年輪年代学

木の幹を水平に切断すると、年輪（樹木年輪または年輪とも呼ばれる）が見える。年輪は、樹皮の近くにある維管束形成層（植物学者が側方分裂組織と分類する細胞層）における新たな成長によって生じる。この直径方向の成長は二次成長として知られている。目に見える年輪は、季節ごとの成長速度の変化によって生じる。したがって、この手法にとって重要なのは、一般的に1つの年輪が木の1年の経過を示すということである。特定の部位の樹皮を除去すると、植物がその傷跡を覆うように成長するにつれて、年輪が変形することがある。

年輪は、季節の変化がより顕著な温帯地域で育った木でよりはっきりと見える。年輪の内側の部分は、成長が比較的速い成長期の早い時期に形成され（そのため木材の密度が低い）、早材（または「春材」または「晩春材」^{[ 22 ]}）として知られている。外側の部分は「晩材」（夏材と呼ばれることもあり、多くの場合夏に形成されるが、秋に形成されることもある）であり、密度が高い。^{[ 23 ]}

温帯地域の多くの樹木は、毎年1つの年輪を形成し、最も新しい年輪は樹皮に隣接しています。そのため、樹木の生涯を通じて、樹齢と生育時の気候条件を反映した年ごとの記録、つまり年輪パターンが蓄積されます。十分な水分と長い生育期間は幅の広い年輪を生み出し、干ばつの年は非常に狭い年輪を生み出す可能性があります。

樹木の年輪年代記を直接読み取ることは、いくつかの理由から複雑な科学である。第一に、1年に1つの年輪が形成されるというパラダイムとは異なり、真夏の干ばつなどの不利な条件と有利な条件が交互に現れると、1年に複数の年輪が形成されることがある。さらに、特定の樹種では「欠落した年輪」が見られる場合があり、これは長期間の研究対象となる樹木の選択に影響を与える。例えば、オークやニレの木では欠落した年輪はまれである。^{[ 24 ]}

樹木年代学において重要なのは、同じ地域に生育する樹木は、一定期間の年代学的研究において、年輪幅のパターンがほぼ同じになる傾向があることです。研究者は、これらのパターンを、同じ地理的地域（したがって、同様の気候条件下）で同時期に生育した樹木の年輪パターンと、年輪ごとに比較し、照合することができます。同じ地域で連続する樹木の年輪パターンを、重複する形で照合できれば、地理的地域全体と地域区分両方について、年代記を構築することができます。さらに、年代が既知の古代建造物の木材を年輪データと照合する（「クロスデーティング」と呼ばれる手法）ことで、木材の年代を正確に特定することができます。樹木年代学者は当初、クロスデーティングを目視検査で行っていましたが、近年では、統計的手法を用いて照合を評価することで、コンピューターを活用しています。年輪の成長における個体差を排除するため、樹木年代学者は複数の樹木サンプルの年輪幅を平滑化した平均値を用いて「年輪履歴」を作成します。このプロセスは複製と呼ばれます。開始日と終了日が不明な年輪履歴は「浮動年代記」と呼ばれます。これは、日付が既知の別の年代記（年輪履歴）と照合することで、年代を特定することができます。

中央ヨーロッパのオークとマツの完全に固定され相互に照合された年代記は 12,460 年まで遡り、^{[ 25 ]}ボヘミアのオークの年代記は 7,506 年、アイルランドのオークの年代記は 7,429 年、イングランドのオークの年代記は 6,939 年まで遡ります。^{[ 3 ] [ 26 ]}放射性炭素年代と年輪年代学の年代の比較は、これら 2 つの独立した年輪年代学シーケンスの一貫性を支持しています。^{[ 27 ]}米国南西部(カリフォルニア州のホワイト山脈)のイガゴヨウマツには、8,500 年まで遡る完全に固定された別の年代記が存在します。^{[ 28 ]}

年輪年代学の方程式は、樹木の年輪の成長法則を定義する。この方程式は、ロシアの生物物理学者アレクサンドル・N・テテアリングが著書『個体群の理論』^{[ 29 ]}の中で、以下の形式で提案したものである。

$${\displaystyle \Delta L(t)={\frac {1}{k_{v}\,\rho ^{\frac {1}{3}}}}\,{\frac {d\left(M^{\frac {1}{3}}(t)\right)}{dt}},}$$

ここで、Δ Lは年輪の幅、tは時間 (年単位)、ρは木材の密度、k _vはある係数、M ( t ) は木の質量成長の関数です。

樹木の質量における自然な正弦波状の変動を無視すると、年輪幅の変化を表す式は次のようになる。

$${\displaystyle \Delta L(t)=-{\frac {c_{1}e^{-a_{1}t}+c_{2}e^{-a_{2}t}}{3k_{v}\rho ^{\frac {1}{3}}\left(c_{4}+c_{1}e^{-a_{1}t}+c_{2}e^{-a_{2}t}\right)^{\frac {2}{3}}}}}$$

ここで、c ₁、c ₂、c ₄は係数であり、a ₁およびa ₂は正の定数である。

この式は、データ正規化処理を行う前に、サンプルデータを正確に近似するのに役立ちます。図には、年輪の年間成長量を表す関数 Δ L ( t )の典型的な形式が示されています。

年輪年代学では、かつて生きていた物質の標本を特定の年に正確に年代測定することができます。^{[ 30 ]}日付は、推定暦年BP（現在より前）で表されることが多く、「現在」は1950年1月1日を指します。^{[ 30 ]}

木材のコアサンプルは（多くの場合、成長楔を用いて）採取され、年輪の幅を測定するために使用されます。特定の地域内の異なる場所からサンプルを採取することで、研究者は包括的な歴史的シーケンスを構築できます。年輪年代学の手法は、乾燥地帯や半乾燥地帯など、樹木が生育環境の影響を受けやすい限界的な条件下で樹木が成長した地域では、樹木の年輪成長がより均一（安定）な湿潤地帯よりも一貫性があります。さらに、この種の分析に適した樹木の属とそうでない属があります。例えば、イガゴヨウマツは非常に長寿で成長が遅く、年代学に広く利用されてきました。この種の生きた標本と枯死した標本は、数千年前、地域によっては1万年以上前の年輪パターンを提供します。^{[ 31 ]}現在、完全に固定された年代学の最大スパンは、1万1000年前を少し超える程度です。

IntCal20は2020年の「放射性炭素年代較正曲線」であり、55,000年前まで遡る較正済みの炭素14年代測定系列を提供する。最も新しい部分である13,900年前までは、年輪に基づいている。^{[ 32 ]}

木造建築物から得られたヨーロッパの年代記は、黒死病の流行と重なる建築の中断があった14世紀の空白を埋めるのが当初は困難であった。^{[ 33 ]}しかし、例えば紀元前352年に遡るデンマークの年代記のように、先史時代にまで遡る途切れのない年代記も存在する。^{[ 34 ]}

木材のサンプルがあれば、年輪の成長のばらつきから年を特定できるだけでなく、気候が場所によって異なるため、産地も特定できます。これにより、船の出所だけでなく、絵画のパネルや船の木材など、長距離輸送された木製の小型工芸品の産地も特定することが可能になります。

774～775年や993～994年のような三宅イベントは、宇宙線によるものであるため、未知の時間系列における固定基準点を提供することができる。^{[ 35 ]}世界中の樹木の年輪にその年の炭素14のスパイクとして現れるため、歴史的な出来事をその年に特定するために使用できる。 ^{[ 36 ]}例えば、ニューファンドランドのランス・オ・メドウズのバイキング遺跡にある木造家屋は、993年のスパイクのある層を発見することで年代が特定され、その木材が1021年に伐採された木から来ていることがわかった。^{[ 37 ]}ベルン大学の研究者は、紀元前5259年の宇宙線放射性炭素のスパイクと結びつけることで、ギリシャ北部の新石器時代の集落の浮遊シーケンスの正確な年代を提供した。^{[ 7 ] [ 35 ]}

霜輪とは、樹木の年輪分析において、変形したり崩壊したりした仮道管や損傷を受けた柔細胞の層を指す用語である。これらは、形成層の活動期間中に気温が氷点下になったときに形成される。樹木年代学では、例年より寒い年を示すために使用できる。^{[ 38 ]}

年輪年代学による年代は、放射性炭素年代測定の較正および検証に使用できます。^{[ 30 ]}これは、放射性炭素年代を長いマスターシーケンスと比較することによって行うことができ、アリゾナ州のカリフォルニア・ブリストルコーンパインがこの較正方法の開発に使用されました。これは、木の寿命が長い（約4900年）ことと、枯死したサンプルを使用することで、長く途切れない年輪シーケンス（紀元前約6700年まで遡る）を作成できたためです。紀元前約8500年まで遡るドイツのマスターシーケンスなど、ヨーロッパのオークの木の追加研究も、放射性炭素年代を裏付け、さらに較正するために使用できます。^{[ 39 ]}

樹木気候学は、主に年輪の特性から樹木から過去の気候を決定する科学です。 ^{[ 40 ]}年輪の他の特性、例えば最大晩材密度（MXD）は、単純な年輪幅よりも優れた指標であることが示されています。科学者は年輪を使用して、数百年から数千年前の多くの地域の気候を推定してきました。^{[ 41 ] [ 42 ]}

年輪年代学は、板絵の年代特定において美術史家にとって重要なものとなっている。しかし、建物のサンプル分析は通常研究所に送られるのに対し、絵画の木製支持体は通常、美術館の保存部門で測定する必要があり、使用できる技術に制限が生じる。^{[ 43 ]}

年輪年代学は年代測定に加えて、パネルの産地に関する情報も提供できる。初期ネーデルラント絵画の多くは、ハンザ同盟の港を経由してヴィスワ川流域から輸送された「バルトオーク」のパネルに描かれていることが判明している。オークのパネルは、イングランド、フランス、ドイツなどの多くの北欧諸国で使用されていた。ネーデルラントの画家は、オーク以外の木製支持体をほとんど使用しなかった。^{[ 44 ]}

乾燥させた木材のパネルが使用されたため、年代を推定する際には、乾燥に要する年数が不確かである。^{[ 45 ]}パネルは外側の年輪が切り取られており、多くの場合、各パネルは幹の半径のごく一部しか使用していない。したがって、年代測定研究は通常、 terminus post quem (最も早い) 年代と、これらの要因に関する仮定を使用した、乾燥させた未加工パネルの到着の暫定的な年代をもたらす。^{[ 46 ]}多数のシーケンスを確立した結果、1971年から1982年の間に分析された14世紀から17世紀の250点の絵画のうち、85～90%の年代を特定することが可能になった。^{[ 47 ]}現在では、はるかに多くの絵画が分析されている。

ロンドンのナショナル・ポートレート・ギャラリーにあるスコットランド女王メアリーの肖像画は、18世紀の模写だと考えられていた。しかし、年輪年代学によって、木材が16世紀後半のものであることが判明した。現在では、作者不明の16世紀のオリジナル絵画とみなされている。^{[ 48 ]}

一方、キリストが神殿から金貸しを追い出す場面を描いた4枚の絵画に年輪年代学が適用された。その結果、木材の年代はどれもヒエロニムス・ボスが描いたものではないほど新しいことが判明した。^{[ 49 ]}

年輪年代学はオーク材のパネルの年代測定に重要なツールとなっているが、ポプラ材の年輪は不規則であるため、イタリアの画家がよく使用するポプラ材のパネルの年代測定には効果的ではない。^{[ 50 ]}

16世紀には絵画の支持体として木製パネルからキャンバスへと徐々に置き換えられていったため、この技法は後の時代の絵画にはあまり適用されなくなった。^{[ 51 ]}さらに、19世紀と20世紀には多くのパネル絵画がキャンバスやその他の支持体に移された。

木造構造や木造部材を用いた建物の年代測定も年輪年代学によって行われます。年輪年代学を考古学に応用することを年輪考古学と呼びます。考古学者は木材の年代や伐採時期を特定できますが、木材が使用された建物や構造物の年代を確定的に判断することは難しい場合があります。木材は古い構造物から再利用されたものであったり、伐採されてから何年も放置されていたものであったり、損傷した木材の交換に使用されたものであったりする可能性があるためです。したがって、年輪年代学による建物の年代測定には、建築技術の歴史に関する知識が必要となります。^{[ 52 ]} 先史時代の建物の多くは、若い木の幹をそのまま「柱」として使用していました。柱の底部が地中に残っている場合は、年代測定に特に役立ちます。

例：

• イングランドのサマセット平野にある古代の木道であるポストトラックとスウィートトラックは、紀元前3838年と紀元前3807年に遡るとされている。^{[ 53 ]}
• 先史時代のアイルランドで200本以上の柱で大きな建造物が建てられたナバン砦。中央のオークの柱は紀元前95年に伐採された。 ^{[ 54 ]}
• マサチューセッツ州デダムにあるフェアバンクス邸。この家は長らく1640年頃に建てられたとされ（北米最古の木造家屋である）、夏の梁から採取した木材のコアサンプルから、木材は1637年から1638年に伐採されたオークの木から採取されたものであることが確認された。当時ニューイングランドでは、建築に使用する前に木材を乾燥させていなかったためである。別の梁から採取したサンプルからは1641年の日付が判明し、この家は1638年に建設が開始され、1641年以降に完成したことが確認された。^{[ 55 ]}
• 958年頃に亡くなった老ゴルムの埋葬室^{[ 56 ]}は、958年に伐採された木材で造られた^{[ 52 ]。}
• ヴェリキー・ノヴゴロドでは、10世紀から15世紀にかけて、堆積した土の上に何層にもわたって木の丸太舗装が敷かれてきた。^{[ 57 ]}
• チェコ共和国オストロフ近郊で発見された、オーク材で裏打ちされた新石器時代の井戸は、紀元前5482～5243年のものとされている。^{[ 3 ] [ 58 ]}