إعادة تركيب درجات حرارة تكوّن الفحم النباتي في علم الآثار وعلم البراكين باستخدام نهج طيف رامان الآلي عند 532 نانومتر

قراءة التاريخ الخفي في الخشب المحترق

عندما يحترق الخشب في نار معسكر أو انفجار بركاني، لا يترك وراءه سوى قصاصات سوداء فحسب. داخل ذلك الفحم محفوظ أكثر من بقعة سوداء: سجل يروي مدى سخونة الحريق آنذاك. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن للعلماء قراءة ذلك السجل بسرعة وبطريقة لطيفة على العينات، مما يساعد علماء الآثار على فهم أفران وصانعي الفخار القدماء، ويُمكّن علماء البراكين من تقدير حرارة الانفجارات الماضية، دون تدمير العينات الثمينة.

لماذا يهم الخشب المحترق للعلم

الفحم النباتي هو بقايا استنقائية لاحتراق النباتات غير الكامل تدوم طويلاً. يمكنه البقاء في التربة والصخور لآلاف السنين، محافظًا على دلائل عن النشاط البشري الماضي والمناخ والأحداث البركانية. يستخدم علماء الآثار الفحم للتأريخ وتتبع كيفية إشعال الناس للحرائق أو صنعهم للفخار. ويفحص علماء البراكين الفحم المحتبس في رواسب الرماد لتقدير مدى سخونة الغيوم الرمادية المميتة. إلى جانب متى وأين حصلت الحرائق، يرنو الباحثون الآن لمعرفة مدى سخونتها، لأن درجة الحرارة تتحكم في سلوك السيراميك، ومدى تدمّر النبات، وخطورة تدفقات بركانية محتملة.

أخذ بصمة ضوئية للفحم النباتي

يعتمد الفريق على طيف رامان، وهي تقنية تسلط ضوء ليزر على مادة وتسجل كيف يتبعثر الضوء. بالنسبة للفحم، تحتوي البصمة الطيفية على قمتين رئيسيتين تتغيران بطريقة متوقعة مع ارتفاع حرارة الخشب. من خلال قياس الارتفاع النسبي لهاتين القمتين بعناية، يمكن للعلماء ربط قطعة الفحم بأقصى درجة حرارة تعرضت لها. بنت دراسات سابقة مقاييس درجات حرارة لبعض ألوان الليزر، لكن إعداد الليزر الأخضر الشائع عند 532 نانومتر افتقد معايرة موثوقة. ومنع هذا الفراغ المختبرات التي تستخدم أدوات مختلفة من مقارنة النتائج بثقة.

بناء مقياس درجة الحرارة من حرائق محكومة

لسد هذا الفراغ، صنع الباحثون الفحم الخاص بهم من خشب الصنوبر تحت ظروف محكومة بدقة، حيث سخّنوا دفعات بين قليل فوق 400 درجة مئوية و1200 درجة مئوية. لجأوا عند كل درجة حرارة إلى جمع مئات من قياسات رامان، ونقّحوا البيانات بمرشحات آلية وإزالة خط الأساس، وحسبوا نسبة ارتفاع القمة الرئيسية. ومن هذه البيانات استخلصوا منحنى يربط تلك النسبة بدرجة الحرارة التي تكوّن عندها الفحم، مع نطاقات عدم يقين واقعية. كما رصدوا تحوّلات طفيفة في مواضع القمم، التي تساعد في تمييز تغيّر البنية الكربونية الداخلية وتأثيرات احتمال حدوث تعدّل لاحق بفعل عوامل التجوية.

الاختبار على مواقد الحطب والفخار ورماد البراكين

ثم اختُبرت المعايرة الجديدة في حالات تحاكي عينات من العالم الحقيقي. أفرز الفحم من مواقد مختبرة من شجر الراتينج والتنوب درجات حرارة طابقت عن كثب القيم العظمى المسجلة، رغم اختلاف أنواع الخشب وتواريخ التسخين عن الصنوبر الأصلي. في تجارب الفخار، نجح الأسلوب مع قطع خشب محترقة مختلطة في الطين وكذلك على السطح المسود للخزف نفسه، مما أتاح تقدير ظروف الخَبز دون شق الإناء. وأعطت المقاطع الرقيقة للفخار المعدّة للدراسة المجهرية، بما في ذلك الأسطح المصقولة، نفس نتائج درجات الحرارة مثل الأسطح المكسورة حديثًا، ما يدل على أن تحضير العيّنة التقليدي لا يشوّه إشارة الفحم.

قراءة حرارة انفجار بركاني سابق

فحص الفريق أيضًا الفحم من راسب بركاني في كينيا تشكّل بفعل تيار كثافة بركاني متفجر، وهو تدفق سريع وساخن من الرماد والغاز. كان هذا الفحم معرضًا للهواء والرطوبة لقرون، ما قد يغيّر تركيبه كيميائيًا ويشوّه نمط رامان. من خلال النظر إلى انتشار القياسات والتركيز على نقاط البيانات الأقرب إلى مادّتهم المرجعية الطازجة، قدّر الباحثون أن الفحم تكوّن عند نحو 620 إلى 700 درجة مئوية. يبيّن هذا النهج أن الفحم المتجوى يمكنه مع ذلك أن يقدّم نطاقات درجات حرارة مفيدة إذا عوملت البيانات إحصائيًا بدلاً من الاعتماد على قياس واحد.

ماذا يعني هذا لفهم الحرائق الماضية

بعبارة بسيطة، تحول الدراسة الفحم النباتي إلى مِقْياس حراري طبيعي يمكن قراءته بسرعة وباتساق عبر العديد من المختبرات. تتيح أداة الويب مفتوحة الوصول الخاصة بهم، المسماة CHARM، للمستخدمين رفع بيانات رامان، وتنقيتها تلقائيًا، والحصول على تقديرات لدرجات تكوّن الفحم مع رسومات توضيحية واضحة. يسهل ذلك على علماء الآثار استنتاج مدى سخونة أفران أو مواقد قديمة، وعلى علماء البراكين تضييق نطاق حرارة التدفقات الماضية، وعلى باحثين آخرين دراسة الكربون المتغير بفعل الحرارة. من خلال توحيد كل من القياس ومعالجة البيانات، يفتح الأسلوب نافذة جديدة على التاريخ الحراري للحرائق المسجل في الأرض وفي القطع المصنوعة بيد البشر.

الاستشهاد: Dellefant, F., Brückner, O., Budka, J. et al. Reconstructing charcoal formation temperatures in archaeology and volcanology using an automated 532 nm Raman spectroscopy approach. Sci Rep 16, 16018 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53711-0

الكلمات المفتاحية: درجة حرارة الفحم النباتي, طيف رامان, السيراميك الأثري, تيار الكثافة البركانية المتفجرة, الكربون غير المتبلور