Vòng gỗ hàng năm

Các mặt cắt ngang cắt qua thân cây để lộ các vòng sinh trưởng, chính xác hơn là vòng gỗ hàng năm. Vòng gỗ hàng năm là kết quả của sự phát triển mới trong các lớp của tầng sinh mạch, tạo ra một lớp tế bào gần vỏ cây gọi là mô phân sinh bên; sự tăng trưởng về đường kính này được gọi là sinh trưởng thứ cấp. Các vòng gỗ này là kết quả của sự sinh trưởng qua các mùa trong năm; một vòng thường đánh dấu một năm trôi qua trong vòng đời của cây. Loại bỏ vỏ cây ở một khu vực cụ thể có thể gây móp méo các vòng gỗ sau này.

Các vòng gỗ rõ ràng và khác biệt hơn ở những cây mọc ở ôn đới, nơi các mùa khác nhau rõ rệt hơn. Phần bên trong của vòng sinh trưởng hình thành vào đầu mùa sinh trưởng, khi cây sinh trưởng tương đối nhanh (do đó mật độ gỗ ít hơn) và được gọi là "gỗ sớm" (hoặc "gỗ xuân", hoặc "gỗ xuân muộn"[19]); phần bên ngoài là "gỗ muộn" (đôi khi được gọi là "gỗ mùa hè" vì thường được sản xuất vào mùa hè, đôi khi vào mùa thu) và mật độ gỗ nhiều hơn.[20]

Nhiều cây ở vùng ôn đới tạo ra một vòng sinh trưởng mỗi năm, vòng mới nhất tiếp giáp với vỏ cây. Do đó, trong toàn bộ thời gian sống của cây, một dữ liệu hàng năm thông qua vòng gỗ được hình thành phản ánh tuổi của cây và điều kiện khí hậu mà cây đã phát triển. Độ ẩm đầy đủ và một mùa sinh trưởng dài dẫn đến vòng rộng và sáng, trong khi một năm hạn hán có thể dẫn đến vòng rất hẹp và tối.

Việc đọc trực tiếp niên đại của các vòng gỗ hàng năm là một môn khoa học phức tạp vì nhiều lý do. Đầu tiên, trái ngược với mô hình một vòng mỗi năm, các điều kiện thuận lợi và khó khăn xen kẽ, chẳng hạn như ấm áp vào giữa mùa xuân và lạnh giá vào mùa đông, có thể dẫn đến một số vòng gỗ hình thành trong một năm nhất định. Ngoài ra, một số loài cây cụ thể có thể có "các vòng bị thiếu" và điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn cây để nghiên cứu về các khoảng thời gian dài. Trường hợp thiếu vòng gỗ này dù rất hiếm, nhưng có xuất hiện ở chi Sồi và chi Du.[21]

Các cây sống trong cùng một khu vực có xu hướng phát triển các vòng gỗ giống nhau trong một khoảng thời gian nhất định. Các nhà nghiên cứu có thể so sánh và đối chiếu các mẫu này theo từng vòng gỗ với các mẫu từ các cây mọc cùng thời điểm trong cùng một khu vực địa lý (có các điều kiện khí hậu tương tự). Khi có thể xếp khớp các mẫu vòng cây này trên các cây liên tiếp trong cùng một địa điểm, theo kiểu chồng chập lên nhau, thì có thể xây dựng trình tự thời gian cho toàn bộ khu vực địa lý và cho các tiểu khu vực. Hơn nữa, gỗ từ các cấu trúc cổ xưa với niên đại đã biết có thể được so khớp với dữ liệu vòng cây (một kỹ thuật gọi là xác định niên đại chéo) và nhờ đó tuổi của cây gỗ có thể được xác định chính xác. Các nhà nghiên cứu niên đại học thụ mộc ban đầu tiến hành xác định niên đại bằng cách kiểm tra trực quanː đếm vòng gỗ; gần đây hơn, họ dùng máy tính để thực hiện nhiệm vụ, áp dụng các kỹ thuật thống kê để đánh giá sự phù hợp. Để loại bỏ các trường hợp ngoại lệ trong sự phát triển của vòng cây, các nhà nghiên cứu lấy giá trị trung bình độ rộng vòng gỗ của của nhiều mẫu cây đã được làm mịn để xây dựng lịch sử vòng gỗ. Lịch sử vòng gỗ không xác định ngày bắt đầu và ngày kết thúc được gọi là niên đại biến động (floating chronology). Nó có thể được xác định cụ thể bằng cách đối sánh chéo với một niên đại khác (lịch sử vòng cây) có ngày chính xác hơn.

Một số niên đại đã hoàn toàn được xác định và khớp chéo, ví dụ như trường hợp gỗ sồi và gỗ thông ở trung tâm châu Âu có niên đại 12.460 năm,[22] hoặc niên đại của gỗ sồi có từ 7.429 năm ở Ireland và 6.939 năm ở Anh.[23] So sánh tuổi carbon phóng xạ và dùng niên đại học thụ mộc hỗ trợ tính nhất quán của hai phương pháp độc lập này.[24] Một niên đại được xác định đầy đủ khác kéo dài 8.500 năm tồn tại ở cây thông lông cứng ở Tây Nam Hoa Kỳ (Núi Trắng ở California).[25]

Phương trình niên đại thụ mộc

Phương trình niên đại thụ mộc xác định quy luật tăng trưởng của các vòng gỗ hàng năm. Phương trình được đề xuất bởi nhà sinh lý học người Nga Alexandr N. Tetearing trong tác phẩm "Theory of populations" (tạm dịchː Lý thuyết quần thể)[26] dưới dạng:

trong đó ΔL là độ rộng vòng gỗ hàng năm, t là thời gian (tính bằng năm), ρ là khối lượng riêng của gỗ, kv là hệ số tỷ lệ, M(t) là hàm khối lượng sinh trưởng của cây.

Bỏ qua các dao động hình sin tự nhiên của khối lượng cây, công thức cho sự thay đổi độ rộng vòng gỗ hàng năm là:

trong đó c1, c2 và c4 là hệ số tỷ lệ, a1 và a2 là các hằng số dương.

Công thức này rất hữu ích để tính gần đúng dữ liệu mẫu trước khi chuẩn hóa dữ liệu. Các dạng điển hình của hàm ΔL(t) của vòng gỗ hàng năm được thể hiện trong các hình.

Lấy mẫu và phân tích

Niên đại học thụ mộc cho phép dùng các mẫu vật đã chết để xác định niên đại chính xác tới một năm cụ thể.[27] Đơn vị ngày thường được thể hiện dưới dạng năm dương lịch ước tính, ký hiệu B.P. (Before Present) có nghĩa là "trước hiện tại", trong đó "hiện tại" đề cập đến ngày 1 tháng 1 năm 1950.[27][lower-alpha 1]

Các lõi gỗ được lấy mẫu và dùng để đo chiều rộng của các vòng sinh trưởng hàng năm; bằng cách lấy mẫu từ các địa điểm khác nhau trong một khu vực cụ thể, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng một chuỗi lịch sử toàn diện. Các kỹ thuật của niên đại học thụ mộc phù hợp hơn ở những khu vực mà cây cối mọc trong các điều kiện cận biên như khô cằn hoặc bán khô cằn nơi sự phát triển của vòng gỗ hàng năm nhạy cảm hơn với môi trường, thay vì ở những khu vực ẩm ướt nên sự phát triển của vòng gỗ đồng đều hơn. Ngoài ra, một số chi cây phù hợp cho loại phân tích vòng gỗ này. Ví dụ, các loài thông bristlecone đặc biệt sống lâu và phát triển chậm và đã được sử dụng rộng rãi trong niên đại học thụ mộc; mẫu vật còn sống và đã chết của loài này cung cấp vòng gỗ có từ hàng nghìn năm trước, ở một số vùng hơn 10.000 năm.[28] Hiện tại, khoảng thời gian tối đa cho niên đại được tính toán đầy đủ là hơn 11.000 năm B.P.

IntCal20 là "Đường cong hiệu chỉnh tuổi carbon phóng xạ" năm 2020, cung cấp chuỗi ngày carbon-14 được hiệu chỉnh tính từ 55.000 năm trước. Phần gần đây nhất, cách đây 13.900 năm, dựa trên các vòng gỗ hàng năm.[29]

Trình tự tham chiếu

Niên đại tính cho châu Âu bắt nguồn từ các cấu trúc bằng gỗ cho thấy có một sự gián đoạn xây dựng, trùng hợp với Cái Chết Đen.[30]. Tuy nhiên, vẫn tồn tại những niên đại không gián đoạn từ thời tiền sử, ví dụ như niên đại của Đan Mạch có từ năm 352 trước Công nguyên.[31]

Với một mẫu vòng gỗ, sự thay đổi của sự phát triển vòng cây không chỉ cung cấp sự phù hợp theo năm mà còn có thể phù hợp với vị trí vì khí hậu thay đổi từ nơi này sang nơi khác. Điều này cho phép xác định nguồn gốc của các con tàu cũng như các đồ tạo tác nhỏ hơn làm từ gỗ được vận chuyển trên một quãng đường dài, ví dụ như các tấm tranh và gỗ đóng tàu.

Ghi nhận bão mặt trời

Các cơn bão mặt trời có niên đại đã biết, chẳng hạn như các cơn bão vào năm 774-775 và 993-994, có thể cung cấp một điểm tham chiếu thời gian khi chúng gây ra sự gia tăng đột biến carbon 14 trong các vòng gỗ hàng năm trong năm đó trên toàn thế giới. Ví dụ, những ngôi nhà gỗ ở di chỉ Viking tại L'Anse aux Meadows ở Newfoundland đã được xác định niên đại bằng đo sự gia tăng nồng độ carbon-14 trong vòng gỗ do tia vũ trụ gây ra vào năm  993, cho thấy gỗ được lấy từ một cây bị đốn vào năm 1021.[32]