尼安德特人|IntCal20来了，还是解释一下再上车吧
大约半年前 ， IntCal20曲线还没有正式发布上线 ， 我导师她老人家就在实验室嘚瑟她正在写的文章里已经用上了最新的校正曲线 。 我本来没觉得有什么了不起的 ， 难道换条曲线我的论文就要重写了吗？直到自己的文章投出去被审稿人说你最好等IntCal20出来之后重新校正一下 ， 才觉得脸有点疼……果然人类有一个普遍幻觉：最新的就是最对的 。
所以现在 ， IntCal20终于千呼万唤始出来 ， 而我所有的数据 ， 投出去的和没投出去的都要重新做了 ， 不得不佩服老年人的人生经验 。
由于本文专业性过强 ， 背景知识就不铺垫了 。 关于碳十四原理如何 ， 为何要校正 ， 直接无耻地引用自己：
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这里主要介绍一下IntCal20的新特性 ， 以及对我们的影响 。
有何更新
首先是年代上限 ， IntCal20曲线能校正的年代上限是距今55,000年 ， 比之前通行的IntCal13曲线的50,000又向前推了5000年 ， 基本上到了如今加速器测量水平的极限 。 这对旧石器的同学来说也许是一件好事情 ， 如果测量水平跟得上的话 。
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IntCal20（绿）与IntCal13（蓝）的对比
从上图的对比可以看出 ， 不止是向前推了5000年 ， 而且曲线多了很多起伏 ， 不似IntCal13那么平滑 ， 应该是数据量增加导致 。
其中基于树木年轮的部分是距今13,910年 ， 之后便是融合了珊瑚和洞穴沉积物 ，
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20个数据从7,000延伸到了20,000 ， 早年还真是豪放
湖泊沉积物 ，
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日本水月湖湖底的层状沉积
以及更新的洞穴沉积物 ，
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中国葫芦洞洞穴沉积物
的年代序列 。
其次在测量方面 ， 也用加速器质谱重新测量了大量之前用常规碳十四测量的数据 。 在有的年代区间保留原先的五年一个点 ， 在某些关键的年代范围精细到逐年取样测量 ， 可以说工作量非常大了 。 原始测量的数据量从IntCal13的7,019个增加到了如今的12,904个 。
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疏密有致的原始数据
下一步是数据处理 ， 从12,904个原始数据到校正曲线（通行的IntCal20曲线有11,000个数据点 ， 整整齐齐地五年一个） ， 作者们使用了一种叫贝叶斯样条的统计回归方法 ， 贝叶斯和样条两个词我看着都头皮发麻 ， 放在一起就更是成了麻辣兔头 ， 总之就是……如下图所示 ， 一顿令bù人míng信jué服lì的操作之后就从原先的散点（其实每一个点都是一段带有误差的高斯分布）回归成了中间的曲线（其实也是带有误差的宽带） ， 其中不同颜色代表不同的数据库测量的数据 。
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除了北半球的大气曲线IntCal20之外 ， 同步上线的还有南半球大气SHCal20 ， 以及海洋校正曲线Marine20 ， Radiocarbon杂志为IntCal20系列做了一个专辑 ， 发表在第62卷的第4编 ， 我导师大概是觉得书架放不下了才决定实验室整体搬迁的吧 。
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创刊以来所有的Radiocarbon（1-61卷） ， 按照地层顺序从下向上堆积 ， 也可以看到杂志封面从朴素到华丽再回归朴素的类型学变迁
有何影响
相信大家更关心的问题并不是这个曲线怎么做出来的 ， 而是：对我有何影响？
抛开理想和正义不严肃地说 ， 对本兔最直接的影响大概就是刚写好的和已经投出去的文章要改图改表改参考文献甚至改结论 ， 原定本月截止的终期报告要延期 ， 以及毕业也遥遥无期 。
怀抱科学精神严肃地说 ， 对考古学研究的某些结论也是有影响的 。 作者们主要举了几个例子 ， 也是对考古学研究比较关键的几个时间段：新仙女木冰期与新旧石器过渡（距今约13,000年） ， 圣托里尼火山喷发与米诺斯文明的衰落（距今约3,500年） ， 尼安德特人的灭绝与旧石器中晚期过渡（距今约40,000年） 。
新仙女木冰期/新旧石器过渡
由于IntCal20曲线中基于树轮的年代序列向上推到了距今13,910年 ， 将新仙女木冰期包括了进来 ， 因此IntCal20曲线在这一时期与IntCal13相比 ， 多了很多起伏 。
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IntCal20（绿）与IntCal13（蓝） ， 及树轮序列上限（红）
从上图的对比可见 ， 在红线右侧 ， 对同样的测量数据进行校正 ， IntCal20的校正结果比IntCal13要偏老大约50年 。 在新仙女木冰期（12,900CalBP-11,700CalBP ， Wikipedia）期间两条曲线都是一段很陡峭的斜坡 ， 对应在这段气候寒冷的时期 ， 大气中的碳十四值偏高 ， 作者们认为是气候寒冷影响了大气与海洋的碳交换 。
更新世与全新世的过渡 ， 对应强烈的气候波动和大型动物的灭绝 。 下图是一个标志性事件的年代 ， 是一场位于德国的火山喷发 ， 高精度测年得碳十四年代11060±10年 ， 而最新的校正结果比之前老了50-100年 。
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圣托里尼/米诺斯
圣托里尼火山喷发是地中海地区青铜时代考古年代序列中的一个重要事件 ， 与古希腊、古埃及文明都有联系 。 而关于它的年代也是有诸多辩论：经格陵兰岛冰芯中的火山灰测定为公元前1645年 ， 但是后来有学者认为这个火山灰其实并不是圣托里尼而是位于阿拉斯加的另一场火山喷发 。 在圣托里尼岛上一棵被埋进火山灰的橄榄树 ， 有树皮所以保证最外层的树轮就是火山喷发那一年 ， 经碳十四测定为公元前1627-1600年 。 即使如此 ， 考古学家还是不满意 ， 因为这个年代对他们来说还是太早了 。 如果内心有期待 ， 为什么还要测碳十四？下图是IntCal20曲线和IntCal13曲线在这一时期的对比：
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IntCal20（绿）与IntCal13（蓝）的对比
作者们称 ， 公元前1700-1500年是被测量得最充分的一段时期 ， 包含800多个高精度的测量数据 。 如果你做的是这一段 ， 那么恭喜你得到了大佬们的眷顾 。 而由上图可见 ， 同样的碳十四年代 ， IntCal20校正的结果会比IntCal13偏年轻 。
那么回到圣托里尼 ， 之前很多测年综合得出的火山喷发的碳十四年代为3350±10年 ， 经两条曲线分别校正 ， 结果如下图所示 ， 真不愧是测量最充分的曲线 ， 曲线越是精细 ， 测量误差越是小 ， 就越容易出这么多分段的概率区间 。
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下一步 ， 对于一棵有很多圈树轮的树来说 ， 由于不同树轮之间有早晚的序列 ， 可以做树轮扭摆匹配（wiggle-matching） ， 两条曲线的树轮序列校正结果如下图所示 ， 最外层的年代暂且认为是火山喷发的年代 。
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通过树轮扭摆匹配之后那个浮夸的分布明显变窄 ， 并且可以看到IntCal20比IntCal13在公元前1600之后多了一个峰 。
但是说句不客气的：橄榄这种树 ， 是不会老老实实生长的 。 一段现生的橄榄树树芯 ， 交给三个专业人士去数年轮 ， 他们数出来结果都不一定一样 ， 更何况是火山喷发烧焦了变形了的 。 此外我师姐的博士论文还证明了橄榄树紧贴着树皮和形成层里面的同一圈 ， 也能差好几十年 。
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这是一棵最近10年死掉的橄榄树 ， 最外一层的年代从1975年到2009年参差不齐 ， 至于她为什么能测到±1年这么精确的年代 ， 就要归功于上个世纪五六十年代的大规模地表核试验了 。 再引用一下自己：
【尼安德特人|IntCal20来了，还是解释一下再上车吧】
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所以橄榄树最外层的年代可能比真实的火山喷发再早几十年也说不定 ， 但这就不是碳十四能解决的了 。 虽然橄榄是地中海地区最常见的树 ， 但是还是祝愿未来的考古学家能在圣托里尼找到其它被火山喷发烧焦的好好生长的还带有多圈树轮和树皮的树 ， 再来解决这个问题吧 ， 这样就又可以多毕业几个PhD了 。
尼安德特人/旧石器中晚期过渡
尼安德特人大约在距今4万年左右灭绝 ， 他们曾与现代人（Homo sapiens）共存过一段时间 ， 并且有过基因的交流 。 旧石器中期-晚期的过渡通常就对应欧亚大陆上尼安德特人被现代人取代的这一段时期 ， 当然这里主要讨论的是欧洲的文化分期 ， 我国目前没怎么发现尼安德特人所以情况不太一样 。 为了解决这一时期的年代学问题 ， 将4-5万年左右的校正曲线精细化是非常重要的 。 作者们举了一些例子 ， 都是直接测量人骨得到的碳十四年代 ， 其中包括两个现代人（下图红色 ， Oase和Ust-Ishim） ， 两个尼安德特人（下图蓝色 ， Saint Cesaire和Arcy-sur-Cure） ， 分别用IntCal20和IntCal13曲线校正的结果如下图所示 。
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作者们认为 ， 位于罗马尼亚的Oase洞穴的现代人经IntCal20校正的结果比IntCal13偏老 ， 说明现代人和尼安德特人在这一区域共存的时间更长了 。 而西伯利亚的Ust-Ishim是当年（2014年）已知的欧亚大陆上最早的现代人人骨 ， 用IntCal13校正的结果处在一个古气候的暖期 ， 而IntCal20的校正结果则偏年轻 ， 进入了其后的一个冷期 。 图中用格陵兰岛冰芯记录（NGRIP）中的氧同位素代表气候的冷暖期 ， 氧同位素越负代表气候越冷 。
不过恕我直言这个±900多年的测量误差 ， 几代人都过去了 ， 所以上图中绘制的校正结果并没有把两条曲线的差距真实体现出来 。 如果直接看这一时期的曲线的话 ， 变化确实挺大的 。 并且变化不是单方向的 ， 有的时候IntCal20变得更老 ， 有时候变得更年轻 。
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Miyake事件/历史时期
历史时期一般做碳十四的不多 ， 所以有什么变化也不是很重要 。 不过有一位日本学者Miyake在对日本的树木年轮序列做逐年的碳十四测定时 ， 发现在公元775年和994年 ， 都有一个大气碳十四含量突然增加的事件 ， 而非并如当年的树轮校正曲线那样平滑过渡 。 后来在除了日本之外的世界各地的同样年份都发现了大气碳十四含量（Δ14C）突增的现象 ， 被称作Miyake型事件 。 下图是Miyake的逐年数据与IntCal09曲线的对比 。
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而IntCal20曲线 ， 包含了大量逐年测定的树轮序列 ， 以及利用了贝叶斯样条的统计方法 ， 因此能更加真实地还原这些事件 。 托Miyake小姐姐的福 ， 这一时期测量数据显著增加 ， 曲线变得精细 ， 我的数据也发生了不小的变化 ， 下面只是其中的一小部分 。
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同样的原始数据 ， 左边是IntCal20校正的结果 ， 右边是IntCal13 ， 红线是公元775年 。 每一个看上去都没很大差别 ， 但是仔细看又到处都是差别 ， 总之不要再问我什么时候能毕业了……
一个做以色列青铜时代的学长表示两条曲线在他那里毫无变化 ， 我说您看Miyake做了400年就找到两次事件 ， 您那里600多年只会多不会少 ， 只是还没有人去做 ， 不如您就来做个以色列的Miyake吧 。 然后他走了 。 走了 。 当然他不理我也是对的 ， 毕竟以色列也是橄榄树比较多 。
如何使用
虽然对换一条曲线能多大程度影响结论保留意见 ， 不过为了不被挑剔的审稿人和导师揪小辫子 ， 还是在这里推荐大家以后校正数据都用IntCal20吧 。 你有若干种方法可以使用它 。
云校正
在牛津大学的网站上注册就可以使用 ， 还可以用他们的服务器存储自己的大量数据 ， 保存之后可以随时调用 ， 以及占用他们服务器为自己做计算 ， 亲测比自己的小笔记本算得快多了 。 网址见下图 ， 不过用搜索引擎随便搜一下也就出来了 。
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新创建的文件不需要任何设置 ， 默认的曲线就是IntCal20 。 如果是已经运行过的旧文件 ， 需要稍微改动一下（比如改个名字加个空格什么的）重新运行 。
本地校正
如果你不方便经常上外网 ， 或者像我一样喜欢把文件都保存在自己电脑里 ， 那么还是硬着头皮装单机版吧 。 OxCal从4.2版本升级到4.4版本之后 ， 再也不是Firefox的一个插件了 ， 而是把自己伪装成了一个存在于本地的服务器 。
好处是 ， 终于可以不用某个版本的Firefox了 。 其它浏览器也可以使用 ， 并且也再也不用担心Firefox自动更新了 ， 随便更新 ， 什么版本都可以用 。
坏处是 ， 用起来更不方便了 。 除了OxCal之外还需要安装Node.js ， 这也没什么 ， 说不定其它程序也用得上 ， 以及每次使用OxCal都需要以管理员身份 ， 在C:\Program Files\OxCal目录下 ， 运行下面这行没什么营养的代码 。 最后 ， 在使用OxCal期间要保持这个cmd窗口不能关闭 。 也可以写个.bat ， 然后用管理员身份运行 ， 但是我们实验室测试的结果似乎是windows10可行 ， windows7不行 ， 读者可以自行尝试 。
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如果长时间不碰电脑自己休眠了 ， 也要重新运行一遍 。
当然 ， 它也是有可取之处的 ， 比如在没有网络的情况下也可以使用 。
微信校正
这种热闹兔十四当然是要凑的 ， 在OxCal更新（2020年8月12日）的第二天 ， 我就提交了新的代码 ， 并且邀请了一些同学帮忙测试 。
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如今兔十四树轮校正小程序RabbitCal v1.2.0正式版本已经发布 。 你现在打开小程序的时候 ， 应该能看到默认的曲线已经变成了IntCal20 ， 如果没有的话 ， 关掉微信重启试试 。
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对比校正的结果也可以看到 ， 年代上限延伸到了距今55,000年 ， 有一些IntCal13校正不了的数据换IntCal20就可以了 。
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算得准不准呢？我也不能总是挑自己的数据蒙人 ， 所以在体验版发布的时候 ， 就邀请了一位研究旧石器的小白鼠 ， 请她用OxCal和RabbitCal分别对自己的真实存在的数据进行校正 ， 并尝试了IntCal20和IntCal13两条曲线 ， 结果如下：
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这个图中每一簇数据都是一个测量的碳十四年代 ， 四条线显示四个不同的校正结果 ， 蓝色和绿色是牛津的OxCal校正的 ， 其中蓝色是IntCal20校正的结果 ， 绿色是IntCal13校正的结果 ， 而黄色和红色是微信版RabbitCal校正 ， 其中黄色是IntCal20校正的结果 ， 红色是IntCal13校正的结果 。 总体来讲使用同一条曲线时 ， RabbitCal和OxCal没有很大的区别（跑个题 ， ox和rabbit都是哺乳动物 ， 这是我在命名的时候并没有想到的） ， 而IntCal20和IntCal13相比差别则比较大 ， 有时候变老 ， 有时候变年轻 ， 并没有一个系统的偏差 。
说实话我也不敢枉论哪个是对的 ， 或者哪个更对一些 。 然而世界上就是有这样一个庞大的组织一直在辛勤地采样、做实验、做统计、做程序 ， 每隔几年就跳出来更新一下 。 也许我们永远都无法得到关于过去的真相 ， 但总是可以乐观地认为在越来越接近它 ， 直到在统计上没有显著差别 。
而对我们每一个考古工作者来说 ， 比起更加精确的校正曲线 ， 也许我们能够做到的事情要简单一些 ， 那就是测量好每一个原始数据 。 这需要更仔细的田野工作 ， 辨别埋藏环境 ， 选择最具代表性的样品 。 如果第一步就走错了 ， 那么后面的测量和校正即使再精确 ， 也失去了意义 。
文章来源：兔十四
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