lopes ve çalışma arkadaşları, 1950’den günümüze kadar uzanan dönemlere ait Portekiz şaraplarının radyokarbon içeriğini ölçtüler. Sonuç, onlarca yıl geriye uzanan radyokarbon derişim düzeylerinin doğru bir kaydıdır.
Bu kaydı, ölçümlerimizi düzeltmek için bir kalibrasyon eğrisi olarak kullanıyoruz.
9. Tekil Parçacık Sayımı
Bir hava partikül numunesinin C-14 içeriğinin gerçek belirlenmesi, araştırmacıların numuneyi tamamen yakarak tüm elementel ve organik karbonu karbondioksite dönüştürmesiyle başlar. CO₂, yüksek saflıkta kuvars bir silindirden oluşan, bakır folyo ile kaplı ve ortasında tungsten bir tel bulunan gaz orantılı sayaca aktarılır. Sayaç daha sonra yaklaşık 13 santimetre kalınlığında yüksek saflıkta bakırdan bir kalkan içine alınır, top namlusunun merkezine yerleştirilir ve iki ağır çelik kapı ile dış etkilere karşı korunur.
Artık sayım başlayabilir. Folyo kaplamaya negatif bir potansiyel uygulanır ve ortadaki tungsten tel göreli olarak pozitif bir potansiyelde bırakılır. Her C-14 atomu bozunduğunda, atom çekirdeğinden bir elektron fırlatılır ve pozitif yüklü tele doğru hızlandırılır. Bu, bir elektrik darbesi üretir; bu darbe bir minibilgisayar tarafından kaydedilir ve saklanır.
Matematiksel kimyager Robert Gerlach’ın yardımıyla, her sinyalin enerji düzeyi ve “darbe şeklinin” radyokarbona ait olanlarla eşleştiğinden ve rastgele elektriksel boşalmalardan ya da sayaç veya kalkanlama malzemelerindeki kalıntı radyoaktif safsızlıklardan kaynaklanmadığından emin olduk.
10. Mu-Mezon Dışlama
Sayım sisteminin tasarımı, mu-mezonlar tarafından üretilen sinyallerin bozunan C-14 ile karıştırılması olasılığını da ortadan kaldırır. Mu-mezonlar, kozmik ışınlar tarafından üretilen yüksek enerjili parçacıklardır ve toprağın birçok metresini ya da çok sayıda kalkanı geçebilirler. Yer altına inmek zorunda kalmamak için, NBS araştırmacıları bakır kalkanıyla birlikte numuneyi ikinci bir gaz orantılı sayaç içine aldılar. Bu sayaç, birincil sisteme benzer; ancak yalnızca bir tane yerine çok sayıda tungsten tel içerir.
NBS sisteminin elektroniği, dış ve iç sayaçların her ikisinde aynı anda algılanan tüm sinyalleri iptal edecek şekilde tasarlanmıştır. Eşzamanlı sinyaller, bir parçacığın tüm düzenekten geçtiğini gösterir ve dolayısıyla numune haznesi içindeki radyokarbondan kaynaklanmış olamayacağını belirtir.
11. Birçok Bölgeden Numuneler
Elbette deneylerimizin en ilgi çekici kısmı sonuçlardır. Farklı türdeki bölgelerden partiküllerin analizi ve örneklenmesi konusunda birçok üniversite, diğer devlet kurumları ve şirketlerle iş birliği yapıyoruz. Şu ana kadar, ABD’nin çeşitli şehirlerinden, Utah çölünden, Rusya’da uzak bir ormandan, Virginia’daki Shenandoah Vadisi’nden ve Barrow, Alaska gibi görünüşte kendine özgü kirlilik sorunları olan yerlerden toplanmış partikül numuneleri aldık.
Barrow’da, sakinler her bahar büyük metropol alanlarıyla karşılaştırılabilir düzeyde kirliliğe maruz kalmaktadır. Point Barrow pusunun Kuzey Kutbu üzerinden Rusya’dan ya da Avrupa’dan geldiğine dair bazı varsayımlar vardır. Bu numunelerin radyokarbon derişimini bulmak çok ilginç olacaktır.
Diğer yerlerde ise, partikül numunelerindeki biyojenik karbon yüzdesinin yılın zamanına ve diğer etkenlere bağlı olarak önemli ölçüde değiştiğini gördük. Çalışmalarımızın bir kısmında, neredeyse tamamen biyojenikten neredeyse tamamen fosile kadar uzanan tüm derişim aralığını bulduk.
12. Günün Farklı Zamanlarından vb. Numuneler
Aralık 1978’de Denver, Colorado’da General Motors ile birlikte yürütülen bir projede, araştırmacılar hava partiküllerindeki “canlı” karbon yüzdesinin, günün saati, haftanın günü ve dış sıcaklıklar gibi etkenlere bağlı olarak yüzde 10 kadar düşükten yüzde 55 kadar yükseğe değiştiğini buldular. Örneğin, konutlarda yoğun odun yakımının olduğu bilinen bir günde yüksek oranda canlı karbon kaydedildi.
Oregon Graduate Center ile Portland, Oregon’da iş birliği içinde yapılan başka bir çalışmada ise, yerel kereste ve çim tohumu şirketlerinin “artık ve tarla yakımı” adı verilen bir işlem gerçekleştirdiği günlerde, Portland şehir merkezinin üzerindeki pus içindeki karbonun neredeyse yüzde 100’ünün “canlı” karbon kaynaklarından geldiği saptandı.
Los Angeles’ın bir banliyösünde ise belirleyici etken hava koşullarıydı. California Üniversitesi ile yapılan bir çalışma, derişim aralığının en güçlü biçimde rüzgârın hangi yönden estiğine—şehrin trafikle tıkanmış merkezinden mi yoksa komşu ormanlardan mı—bağlı olduğunu gösterdi.
13. Çevre Koruma Ajansı’nın Zor Görevi
Kirlilik kaynaklarını belirlerken bu kadar çok karmaşık değişkenle uğraşmak zorunda kalmak, Çevre Koruma Ajansı’nın (EPA) işini çok daha zor hale getiriyor. Bu nedenle EPA, hava partikül numuneleri hakkında mümkün olduğunca fazla kimyasal ve fiziksel bilgi elde etmeye çalışmak için birçok araştırma projesinin finansmanına yardımcı oluyor. Bu analizler ne kadar ayrıntılı hale gelirse, partiküllerin belirli bölümlerinin kaynaklarının doğru biçimde izlenebilme olasılığı da o kadar artar.
14. Heyecan Verici Gelecek
Radyokarbon kimyası alanının heyecan verici bir geleceği vardır. Gelişmiş ölçüm teknikleri, ilk kez çok küçük numunelerin tek tek kimyasal fraksiyonlarında radyokarbonu saptamayı mümkün kılmaktadır. Bu da yüksek çözünürlüklü örnekleme ile birlikte, çevre boyunca karbon akışını anlamamızı büyük ölçüde artıracaktır.
Birçok üst düzey yönetici, veri işleme konusunda yeterince bilgi sahibi olmadıkları için ondan çekinmektedir.
Bu ciddi bir sorundur.
Üst düzey yöneticiler, EDP yöneticilerinin bilişimi yönetici katının diliyle açıklamasını, bilgisayar jargonu kullanmamasını talep etmelidir.
Veri işlemenin etkin yönetimi, bir yöneticinin işini daha iyi yapmasını sağlar ve şirketlerin daha fazla para kazanmasına yardımcı olur. Ancak hiçbir kuruluş, bilgisayarlaşmadan tam yarar sağlayamaz (ya da kötü bilgisayar planlamasından kaynaklanan pahalı tuzaklardan kaçınamaz), eğer:
- aktif katılım ve
- kapsamlı anlayış
üst yönetim tarafından sağlanmazsa.
Bilgisayar işlemleri yalnızca diğer kurumsal faaliyetleri destekleyen bir işlev değil, aynı zamanda bir şirketin yönlendirilmesinde hayati bir bileşendir.
Bu “yalnızca destek işlevi” bakış açısının nedeni, (buna inanıyorum ki) birçok genel müdürün veri işlemden aslında korkuyor olmasıdır.
Bu korku beni korkutuyor.
(Toronto’da Kanada Bakkaliye Ürünleri Üreticileri’nin yıllık toplantısında yapılan bir konuşmadan alınmıştır.)