ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങ്-കാലഗണനക്കൊരു പുതിയ മുഖം

സയന്‍സ് & ടെക്  / ചിത്രഭാനു. പി

ഇന്നലെകളെ അറിയുക എന്നത് മനുഷ്യനെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം അത്യന്താപേക്ഷിതമായ ഒന്നാണ്. ഭാവി എന്നത് പ്രവചനവും വര്‍ത്തമാനം എന്നത് ക്ഷണികവും ആയതിനാല്‍ വിശാലമായ ഒരു പ്രപഞ്ച വീക്ഷണം ഇവയിലൂടെ സാധ്യമല്ല. വലിയൊരു കാലയളവിലൂടെ നമുക്ക് പ്രപഞ്ചത്തെ നോക്കിക്കാണാവുന്നത് ഇന്നലെകളില്‍ മാത്രമാണ്. അതിനായി കാലഗണനാ ശാസ്ത്രം അതിന്റെ പുതു വഴികള്‍ അന്വേഷിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്. ഒരുപാട് കാലഗണനാ വിദ്യകള്‍(Dating methods) നാം ഉപയോഗിച്ചു വരുന്നു. റേഡിയോകാര്‍ബണ്‍ രീതി, പൊട്ടാസ്യം ആര്‍ഗ്ഗണ്‍ രീതി, യുറേനിയം-തോറിയം രീതി തുടങ്ങിയവ. ആ ശ്രേണിയില്‍ അവസാനം ജന്മമെടുത്ത വിദ്യയാണ് പ്രകാശ/താപ ഉത്തേജിത ദീപ്തന കാലഗണന (Optically/ thermally stimulated luminescence dating –OSL/ TL-Dating)

‘പ്രപഞ്ചം അതിന്റെ ചരിത്രം സ്വയം രേഖപ്പെടുത്തിക്കോണ്ടേയിരിക്കുന്നു.’

പ്രപഞ്ചം ഓരോ മണല്‍ത്തരികളിലും തന്റെ കയ്യൊപ്പ് പതിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ഇത് ഒരു ആലങ്കാരിക പ്രയോഗം മാത്രമല്ല. കാരണം ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങില്‍ നാം ഉപയോഗിക്കുന്നത് മണല്‍ത്തരികളെയാണ് ! ഇവിടെ ഓരോ മണല്‍ത്തരികള്‍ക്കും ഓരോ കഥ പറയാനുണ്ട്. അവ ചരിത്രത്തെ പ്രകാശമായി ഹൃദയത്തില്‍ സൂക്ഷിക്കുന്നു!

ഭൂമിയില്‍ ഏറ്റവും കൂടുതല്‍ കാണപ്പെടുന്ന സംയുക്തങ്ങളാണ് ക്വാര്‍ട്‌സും (വെള്ളാരങ്കല്ല്) ഫെല്‍ഡ്‌സ്പാറും.

ഭൗമ നിക്ഷേപങ്ങളിലും ഏറ്റവും കൂടുതല്‍ കാണപ്പെടുന്നത് ഇവ തന്നെ. അതിനാല്‍ ഈ നിക്ഷേപങ്ങളുടെ പഠനത്തിനു ഭൂമിയെക്കുറിച്ച് പറയാനേറെയുണ്ട്. കാര്‍ബണ്‍ ഡേറ്റിങ്ങിന് ജൈവ (organic) വസ്തുക്കളുടെ പ്രായമളക്കാനേ കഴിയൂ. അതും ചുരുങ്ങിയ കാലയളവില്‍. (50000 വര്‍ഷം. ഭൗമശാസ്ത്രത്തെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം ഇത് വളരെ ചെറുതാണ്) ഭൗമ നിക്ഷേപങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തില്‍ വിപ്ലവകരമായ മുന്നേറ്റമാണ് ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങ് വരുത്തുന്നത്. മറ്റ് രീതികള്‍ ക്രിസ്റ്റല്‍ രൂപീകരണ സമയം തരുമ്പോള്‍ ലൂമിനസന്‍സ് കാലഗണന തരുന്നത് ഭൗമ നിക്ഷേപ സമയമാണ്. ഒരഗ്‌നിപര്‍വ്വത വിസ്‌ഫോടനം മൂലമുണ്ടായ ചാര നിക്ഷേപത്തിന്റെ (ash deposit) പ്രായം കണക്കാക്കുകയാണെന്ന് വിചാരിക്കുക. യുറേനിയം-തോറിയം പോലുള്ള രീതികള്‍ തരുന്നത് പ്രസ്തുത സംയുക്തങ്ങളുടെ ക്രിസ്റ്റല്‍ രൂപീകരണ സമയമാണ്. എന്നാല്‍ ലൂമിനസന്‍സ് Dating തരുന്നത് വിസ്‌ഫോടന സമയവും. ഇതാണ് ലൂമിനസന്‍സ് Dating -ന്റെ പ്രസക്തിയും

ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങ് എങ്ങിനെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു?

ഒരു ബീക്കര്‍ സങ്കല്‍പ്പിക്കുക. ആ ബീക്കറില്‍ വര്‍ഷങ്ങളായി തുടര്‍ച്ചയായി ഒരേ നിരക്കില്‍ വെള്ളം വീണുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. Ai എന്നത് ബീക്കറിന്റെ ആദ്യ ജലനിരപ്പാണെന്ന് വിചാരിക്കുക (വെള്ളം വീഴാന്‍ തുടങ്ങുന്നതിന് മുമ്പുള്ള നിരപ്പ്.) എളുപ്പത്തിനായി ഈ നിരപ്പ് പൂജ്യം എന്ന് കണക്കാക്കാം. അതായത് വെള്ളം വീഴാന്‍ തുടങ്ങുന്നതിന് മുമ്പ് ബീക്കര്‍ ശൂന്യമായിരുന്നു. Af എന്നത് ഇപ്പോഴത്തെ നിരക്ക്. അത് നമുക്ക് അളക്കാന്‍ കഴിയും. വെള്ളം വീഴുന്നതിന്റെ നിരക്ക് നമുക്ക് D എന്നു പറയാം.

ഉദാഹരണത്തിന് ഈ ബീക്കര്‍ (ചിത്രം 1) നോക്കുക. ആദ്യ നിരക്ക് (Ai) പൂജ്യവും അവസാന നിരക്ക് (Ai) 125 ml-ഉം ആണെന്നു കാണാമല്ലോ. D എന്നത് 1 ml/year ആണെന്ന് വിചാരിക്കുക. ഇതില്‍നിന്ന് ബീക്കറില്‍ വെള്ളം വീഴാന്‍ തുടങ്ങിയത് 125 കൊല്ലം മുമ്പാണെന്ന് എളുപ്പത്തില്‍ മനസിലാക്കാമല്ലോ.

പ്രായം = (Ai – Af)/ D എന്ന ലളിതമായ സമവാക്യം മതി പ്രായം കണക്കാക്കാന്‍

എന്നാല്‍ രണ്ടു കാര്യങ്ങള്‍ ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ആദ്യ നിരപ്പ് പൂജ്യം ആണെന്ന് നമുക്ക് ഉറപ്പ് വരുത്തേണ്ടതുണ്ട്. രണ്ടാമതായി നമുക്ക് അറിയാത്ത ഒരു ചോര്‍ച്ചയോ മറ്റ് ജലപ്രവാഹങ്ങളോ ബീക്കറില്‍ നടക്കാന്‍ പാടില്ല.

ഇതേ തത്വമാണ് ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങില്‍ (OSL/ TL-Dating) ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ബീക്കര്‍ എന്നത് നമ്മുടെ മണല്‍ത്തരിയാണ്. വെള്ളമോ ചുറ്റുമുള്ള റേഡിയോ ആക്ടീവ് മൂലകങ്ങള്‍ ഉത്സര്‍ജ്ജിക്കുന്ന ഉന്നത ഊര്‍ജ്ജ കണങ്ങള്‍ സ്രിഷ്ടിക്കുന്ന ഊര്‍ജ്ജവും (Dose).

നമുക്കറിയാം, റേഡിയോ ആക്ടീവ് മൂലകങ്ങള്‍ ആല്‍ഫ, ബീറ്റ, ഗാമ എന്നീ വികിരണങ്ങള്‍ ഉത്സര്‍ജ്ജിക്കുന്നു എന്ന്. ഇവ ക്രിസ്റ്റലില്‍ ഇടിച്ചിറങ്ങുമ്പോള്‍ ക്രിസ്റ്റലിലെ വാലന്‍സ് ബാന്‍ഡില്‍ ( band of bounded eletcrons) നിന്നും എലക്ട്രോണുകള്‍ കണ്ടക്ഷന്‍ ബാന്‍ഡിലേക്ക് (band of conduction or free eletcrons) പോവുന്നു (ചിത്രം 2). ഇവ ക്രിസ്റ്റലിലെ ന്യൂനതകളില്‍ (crystal defects) അകപ്പെടുന്നു (trapping). ഇത്തരം ന്യൂനതകള്‍ വാലന്‍സ് ബാന്‍ഡിന്റേയും കണ്ടക്ഷന്‍ ബാന്‍ഡിന്റേയും ഇടയിലുള്ള forbidden gap-ലെ ഊര്‍ജ്ജ നിലകളിലാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. കാലങ്ങളോളം ഈ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ പ്രസ്തുത ന്യൂനതകളില്‍ കഴിയുന്നു. നാം തപ/പ്രകാശ ഊര്‍ജ്ജം കൊടുക്കുമ്പോള്‍ അവ ന്യൂനതകളില്‍നിന്നും രക്ഷപ്പെട്ട് (detrapping) കണ്ടക്ഷന്‍ ബാന്‍ഡില്‍ വരികയും ദീപ്തന കേന്ദ്രങ്ങളില്‍ (luminescence centre) വന്ന് പതിച്ച് പ്രകാശം ഉത്സര്‍ജ്ജിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു (ചിത്രം 2).
i) അയോണീകരണം ആല്‍ഫ, ബീറ്റ, ഗാമ രശ്മികള്‍ ഇലക്ട്രോണുകളെ സ്വതന്ത്രമാക്കുന്നു. അവ ട്രാപ്പുകളില്‍ ഉള്‍പ്പെടുന്നു.

ii) എലക്ട്രോണുകള്‍ ന്യൂനതകളില്‍ നിരവധി കാലം കഴിയുന്നു.

iii) ദീപ്തന പ്രവര്‍ത്തനം താപ/ പ്രകാശ ഊര്‍ജ്ജം ഉപയോഗിച്ച് എലക്ട്രോണുകളെ മോചിപ്പിക്കുകയും ആ ഇലക്ട്രോണുക്കള്‍ ദീപ്തന കേന്ദ്രങ്ങളില്‍ (luminescence cetnre) വീണ് പ്രകാശം ഉത്സര്‍ജ്ജിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഉത്സര്‍ജ്ജിക്കുന്ന മൊത്തം പ്രകാശത്തിന്റെ അളവ് ക്രിസ്റ്റല്‍ ആഗിരണം ചെയ്ത ഊര്‍ജ്ജത്തിന് (Dose) നേര്‍ അനുപാതത്തിലായിരിക്കും. ഇതില്‍ നിന്ന് നമുക്ക് ഈ മുഴുവന്‍ കാലയളവിലുമായി ക്രിസ്റ്റല്‍ ആഗിരണം ചെയ്ത ഡോസ് കണക്കാക്കാവുന്നതാണ്. ഇതാണ് നമ്മുടെ (Ai-Af). ‘TL/OSL reader’ ഉപയോഗിച്ച് ഇത് കണ്ടെത്താനാകും. ഭൗമ നിക്ഷേപത്തിലെ യുറേനിയം, തോറിയം, പൊട്ടാസ്യം തുടങ്ങിയ റേഡിയോ ആക്ടീവ് ഐസോടോപ്പുകളുടെ അളവ് അറിഞ്ഞാല്‍ ഡോസ് നിരക്ക് (Dose rate) അറിയാം. ഇതാണ് സമവാക്യത്തിലുപയോഗിക്കുന്ന D. ഇത് ആല്‍ഫ കൗണ്ടര്‍, ഗാമ കൌണ്ടര്‍ എന്നിവയിലൂടെ സാധ്യമാണ്. അങ്ങനെ നമുക്ക് മണല്‍ത്തരികളിലെ വെളിച്ചത്തില്‍നിന്ന് ഇന്നലെകളെ അറിയാനാകുന്നു.

OSL/ TL-Dating-ന്റെ ഏറ്റവും വലിയ സവിശേഷത ഈ മണല്‍ത്തരികള്‍ക്ക് സമയത്തെ പൂജ്യത്തിലേക്ക് സെറ്റ് ചെയ്യാനാകും എന്നതാണ്! (setting clock to zero). എപ്പൊഴൊക്കെ ഈ മണല്‍ത്തരി പ്രകാശം കാണുന്നുവോ അല്ലെങ്കില്‍ ഉന്നത താപം നേരിടുന്നുവോ അപ്പൊഴെല്ലാം അത് അടക്കിവച്ചിരിക്കുന്ന സിഗ്‌നല്‍ നശിച്ച് പോകുന്നു (നാം ലാബില്‍ ചെയ്യുന്ന പ്രകാശ/ താപ ഉത്തേജനം പ്രകൃതിക്ക് ചെയ്യാമല്ലോ!) അതിനാല്‍ മണല്‍ത്തരി തരുന്ന പ്രായം അത് എപ്പോള്‍ പ്രകാശത്തില്‍നിന്ന് അകറ്റിനിര്‍ത്തപ്പെട്ടു അല്ലെങ്കില്‍ എപ്പോള്‍ അവസാനമായി ഉന്നത താപം അനുഭവിച്ചു എന്നതാണ്. അതിനാല്‍ ഇതിലൂടെ നമുക്ക് ഭൗമ നിഷേപത്തിന്റെയോ അഗ്‌നിപര്‍വ്വത വിസ്‌ഫോടനത്തിന്റെയോ കാലം ഗണിക്കാവുന്നതാണ്!

നദീ നിക്ഷേപങ്ങള്‍ (വെള്ളപ്പൊക്കം പോലുള്ളവ), ഹിമ നിക്ഷേപങ്ങള്‍, കടല്‍ നിക്ഷേപങ്ങള്‍ (സുനാമി), മരുഭൂമി പ്രദേശങ്ങളിലെ കാറ്റിന്റെ നിക്ഷേപങ്ങള്‍ എന്നിവ പഠിക്കുന്നതില്‍ ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങ് വളരെയധികം വിജയം കാണുന്നു.

ഇത്രയൊക്കെ ഗുണങ്ങള്‍ക്ക് പുറമെ ചില ദോഷങ്ങളും ഇതിനില്ലാതില്ല. ഒന്നാമതായി കാലഗണനയുടെ പരിധി ഒന്നോ രണ്ടോ ലക്ഷം മാത്രമാണ് ക്വാര്‍ട്‌സില്‍. ഫെല്‍ഡ്‌സ്പാര്‍ ഉപയോഗിച്ചാല്‍ ഇത് വര്‍ധിപ്പിക്കാവുന്നതാണ്. എന്നാല്‍ ഇതിന് മറ്റൊരു ദോഷമുണ്ട്. ലീക്ക് ഉള്ള ഒരു ബീക്കറിനെപ്പോലെയാണിത്. കാലം ചെല്ലുന്തോറും ഇതിലെ സിഗ്‌നല്‍ കുറഞ്ഞ് വരുന്നു. ഈ ലീക്കിനെ കുറിച്ചുള്ള പഠനം നടന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. മറ്റൊരു പ്രശ്‌നം മണല്‍ തരികളുടെ പൂജ്യം സെറ്റിങ്ങിലാണ്. അഥവാ മണല്‍ത്തരികള്‍ നിക്ഷേപ സമയത്ത് വേണ്ടത്ര വെളിച്ചം കാണുകയോ താപം അനുഭവിക്കുകയോ ചെയ്തില്ലെങ്കില്‍ നമുക്ക് കിട്ടുന്ന പ്രായം നിക്ഷേപ പ്രായത്തിനേക്കാള്‍ കൂടുതലാകും. സാമ്പിളുകളുടെ ശ്രദ്ധയോടെയുള്ള തിരഞ്ഞെടുക്കല്‍ ഇതിന് ഒരു പരിഹാരമാണ്.

ലൂമിനസന്‍സ് ഡേറ്റിങ്ങ് അതിന്റെ പ്രാരംഭ ദിശയിലാണ്. ഇന്ത്യയില്‍ ഇതിന്റെ ഗവേഷണം നയിക്കുന്നത് പ്രധാനമായും PRL (Physical Research Laboratory, Ahmadabad) ആണ്. കൂടാതെ NGRI, Wadia ഹിമാലയ പഠന കേന്ദ്രം, മണിപ്പൂര്‍ സര്‍വകളാശാല എന്നിവിടങ്ങളിലും ഗവേഷണം നടന്നു വരുന്നു. കാലഗണനയുടെ പരിധി കൂട്ടാനും സിഗ്‌നല്‍ ചോര്‍ച്ചകളെക്കുറിച് (signal leakage) പഠിക്കാനും പൂര്‍ണ്ണമായും പൂജ്യം സെറ്റ് ചെയ്യുന്ന സിഗ്‌നലുകളെ കണ്ടെത്താനുമുള്ള പഠനം നടന്നുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്.

വെള്ളാരങ്കല്ലുകള്‍ക്ക് പറയാനേറെയുണ്ട്. ശാസ്ത്രലോകം ശ്രമിക്കുന്നത് അവയുടെ ഭാഷ പഠിക്കാനാണ്! അവയുടെ ഇനിയും പറഞ്ഞ് തീരാത്ത അല്‍ഭുതങ്ങള്‍ക്കായി നമുക്ക് കാത്തിരിക്കാം..!!!