Principy radiouhlíkového datování

Shrnutí od Richarda Morlana.

Co je to radiouhlík?

Přibližně před 75 lety Williard F. Libby, profesor chemie na Chicagské univerzitě, předpověděl, že se v přírodě bude vyskytovat radioaktivní izotop uhlíku, známý jako uhlík-14. „Uhlíkový izotop“, který je známý jako uhlík-14, se v přírodě vyskytuje již několik let. Vzhledem k tomu, že uhlík je základem života a vyskytuje se spolu s vodíkem ve všech organických sloučeninách, mohla by detekce takového izotopu vytvořit základ metody pro určení stáří starých materiálů. Ve spolupráci s několika spolupracovníky Libby zjistil výskyt radiouhlíku v přírodě tím, že detekoval jeho radioaktivitu v metanu z baltimorské kanalizace. Naopak u metanu vyrobeného z ropných produktů nebyla radioaktivita měřitelná.

Tento objev znamenal, že existují tři přirozeně se vyskytující izotopy uhlíku:

• uhlík-12 (c12), který obsahuje 99 % atomů uhlíku
• uhlík-13 (c13), který obsahuje asi 1 % atomů uhlíku
• uhlík-14 (c14), zastoupený jedním atomem uhlíku na bilion

Zatímco uhlík-12 a uhlík-13 jsou stabilní izotopy, uhlík-14 je nestabilní nebo radioaktivní.

Co je to radiouhlíkové datování?

Uhlík-14 vzniká v horních vrstvách atmosféry, když kosmické záření bombarduje atomy dusíku. Následné atomové interakce vytvářejí stálý přísun c14, který se rychle šíří po celé atmosféře. Rostliny přijímají c14 spolu s dalšími izotopy uhlíku během fotosyntézy v poměru, který se vyskytuje v atmosféře; živočichové získávají c14 konzumací rostlin (nebo jiných živočichů). Během života organismu zůstává množství c14 v tkáních v rovnováze, protože ztráta (radioaktivním rozpadem) je vyvážena ziskem (příjmem prostřednictvím fotosyntézy nebo spotřebou organicky vázaného uhlíku). Když však organismus zemře, množství c14 klesá, takže čím delší je doba od smrti, tím nižší je obsah c14 v organických tkáních. To jsou hodiny, které umožňují převést hladiny c14 v organických archeologických, geologických a paleontologických vzorcích na odhad času.

Měření rychlosti radioaktivního rozpadu je známo jako jeho poločas rozpadu, doba, za kterou se rozpadne polovina vzorku. Libby vypočítal poločas rozpadu c14 na 5568 ± 30 let. To znamená, že polovina c14 se rozpadla v době, kdy byl organismus mrtvý 5568 let, a polovina zbytku se rozpadla 11 136 let po smrti atd. Klesající úroveň rozpadu znamená, že efektivní hranice pro použití c14 k odhadu času je přibližně 50 000 let. Po uplynutí této doby zbývá jen málo c14, pokud vůbec nějaký. Následné práce ukázaly, že poločas rozpadu radiouhlíku je ve skutečnosti 5730 ± 40 let, což je rozdíl 3 % ve srovnání s poločasem rozpadu podle Libbyho. Aby se však předešlo nedorozumění, všechny radiouhlíkové laboratoře nadále používají poločas rozpadu vypočítaný podle Libbyho, někdy jej zaokrouhlují na 5570 let.

Co lze datovat?

Pro radiouhlíkové datování lze připravit jakýkoli organický materiál, který je k dispozici v dostatečném množství. Moderní metody AMS (urychlovací hmotnostní spektroskopie) vyžadují nepatrné množství, asi 50 mg. Technologie AMS nám umožnila datovat velmi malé vzorky (například semena), které byly dříve nedatovatelné. Vzhledem k tomu, že věkový rozsah metody je prakticky omezen, musí být většina vzorků mladší než 50 000 let a starší než 100 let. Většina vzorků vyžaduje chemickou předběžnou úpravu k zajištění jejich čistoty nebo k získání určitých složek materiálu. Cílem předběžné úpravy je zajistit, aby analyzovaný uhlík byl původním uhlíkem vzorku předloženého k datování. Předúprava se snaží odstranit ze vzorku jakýkoli kontaminující uhlík, který by mohl vést k nepřesnému datu. K odstranění kontaminujících uhličitanů lze použít kyseliny. K odstranění kontaminujících huminových kyselin lze použít zásady.

Některé typy vzorků vyžadují rozsáhlejší předběžnou úpravu než jiné a tyto metody se během prvních 50 let radiouhlíkového datování vyvíjely. Kdysi se například běžně používalo pouhé spálení celých kostí, ale nakonec se ukázalo, že výsledky jsou nespolehlivé. Chemické metody pro oddělení organických (kolagen) a anorganických (apatit) složek kostí vytvořily možnost datovat obě složky a výsledky porovnávat. Kolagenová frakce obvykle poskytuje spolehlivější data než apatitová frakce (viz Data na kostech).

Jak se měří radiouhlík?

Kromě různých předběžných úprav musí být vzorek spálen a převeden do formy vhodné pro počítadlo. Aby bylo možné změřit obsah c14, musí být vzorek zničen.

První měření radiouhlíku se prováděla v Geigerových čítačích se stíněním, přičemž vzorek byl připraven k měření v pevné formě. Brzy se ukázalo, že tato takzvaná „pevná uhlíková“ data dávají stáří poněkud mladší, než se očekávalo, a objevilo se mnoho dalších technických problémů spojených s přípravou vzorků a provozem čítačů. Plynové proporcionální čítače brzy nahradily metodu pevného uhlíku ve všech laboratořích, přičemž vzorky byly převedeny na plyny, jako je oxid uhličitý, disulfid uhlíku, metan nebo acetylen. Mnoho laboratoří nyní používá kapalinové scintilační čítače, přičemž vzorky se převádějí na benzen. Všechny tyto typy čítačů měří obsah C-14 sledováním rychlosti rozpadu za jednotku času.

Nejnovější novinkou je přímé počítání atomů c14 pomocí urychlovačových hmotnostních spektrometrů (AMS). Vzorek je převeden na grafit a umístěn do iontového zdroje, z něhož je rozprašován a urychlován magnetickým polem. pole vychyluje atomy různých hmotností různě (těžší atomy se vychylují méně). Terče naladěné na různé atomové hmotnosti počítají počet atomů c12, c13 a c14 ve vzorku.

Jaké jsou věkové limity radiouhlíkového datování?

Mnoho vzorků uváděných jako „moderní“ má úroveň radioaktivity, která je nerozlišitelná od moderních standardů, jako je kyselina šťavelová. V důsledku kontaminace z bombových zkoušek jsou některé vzorky dokonce radioaktivnější než moderní standardy. U jiných velmi mladých vzorků mohou být uvedeny maximální limity, například 40 000 let. Velmi staré vzorky mají tak nízkou radioaktivitu, že je nelze spolehlivě odlišit od radiačního pozadí. Jen velmi málo laboratoří je schopno měřit stáří vyšší než 40 000 let.

Proč mají radiouhlíková data znaménka plus nebo minus?

Několik aspektů radiouhlíkového měření má zabudované nejistoty. Každá laboratoř musí zohlednit radiační pozadí, které se mění geograficky i v čase. Kolísání záření pozadí se sleduje rutinním měřením standardů, jako je antracit (uhlí), kyselina šťavelová a některé materiály známého stáří. Standardy poskytují základ pro interpretaci radioaktivity neznámého vzorku, ale každé měření má vždy určitou míru nejistoty. Protože počítání rozpadu zaznamenává náhodné události za jednotku času, je nejistota neodmyslitelným aspektem metody.

Většina laboratoří vyjadřuje nejistotu ve výši jedné směrodatné odchylky (± 1 sigma), což znamená, že existuje přibližně 67% pravděpodobnost, že skutečné stáří vzorku spadá do uvedeného rozmezí, řekněme ± 100 let. Většina laboratoří bere při stanovení limitů 1 sigma v úvahu pouze statistiku počítání, tj. aktivitu vzorku, standardů a pozadí. Některé laboratoře však zohledňují i další proměnné, například nejistotu měření poločasu rozpadu. Dvě laboratoře, Geological Survey of Canada a University of Waterloo, se řídí netradiční praxí a uvádějí 2sigma chyby, což znamená přibližně 95% pravděpodobnost, že skutečné stáří vzorku spadá do uvedeného rozmezí. Některé laboratoře stanovují minimální hodnotu svých chybových výrazů.

Většina laboratoří používá pro stanovení minimálního a maximálního stáří dvousigma kritérium. V souladu se svou praxí uvádět 2sigma chyby pro tzv. konečná data používá Geological Survey of Canada 4sigma kritérium pro nekonečná data.

Co znamená BP?

První uváděná radiouhlíková data měla stáří vypočítané s přesností na nejbližší rok, vyjádřeno v letech před současností (BP). Brzy se ukázalo, že význam BP se bude každý rok měnit a že k pochopení stáří vzorku je třeba znát datum analýzy. Aby se předešlo nejasnostem, bylo mezinárodní dohodou stanoveno, že jako referenční bod pro výraz BP bude přijat rok 1950 našeho letopočtu. BP tedy znamená roky před rokem 1950 n. l.

Někteří lidé nadále vyjadřují radiouhlíková data ve vztahu ke kalendáři odečtením roku 1950 od uváděného stáří. Tento postup je nesprávný, protože je dnes známo, že radiouhlíkové roky nejsou ekvivalentní kalendářním rokům. Aby bylo možné radiouhlíkové datum vyjádřit v kalendářních letech, musí být normalizováno, podle potřeby korigováno s ohledem na rezervoárové vlivy a kalibrováno.

Jaký význam má asociace?

Radiouhlíková data lze získat pouze z organických materiálů a mnoho archeologických nalezišť nabízí jen malé nebo žádné organické zachování. I když je organické zachování vynikající, samotné organické materiály nejsou vždy předměty největšího zájmu archeologa. Díky jejich spojení s kulturními prvky, jako jsou pozůstatky domů nebo ohniště, však mohou být organické látky, jako jsou dřevěné uhlí a kosti, vhodnou volbou pro radiokarbonové datování. Zásadním problémem je, že výsledné datum měří pouze dobu od smrti rostliny nebo zvířete a je na archeologovi, aby zaznamenal důkaz, že smrt organismu přímo souvisí s lidskými aktivitami reprezentovanými artefakty a kulturními prvky nebo s nimi souvisí.

Mnoho lokalit v arktické Kanadě obsahuje dřevěné uhlí pocházející z naplaveného dřeva, které dávní lidé sbírali a používali jako palivo. Radiokarbonové datum na unášeném dřevě může být o několik století starší, než se očekávalo, protože strom mohl odumřít stovky let předtím, než byl použit k zapálení ohně. V zalesněných oblastech není neobvyklé, že ohořelé kořeny stromů zasahují do archeologických materiálů pohřbených v hlubších vrstvách lokality. Dřevěné uhlí z takových kořenů může být výsledkem lesního požáru, ke kterému došlo stovky let poté, co byly archeologické materiály pohřbeny, a radiokarbonové datum z takového dřevěného uhlí poskytne mladší stáří, než se očekává.

Data z kostí

Kost je po dřevěném uhlí druhým materiálem vybraným pro radiokarbonové datování. Oproti dřevěnému uhlí nabízí některé výhody. Například prokázat bezpečné spojení mezi kostmi a artefakty je často snazší než prokázat jednoznačné spojení mezi dřevěným uhlím a artefakty. Mnoho studií se totiž snaží určit dobu smrti zvířete, a pokud je vzorek tvořen kostmi zvířete, není o souvislosti pochyb.

Kost však představuje určitou zvláštní výzvu a metody předúpravy vzorků kostí, parohů, rohoviny a klů prošly za posledních 50 let hlubokými změnami. Zpočátku většina laboratoří pouze spalovala celé kosti nebo jejich fragmenty, čímž se ve vzorku zachoval jak organický a anorganický uhlík, který je kostem vlastní, tak i případné přítomné uhlíkaté kontaminanty. Zřejmě na základě analogie s elementárním uhlím se mělo za to, že kosti jsou vhodné pro radiouhlíkové datování, „pokud jsou silně zuhelnatělé“ (Rainey a Ralph, 1959: 366). Data na kostech získaná takovými metodami jsou velmi podezřelá. S největší pravděpodobností se mýlí na straně mladších dat, ale jejich spolehlivost nelze předvídat.

Významným krokem vpřed byl vývoj chemických metod izolace uhlíku z organických a anorganických složek kostí. Berger, Horney a Libby (1964) publikovali metodu extrakce organického uhlíku z kostí. Tuto metodu převzalo mnoho laboratoří, které získaly želatinu, o níž se předpokládalo, že se skládá převážně z kolagenu. Tato metoda se v této databázi nazývá „extrakce nerozpustného kolagenu“. Longin (1971) ukázal, že kolagen lze extrahovat v rozpustné formě, která umožňuje větší stupeň dekontaminace vzorku. Mnoho laboratoří přijalo Longinovu metodu, která se v této databázi nazývá „extrakce rozpustného kolagenu“.

C.V. Haynes (1968) představil metodu extrakce anorganického uhlíku z kostí. Tato metoda byla považována za vhodnou pro použití v oblastech, kde se kolagen v kostech zachovává zřídka nebo špatně. Následný výzkum zpochybnil spolehlivost této metody. Hassan a další (1977; Hassan a Ortner, 1977) ukázali, že anorganický uhlík obsažený v kostním apatitu je velmi náchylný ke kontaminaci buď mladším, nebo starším uhlíkem v pohřebním prostředí. Nyní se ukazuje, že extrakce nerozpustného kolagenu se obvykle mýlí na straně mladšího uhlí, pokud vůbec (Rutherford a Wittenberg, 1979), zatímco kostní apatit může poskytnout stáří buď starší, nebo mladší, než je skutečné stáří, často se značným odstupem.

Probíhající výzkum pokračuje ve zdokonalování metod extrakce kolagenu, zejména z malých vzorků určených k datování pomocí AMS. Například D. E. Nelson a jeho spolupracovníci experimentovali s modifikacemi Longinovy metody, včetně použití ultrafiltrace k izolaci složek do „dvou frakcí o nominální molekulové hmotnosti >30 kD a <30 kD (kilo-Daltons)“ (Morlan, et al. 1990: 77; Brown, et al. 1988; Nelson, et al. 1986). T. W. Stafford (1990; Stafford, et al. 1987) extrahoval aminokyseliny z kostí a měřil jejich stáří odděleně. Hedges a Van Klinken (1992) podávají přehled dalších nedávných pokroků v předúpravě kostí.

Proč radiouhlíková data vyžadují kalibraci?

Jedním z původních předpokladů metody bylo, že rychlost produkce radiouhlíku je konstantní. Tento předpoklad je nyní znám jako nesprávný, což znamená, že radiouhlíkové roky nejsou ekvivalentní kalendářním rokům. Zdá se, že dlouhodobé změny v rychlosti produkce odpovídají kolísání intenzity magnetického pole Země. Krátkodobé výkyvy, „wiggles“, jsou známy jako de Vriesův efekt (podle Hessela de Vriese) a mohou souviset s kolísáním aktivity slunečních skvrn.

Mezinárodní spolupráce mnoha laboratoří vedla ke stále dokonalejším kalibračním křivkám. Minze Stuiver, jeden z de Vriesových studentů, byl hlavním lídrem tohoto úsilí. Nejnovější soubor kalibračních dat, známý jako INTCAL98, propojuje datovaný záznam stromových letokruhů s uran-thoriovým datováním korálů a nakonec s chronologiemi pozemských varv, aby bylo dosaženo kalibrace v intervalu 0-24 000 let. CALIB 4.0 je počítačový program založený na INTCAL98.

Zda musí být radiouhlíková data kalibrována, závisí na účelu. Některé studie lze provádět výhradně v termínech radiouhlíkových let. Jiné studie, například studie zaměřené na rychlost změn, mohou vyžadovat více či méně přesnou kalibraci.

Co jsou to rezervoárové efekty?

Příklady zásobníků uhlíku se nacházejí v atmosféře, litosféře (zemská kůra), oceánech a biosféře (živé organismy). Suchozemské rostliny a jimi podporované potravní řetězce získávají většinu uhlíku z atmosféry, zatímco mořské potravní řetězce získávají uhlík především z oceánů. Ve vyšších vrstvách atmosféry vzniká ročně asi 7,5 kg uhlíku C-14. Jeho smíšení s uhlíkem v oceánech je méně úplné než jeho smíšení s atmosférickým uhlíkem. Vzestupné proudění hlubokomořské vody přináší do povrchových vod také starý neradioaktivní uhlík. Proto jsou mořské organismy relativně ochuzeny o C-14 a moderní mořské rostliny a živočichové mohou poskytovat zdánlivé stáří stovky let. Tento rozdíl se nazývá rezervoárový efekt.

Kdysi se mělo za to, že zásobníkový efekt činí ve všech oceánech přibližně 400 let, ale nyní je známo, že velikost tohoto efektu se liší geograficky i v čase. Každá regionální studie, která využívá radiokarbonová data mořských organismů, musí stanovit příslušný korekční faktor pro daný region.

Co je to Suessův efekt?

Hans Suess jako první upozornil na to, že spalování fosilních paliv má zásadní vliv na zásobníky uhlíku. Tato paliva, získaná ze zemské kůry, jsou tak stará, že neobsahují vůbec žádný C14. Některé z těchto materiálů se skutečně používají jako standardy umožňující laboratořím sledovat radiační pozadí. Při spalování těchto paliv se jejich uhlík uvolňuje do atmosféry ve formě oxidu uhličitého a některých dalších sloučenin. Roční uvolnění tohoto „mrtvého“ uhlíku činí přibližně 5 000 000 000 000 000 kg ve srovnání se 7,5 kg C-14, které ročně vzniká v důsledku kosmického záření v horních vrstvách atmosféry.

Co je izotopová frakcionace?

Při fotosyntéze rostliny diskriminují těžší izotopy uhlíku a přijímají úměrně méně C-13 a C-14, než je k dispozici v jejich zásobárně uhlíku. Výsledkem je izotopová frakcionace, která se přenáší na konzumenty rostlin (býložravce) a na jejich spotřebitele (masožravce). Ve skutečnosti dochází k další frakcionaci, když býložravci požírají rostliny a když masožravci požírají býložravce. Předpokládá se, že všechny organismy diskriminují C-14 přibližně dvakrát více než C-13, a poměr mezi stabilními atomy C-12 a C-13 lze použít ke korekci počátečního vyčerpání C-14. Radiouhlíková data lze korigovat o izotopovou frakcionaci, což se nazývá normalizace. Velikost izotopové frakcionace závisí na způsobu fotosyntézy, který rostlina používá. Většina kvetoucích rostlin, stromů, keřů a travin mírného pásma se označuje jako rostliny C3, protože vytvářejí molekulu se třemi atomy uhlíku pomocí Calvinova-Bensonova fotosyntetického cyklu. Trávy přizpůsobené suchým oblastem, jako je buvolí tráva (Bouteloua) a kukuřice (Zea), se označují jako rostliny C4, protože vytvářejí molekulu se čtyřmi atomy uhlíku pomocí Hatch-Slackova cyklu. Rostliny C3 diskriminují těžší izotopy uhlíku silněji než rostliny C4.

Jak se normalizují radiouhlíková data?

Normalizace je korekce na izotopovou frakcionaci. Je založena na poměru mezi C-12 a C-13, nazývaném δ13C, který se vyjadřuje v částech na milimetr (parts per thousand) vzhledem ke standardu známému jako Pee Dee Belemnite (PDB). Belemnit je vápnitá křídová fosilie nalezená v Pee Dee v Jižní Karolíně. Většina organických materiálů obsahuje méně C-13 než PDB, což dává záporné hodnoty δ13C. Například většina rostlin C3 má poměr C-13 blízký -25 promile, zatímco poměr C-13 u rostlin C4 se pohybuje v rozmezí -10 až -12,5 promile. Býložravci jsou vůči těžším izotopům méně selektivní a jejich kostní kolagen je vzhledem k jejich potravě obohacen o 5 dílů na milimetr. K další změně dochází u masožravců, jejichž kostní kolagen je obohacen o další 1 díl promile. Mořské rostliny jsou podobné rostlinám C3, ale uhlík získávají z rozpuštěných oceánských hydrogenuhličitanů, které se od atmosféry liší poměrem izotopů, a tento rozdíl se přenáší do mořského potravního řetězce.

Radiouhlíková data lze normalizovat na libovolnou zvolenou hodnotu, přičemž podle mezinárodní úmluvy byla zvolena hodnota -25 částic na mililitr na základě mezinárodně uznávaného dubového standardu. Každý díl promile odchylky od -25 odpovídá 16 letům. Například kostní kolagen z mořských savců má běžně poměr C-13 -15 dílků na milimetr. Tento rozdíl 10 dílů na milimetr od dubového standardu znamená, že stáří kosti mořského savce lze normalizovat přičtením 160 let k jeho naměřenému stáří.

Co když poměr C-13 není znám?

Pokud δ13C nebylo u daného vzorku změřeno, lze jej odhadnout na základě tisíců takových měření, která již byla zaznamenána. Odhad však přispívá dalším stupněm nejistoty, který se odráží v chybovém členu v korekčních vzorcích. Níže jsou shrnuty korekce na izotopovou frakcionaci v běžně datovaných materiálech:

Materiál	δ13C	PPM
rašelina, humus	-27	35 ± 95
uhlí, dřevo	-25	0
tuk mořských savců	-23	20 ± 35
pozemský kolagen	-20	80 ± 20
bizoní kolagen	-20	80 ± 20
lidský kolagen	-19	100 ± 20
mořský kolagen	-15	160 ± 20
kukuřice	-10	245 ± 20
kostní apatit	-10	245 ± 35
sladkovodní mušle	-8	275 ± 50
mořské lastury	0	410 ± 70

Důležité je poznamenat, že vzorce pro bizoní kolagen a lidský kolagen poskytují pouze minimální korekce. V případě zubra nelze zjistit, pokud nebylo změřeno δ13C, podíl rostlin C4, které tvořily potravu zvířete. Odhadovaná hodnota, -20 částic na mililitr, poskytuje odpovídající korekci pouze v případě, že zvíře nikdy nekonzumovalo rostliny C4. Podobně odhadovaná hodnota pro lidský kolagen, -19 částic na mililitr, poskytuje adekvátní korekci pro lidi, kteří nekonzumovali žádné mořské zdroje, žádné bizony živící se rostlinami C4 a žádnou kukuřici. Zvýšení kteréhokoli z těchto zdrojů stravy by obohatilo poměr C-13 nad -19 a způsobilo by, že korekce stáří by byla příliš malá o 16 let na každou změnu poměru o 1 promile

.