Nauki ścisłe [2025-07-11]

Fizycy na tropie historii

— Marcin Behrendt

Fragmenty fundamentów prezbiterium kościoła św. Jakuba w Toruniu zbudowano z cegieł wypalonych w pierwszej poł. XIII w., a do wzniesienia zakrystii posłużył budulec z XIV w. – naukowcy z Instytutu Fizyki UMK wydatowali próbki cegieł pobranych w trakcie badań archeologicznych świątyni.

Kościół św. Jakuba Apostoła jest główną świątynią toruńskiego Nowego Miasta i jednym z najpiękniejszych gotyckich zabytków w Polsce. Jego budowę w obecnym kształcie rozpoczęto na początku XIV w., o czym świadczy inskrypcja zachowana na murach, informująca, że w 1309 r. biskup chełmiński Herman położył kamień węgielny. Dr hab. Krystyna Sulkowska-Tuszyńska, prof. UMK z Instytutu Archeologii, która przez wiele lat badała historię świątyni, nie ma wątpliwości, że już w XIII w. w Nowym Mieście Toruniu budowany był kościół w miejscu obecnej świątyni św. Jakuba, a po 1309 r. w tych samych fundamentach wznoszono nową budowlę. Pierwszy kościół ceglany postawiono w kształcie i wielkości obecnego prezbiterium. Potwierdzają to analizy próbek cegieł pobranych w trakcie badań archeologicznych, przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Fizyki UMK.

Jeśli nie drewno, to cegła

Wiek budynku można określić dzięki dendrochronologii lub datowaniu radiowęglowemu, jeżeli oczywiście uda się znaleźć odpowiednie próbki drewna. Tymczasem od początku XIII w. w Polsce kościoły o większym znaczeniu hierarchicznym oraz reprezentacyjne budynki sakralne i świeckie budowano głównie z cegieł i próżno dziś szukać w nich drewnianego budulca. – W takich przypadkach przy datowaniu można wspierać się dozymetrią retrospektywną, wykorzystującą zjawisko stymulowanej luminescencji – mówi dr inż. Natalia Pawlak z Katedry Fizyki Stosowanej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, współautorka artykułu Optically stimulated luminescence dating of ancientbricks from the Church of St James in Toruń, Poland opublikowanego w czasopiśmie "Archaeometry". – Umożliwia ona zbadanie dawki promieniowania jonizującego, którą dana próbka, w tym wypadku cegła, pochłonęła od momentu wypalenia do czasu pobrania.

Cegła jest zbudowana m.in. z kwarcu, skaleni i innych minerałów i akumuluje w sobie określoną dawkę pochodzącą od izotopów promieniotwórczych oraz promieniowania kosmicznego. Aby na tej podstawie określić jej wiek, przy pobieraniu próbek należy zachować szczególną ostrożność. Chodzi o to, żeby nie narazić próbki na promieniowanie słoneczne, ponieważ światło może wyzerować sygnał "zapisany w cegle". Dlatego tak istotne jest, by próbki pobierać z fundamentów i chować je do pojemników nieprzepuszczających światła. Badacze muszą też zwrócić uwagę na to, by otoczenie miejsca, z którego pobiera się próbkę było jednorodne, gdyż ten czynnik również ma wpływ na końcowy wynik. – Musimy sprawdzić, czy wokół nie ma kamieni, czy zaprawa pomiędzy cegłami nie jest grubsza niż zwykle – tłumaczy dr inż. Natalia Pawlak. – Przeważnie przyjmuje się, że ten obszar jednorodności powinien mieć promień rzędu 50 cm. Ważne jest też, żeby cegła przynajmniej przez 2/3 czasu od momentu jej wypalenia miała otoczenie stabilne pod względem wilgotności oraz wysokości tła promieniowania.

Wilgotność bada się w laboratorium, a jej wartość, obok wyników pomiaru luminescencji oraz koncentracji naturalnych izotopów promieniotwórczych w próbce, jest istotna w obliczaniu wieku cegły.

Dokładne pomiary

Naukowcy pobierają próbki, wykorzystując zwykle wiertła koronowe umożliwiające pobranie z cegły rdzeni o średnicy około 7-8 cm i długości 15-20 cm.

Fizyków interesują dwie wartości: wielkość dawki równoważnej, czyli zakumulowanej w cegle od momentu jej wypalenia do czasu pobrania próbki do laboratorium, i tzw. dawki rocznej, czyli akumulowanej w próbce przez jeden rok. Materiał do pomiarów dawki rocznej pobiera się z otoczenia pobranej próbki. Dawka roczna określana jest za pomocą spektrometru gamma na podstawie sygnału pochodzącego zarówno od izotopów ⁴⁰K i ⁸⁷Rb, jak i od szeregów promieniotwórczych ²³²Th, ²³⁵U i ²³⁸U.

Przed pomiarem dawki równoważnej z cegły trzeba wyseparować ziarna kwarcu o średnicy 100-200 mikrometrów. Z walca odcina się fragmenty, na które w czasie wyjmowania próbki z wiertła koronowego mogło paść światło. Resztę trzeba delikatnie rozkruszyć np. w moździerzu. – Gdy mamy rozdrobnioną cegłę, przystępujemy do separacji chemicznej – mówi fizyczka z UMK. – Wkładamy próbkę do 30-procentowego kwasu solnego, by pozbyć się węglanów wapnia. Inne minerały usuwamy, stosując separację w cieczach ciężkich. Próbka jest przesiewana na sitach mających różną wielkość oczek.

Tak wysuszony, wyseparowany kwarc trafia do aparatury i dopiero wtedy rozpoczynają się pomiary. Na końcu dawkę równoważną dzieli się przez dawkę roczną i otrzymuje wiek cegły.

Dwie daty

Na potrzeby badań toruńskiej świątyni naukowcy pobierali próbki z fundamentów prezbiterium, zakrystii i naw, chociaż dysponują też kilkoma ze ścian wieży. Spośród 33 fragmentów 28 nadawało się do datowania i dało wiarygodny wynik. – Udało nam się określić wiek dwóch grup cegieł – mówi dr inż. Natalia Pawlak. – Pierwsza (średnia z 15 próbek) wskazuje, że cegła była wypalana na początku XIII w. – ten budulec był wykorzystany przy wznoszeniu pierwszego kościoła. Prawdopodobnie po 1280 r. świątynia spłonęła, a odbudowa prezbiterium ruszyła na początku XIV w., o czym świadczy inskrypcja na kamieniu węgielnym, który w 1309 r. podłożył biskup chełmiński Herman. Na przełom XIII i XIV w. (1297–1389) wskazuje druga grupa wydatowanych cegieł.

Dokładność pomiaru (średnia ważona) w przypadku pierwszej grupy cegieł wyniosła około 13 lat, a drugiej 12 lat, czyli stosunkowo niedużo, biorąc pod uwagę możliwości metody – mówi dr inż. Natalia Pawlak. – Taki wynik nas satysfakcjonuje.

Naukowczyni podkreśla, że nie wszystkie próbki dały wiarygodny wynik, ponieważ niektóre mogły zostać przez przypadek wygaszone przez promieniowanie słoneczne lub otoczenie radioaktywne próbek było bardziej złożone, niż to wynikało ze wstępnych oszacowań. Być może był tam jakiś kamień albo inny materiał o składzie wyraźnie wyróżniającym się z otoczenia. Do dokładnego szacowania wymagana jest jednorodna ściana, a naukowcy wykonując odwierty, nie zawsze wiedzą, co znajduje się wewnątrz fundamentu. – Obecnie analizujemy materiał z klasztoru w Tyńcu. Tu jednak nie datujemy cegły, czyli momentu jej  wypalenia, lecz próbujemy określić wiek zaprawy. Warunkiem wiarygodnych pomiarów w tym przypadku jest wygaszenie w czasie wytwarzania zaprawy zawartych w niej ziaren kwarcu. Widzimy, że wyniki są mocno przeszacowane, bo przy wyrobie zaprawy nie doszło do wygaszenia sygnału luminescencji przez światło słoneczne – opowiada badaczka z UMK. – Próbki z klasztoru pochodzącego z XI w. pokazują, że zaprawę do jego budowy przygotowano znacząco wcześniej. Wykonywanie datowania zapraw jest trudne i często nie daje wiarygodnych rezultatów. Dlatego w kościele św. Jakuba skupiliśmy się na cegle.