Et resumé af Richard Morlan.
Hvad er radiokarbon?
For omkring 75 år siden forudsagde Williard F. Libby, professor i kemi ved University of Chicago, at der ville blive fundet en radioaktiv isotop af kulstof, kendt som kulstof-14, i naturen. Da kulstof er grundlæggende for livet og forekommer sammen med hydrogen i alle organiske forbindelser, kunne påvisningen af en sådan isotop danne grundlag for en metode til at fastslå alderen af gamle materialer. I samarbejde med flere samarbejdspartnere fastslog Libby den naturlige forekomst af radiokulstof ved at påvise dets radioaktivitet i methan fra Baltimore-kloakken. I modsætning hertil var der ingen målbar radioaktivitet i metan fremstillet af olieprodukter.
Denne opdagelse betød, at der findes tre naturligt forekommende isotoper af kulstof:
- carbon-12 (c12), der består af 99 % af kulstofatomer
- carbon-13 (c13), der består af ca. 1 % af kulstofatomer
- carbon-14 (c14), repræsenteret af et kulstofatom pr. trillion
Mens carbon-12 og carbon-13 er stabile isotoper, er carbon-14 ustabilt eller radioaktivt.
Hvad er radiokarbondatering?
Kulstof-14 dannes i den øvre atmosfære, når kosmisk stråling bombarderer nitrogenatomer. De efterfølgende atomare interaktioner skaber en konstant forsyning af c14, der hurtigt spredes i hele atmosfæren. Planter optager c14 sammen med andre kulstofisotoper under fotosyntesen i de proportioner, der forekommer i atmosfæren; dyr optager c14 ved at spise planterne (eller andre dyr). I løbet af en organismes levetid forbliver mængden af c14 i vævene i ligevægt, da tabet (gennem radioaktivt henfald) opvejes af tilvæksten (gennem optagelse via fotosyntese eller forbrug af organisk bundet kulstof). Når organismen dør, falder mængden af c14 imidlertid, således at jo længere tid der går siden døden, jo lavere er c14-indholdet i organisk væv. Dette er det ur, der gør det muligt at omregne niveauerne af c14 i organiske arkæologiske, geologiske og palæontologiske prøver til et tidsskøn.
Målingen af den radioaktive henfaldshastighed er kendt som halveringstiden, dvs. den tid det tager for halvdelen af en prøve at henfalde. Libby beregnede halveringstiden for c14 som 5568 ± 30 år. Det betyder, at halvdelen af c14 er henfaldet, når en organisme har været død i 5568 år, og at halvdelen af resten er henfaldet 11.136 år efter døden, osv. De aftagende niveauer via henfald betyder, at den effektive grænse for brug af c14 til at estimere tid er ca. 50.000 år. Efter dette tidsrum er der kun lidt eller intet c14 tilbage. Senere arbejde har vist, at halveringstiden for radiokulstof faktisk er 5730 ± 40 år, hvilket er en forskel på 3 % i forhold til Libby-halveringstiden. For at undgå forvirring fortsætter alle kulstoflaboratorier imidlertid med at bruge den af Libby beregnede halveringstid og afrunder den nogle gange til 5570 år.
Hvad kan dateres?
Alt organisk materiale, der er tilgængeligt i tilstrækkelig mængde, kan forberedes til kulstofdatering. Moderne AMS (acceleratormassespektroskopi)-metoder kræver meget små mængder, ca. 50 mg. AMS-teknologien har gjort det muligt for os at datere meget små prøver (f.eks. frø), som tidligere ikke kunne dateres. Da der er praktiske begrænsninger for metodens aldersinterval, skal de fleste prøver være yngre end 50.000 år og ældre end 100 år. De fleste prøver kræver kemisk forbehandling for at sikre deres renhed eller for at genvinde bestemte komponenter i materialet. Formålet med forbehandlingen er at sikre, at det kulstof, der analyseres, er naturligt for den prøve, der skal dateres. Forbehandlingen har til formål at fjerne alt forurenende kulstof fra prøven, som kan give en unøjagtig datering. Der kan anvendes syrer til at fjerne forurenende karbonater. Baser kan anvendes til at fjerne forurenende humussyrer.
Visse typer prøver kræver en mere omfattende forbehandling end andre, og disse metoder har udviklet sig i løbet af de første 50 år med kulstofdatering. F.eks. var det engang standardpraksis blot at brænde hele knogler, men resultaterne blev efterhånden anset for at være upålidelige. Kemiske metoder til at adskille de organiske (kollagen) fra de uorganiske (apatit) komponenter i knogler skabte mulighed for at datere begge komponenter og sammenligne resultaterne. Kollagenfraktionen giver normalt mere pålidelige dateringer end apatitfraktionen (se Dateringer på knogler).
Hvordan måles radiokulstof?
Ud over forskellige forbehandlinger skal prøven brændes og omdannes til en form, der er egnet til tælleren. Prøven skal destrueres for at kunne måle dens c14-indhold.
De første målinger af radiokulstof blev foretaget i Geigertællere med skærmvægge, hvor prøven var forberedt til måling i fast form. Disse såkaldte “solid-carbon”-dateringer viste sig snart at give aldre, der var noget yngre end forventet, og der var mange andre tekniske problemer forbundet med prøveforberedelsen og tællernes funktion. Gasproportionale tællere erstattede snart metoden med fast kulstof i alle laboratorier, idet prøverne blev omdannet til gasser som kuldioxid, kulsulfid, metan eller acetylen. Mange laboratorier anvender nu flydende scintillationsmålere, hvor prøverne omdannes til benzen. Alle disse tællertyper måler C-14-indholdet ved at overvåge henfaldshastigheden pr. tidsenhed.
En nyere nyskabelse er den direkte optælling af c14-atomer ved hjælp af acceleratormassespektrometre (AMS). Prøven omdannes til grafit og monteres i en ionkilde, hvorfra den sputteres og accelereres gennem et magnetfelt. feltet afbøjer atomer af forskellig masse forskelligt (tungere atomer afbøjes mindre). Mål, der er indstillet til forskellige atomvægte, tæller antallet af c12-, c13- og c14-atomer i en prøve.
Hvad er aldersgrænserne for radiokarbondatering?
Mange prøver, der rapporteres som “moderne”, har niveauer af radioaktivitet, der ikke kan skelnes fra moderne standarder som f.eks. oxalsyre. På grund af forurening fra bombeforsøg er nogle prøver endda mere radioaktive end de moderne standarder. Andre meget unge prøver kan være angivet som maksimumsgrænser, f.eks. 40.000 år. De meget gamle prøver har så lav radioaktivitet, at de ikke kan skelnes pålideligt fra baggrundsstrålingen. Meget få laboratorier er i stand til at måle aldre på mere end 40.000 år.
Hvorfor har radiokulstofdatoer plus- eller minus-tegn?
Flere aspekter af radiokulstofmålingerne har indbyggede usikkerheder. Hvert laboratorium skal tage højde for baggrundsstråling, der varierer geografisk og gennem tiden. Variationen i baggrundsstrålingen overvåges ved rutinemæssigt at måle standarder som f.eks. antracit (kul), oxalsyre og visse materialer af velkendt alder. Standarderne giver et grundlag for fortolkning af radioaktiviteten i den ukendte prøve, men der er altid en vis usikkerhed ved enhver måling. Da henfaldstælling registrerer tilfældige hændelser pr. tidsenhed, er usikkerheden et iboende aspekt af metoden.
De fleste laboratorier udtrykker usikkerheden med en standardafvigelse (± 1 sigma), hvilket betyder, at der er en sandsynlighed på ca. 67 % for, at prøvens sande alder ligger inden for det angivne interval, f.eks. ± 100 år. De fleste laboratorier tager kun hensyn til tællestatistikken, dvs. aktiviteten af prøven, standarderne og baggrunden, når de fastsætter 1-sigma-grænserne. Nogle laboratorier tager dog også andre variabler i betragtning, f.eks. usikkerheden ved måling af halveringstiden. To laboratorier, Geological Survey of Canada og University of Waterloo, følger en ukonventionel praksis ved at rapportere 2-sigma-fejl, hvilket indebærer en sandsynlighed på ca. 95 % for, at prøvens sande alder ligger inden for det angivne interval. Nogle laboratorier pålægger deres fejlterminer en minimumsværdi.
De fleste laboratorier anvender et 2-sigma-kriterium til at fastsætte minimums- og maksimumsalderen. I overensstemmelse med sin praksis med at angive 2-sigma fejl for såkaldte endelige dateringer bruger Geological Survey of Canada et 4-sigma kriterium for ikke-endelige dateringer.
Hvad betyder BP?
De første radiokulstofdateringer, der blev rapporteret, havde deres alder beregnet til nærmeste år, udtrykt i år før nutid (BP). Det blev hurtigt klart, at betydningen af BP ville ændre sig hvert år, og at man skulle kende datoen for analysen for at forstå prøvens alder. For at undgå forvirring blev det i en international konvention fastsat, at år 1950 e.Kr. skulle anvendes som referencepunkt for udtrykket BP. BP betyder således år før år A.D. 1950.
Der er fortsat nogle, der udtrykker radiokulstofdatoer i forhold til kalenderen ved at trække 1950 fra den rapporterede alder. Denne praksis er ukorrekt, fordi det nu er kendt, at radiokulstofår ikke svarer til kalenderår. For at udtrykke en radiokulstofdato i kalenderår skal den normaliseres, korrigeres efter behov for reservoirvirkninger og kalibreres.
Hvad er betydningen af association?
Radiokulstofdatoer kan kun opnås fra organiske materialer, og mange arkæologiske steder tilbyder kun lidt eller ingen organisk bevaring. Selv hvis den organiske bevaring er fremragende, er de organiske materialer i sig selv ikke altid det, der er af størst interesse for arkæologen. Men deres tilknytning til kulturelle elementer såsom husrester eller ildsteder kan gøre organiske stoffer såsom trækul og knogler egnede til radiokarbondatering. Et afgørende problem er, at den resulterende dato kun måler tiden siden en plantes eller et dyrs død, og det er op til arkæologen at registrere beviser for, at organismens død er direkte relateret til eller forbundet med de menneskelige aktiviteter, der repræsenteres af artefakterne og de kulturelle træk.
Mange steder i det arktiske Canada indeholder trækul, der stammer fra drivtømmer, som blev indsamlet af oldtidens mennesker og brugt til brændsel. En radiokarbondato på drivtømmer kan være flere århundreder ældre end forventet, fordi træet kan være dødt hundredvis af år, før det blev brugt til at tænde ild med. I skovområder er det ikke ualmindeligt at finde forkullede trærødder, der strækker sig nedad i arkæologiske materialer, der er begravet i dybere lag på en lokalitet. Trækul fra sådanne rødder kan være resultatet af en skovbrand, der opstod flere hundrede år efter, at de arkæologiske materialer blev begravet, og en radiokarbondato på sådant trækul vil give en alder, der er yngre end forventet.
Datoer på knogler
Knogler er næst efter trækul et materiale, der vælges til radiokarbondatoer. Det har nogle fordele i forhold til trækul. For eksempel er det ofte lettere at påvise en sikker forbindelse mellem knogler og artefakter end at påvise en sikker forbindelse mellem trækul og artefakter. Mange undersøgelser søger at fastslå et dyrs dødstidspunkt, og der er ingen tvivl om sammenhængen, hvis prøven består af dyrets knogle(r).
Ben giver imidlertid nogle særlige udfordringer, og metoderne til forbehandling af prøver af knogler, gevir, horn og stødtænder har undergået dybtgående ændringer i løbet af de sidste 50 år. Oprindeligt nøjedes de fleste laboratorier med at brænde hele knogler eller knoglefragmenter, hvorved både organisk og uorganisk kulstof, der stammer fra knoglen, samt eventuelle kulstofholdige forureninger, der måtte være til stede, blev tilbageholdt i prøven. Man mente faktisk, tilsyneladende i analogi med elementært trækul, at knogler var egnede til radiokarbondatering, “når de var stærkt forkullede” (Rainey og Ralph, 1959: 366). Dateringer på knogler fremstillet ved sådanne metoder er meget mistænkelige. Det er mest sandsynligt, at de fejler til den unge side, men det er ikke muligt at forudsige deres pålidelighed.
Udviklingen af kemiske metoder til at isolere kulstof fra de organiske og uorganiske bestanddele af knogle var et stort fremskridt. Berger, Horney og Libby (1964) offentliggjorde en metode til ekstraktion af det organiske kulstof fra knogle. Mange laboratorier anvendte denne metode, som producerede en gelatine, der formodedes at bestå hovedsageligt af kollagen. Denne metode kaldes “uopløselig kollagenekstraktion” i denne database. Longin (1971) viste, at kollagen kunne ekstraheres i en opløselig form, der muliggjorde en større grad af dekontaminering af prøven. Mange laboratorier anvendte Longins metode, som i denne database kaldes “opløselig kollagenekstraktion”.
C.V. Haynes (1968) præsenterede en metode til ekstraktion af det uorganiske kulstof fra knogle. Denne metode blev anset for at være velegnet til brug i områder, hvor kollagen sjældent eller dårligt er bevaret i knogler. Efterfølgende forskning har rejst tvivl om pålideligheden af denne metode. Hassan m.fl. (1977; Hassan og Ortner, 1977) viste, at det uorganiske kulstof i knogleapatit er meget modtageligt for kontaminering med enten yngre eller ældre kulstof i begravelsesmiljøet. Det viser sig nu, at uopløselige kollagenekstraktioner normalt fejler på den unge side, hvis overhovedet (Rutherford og Wittenberg, 1979), mens knogleapatit kan give aldre enten ældre eller yngre end den sande alder, ofte med en betydelig margen.
Løbende forskning er fortsat med at forfine metoderne til ekstraktion af kollagen, især fra små prøver bestemt til AMS-datering. For eksempel har D.E. Nelson og hans medarbejdere eksperimenteret med modifikationer af Longins metode, herunder brugen af ultrafiltrering til at isolere komponenterne i “to fraktioner af nominelle molekylvægte >30 kD og <30 kD (kilo-Dalton)” (Morlan, et al. 1990: 77; Brown, et al. 1988; Nelson, et al. 1986). T.W. Stafford (1990; Stafford, et al. 1987) har ekstraheret aminosyrer fra knogler og målt deres alder separat. Hedges og Van Klinken (1992) gennemgår andre nyere fremskridt inden for forbehandling af knogler.
Hvorfor kræver radiokarbondatoer kalibrering?
En af de oprindelige antagelser for metoden var, at produktionshastigheden af radiokarbon er konstant. Denne antagelse er nu kendt for at være ukorrekt, hvilket betyder, at kulstofår ikke svarer til kalenderår. Langsigtede variationer i produktionshastigheden synes at svare til udsving i styrken af Jordens magnetfelt. Kortvarige variationer, “wiggles”, er kendt som de Vries-effekten (efter Hessel de Vries) og kan hænge sammen med variationer i solpletaktiviteten.
Internationalt samarbejde mellem mange laboratorier har resulteret i stadig mere raffinerede kalibreringskurver. Minze Stuiver, en af de Vries’ elever, har været en vigtig leder i denne indsats. Det seneste kalibreringsdatasæt, kendt som INTCAL98, forbinder den daterede træringoptegnelse med uran-thorium-dateringer af koraller og endelig med terrestriske varve-kronologier for at opnå en kalibrering over intervallet 0-24.000 år. CALIB 4.0 er et computerprogram, der er baseret på INTCAL98.
Om radiokarbondatoer skal kalibreres, afhænger af ens formål. Nogle undersøgelser kan gennemføres udelukkende i form af kulstofår. Andre undersøgelser, f.eks. undersøgelser, der fokuserer på ændringshastigheder, kan kræve mere eller mindre præcise kalibreringer.
Hvad er reservoireffekter?
Eksempler på kulstofreservoirer findes i atmosfæren, lithosfæren (jordskorpen), havene og biosfæren (levende organismer). Landplanter og de fødekæder, som de understøtter, får det meste af deres kulstof fra atmosfæren, mens marine fødekæder hovedsageligt får kulstof fra havene. Der produceres ca. 7,5 kg C-14 hvert år i den øvre atmosfære, og blandingen med kulstof i havene er mindre fuldstændig end blandingen med atmosfærisk kulstof. Opadgående strøm af dybhavsvand i havene bringer også gammelt, ikke-radioaktivt kulstof til overfladevandet. Derfor er marine organismer relativt udtømt for C-14, og moderne marine planter og dyr kan give en tilsyneladende alder på hundreder af år. Denne uoverensstemmelse kaldes reservoir-effekten.
Det blev engang antaget, at reservoir-effekten var ca. 400 år i alle havene, men man ved nu, at størrelsen af effekten varierer geografisk og gennem tiden. Hver regional undersøgelse, der anvender radiokarbondatoer på marine organismer, skal fastlægge den passende korrektionsfaktor for den pågældende region.
Hvad er Suess-effekten?
Hans Suess var den første til at påpege, at afbrænding af fossile brændstoffer har en dybtgående indflydelse på kulstofreservoirerne. Disse brændsler, der stammer fra jordskorpen, er så gamle, at de slet ikke indeholder C-14. Nogle af disse materialer anvendes faktisk som standarder for at gøre det muligt for laboratorierne at overvåge baggrundsstrålingen. Når brændstofferne forbrændes, frigives deres kulstof til atmosfæren i form af kuldioxid og visse andre forbindelser. Den årlige frigivelse af dette “døde” kulstof udgør ca. 5.000.000.000.000.000.000 kg sammenlignet med de 7,5 kg C-14, der årligt produceres af kosmisk stråling i den øvre atmosfære.
Hvad er isotopfraktionering?
Under fotosyntesen diskriminerer planterne mod de tungere isotoper af kulstof og optager forholdsmæssigt mindre C-13 og C-14, end der er til rådighed i deres kulstofreservoir. Resultatet er isotopfraktionering, og det sendes videre til planternes forbrugere (planteædere) og til deres forbrugere (kødædere). Faktisk sker der yderligere fraktionering, når planteædere spiser planterne, og når kødædere spiser planteædere. Man mener, at alle organismer diskriminerer C-14 ca. dobbelt så meget som C-13, og forholdet mellem de stabile C-12- og C-13-atomer kan bruges til at korrigere for den oprindelige udtømning af C-14. Radiokarbondatoer kan korrigeres for isotopfraktionering, en korrektion, der kaldes normalisering. Omfanget af isotopfraktionering afhænger af den fotosyntetiske vej, som planten anvender. De fleste blomstrende planter, træer, buske og græsser i den tempererede zone er kendt som C3-planter, fordi de danner et molekyle med tre kulstofatomer ved hjælp af Calvin-Benson-fotosyntesens cyklus. Græsser, der er tilpasset tørre områder, som f.eks. bøffelgræs (Bouteloua) og majs (Zea), er kendt som C4-planter, fordi de danner et molekyle med fire kulstofatomer ved hjælp af Hatch-Slack-cyklusen. C3-planter diskriminerer stærkere mod de tungere kulstofisotoper end C4-planter.
Hvordan normaliseres radiokulstofdatoer?
Normalisering er en korrektion for isotopfraktionering. Den er baseret på forholdet mellem C-12 og C-13, kaldet δ13C, som er udtrykt i dele pr. mil (dele pr. tusind) i forhold til en standard kendt som Pee Dee Belemnite (PDB). Belemnit er et kalkholdigt fossil fra kridttiden, der er fundet i Pee Dee, South Carolina. De fleste organiske materialer indeholder mindre C-13 end PDB, hvilket giver negative værdier for δ13C. F.eks. har de fleste C3-planter et C-13-forhold på nær -25 ppm, mens C-13-forholdet i C4-planter ligger i intervallet -10 til -12,5 ppm. Planteædere er mindre selektive over for de tungere isotoper, og deres knoglekollagen er beriget med 5 dele pr. mil i forhold til deres kost. Endnu en ændring sker hos kødædere, hvis knoglekollagen er beriget med yderligere 1 promille. Havplanter ligner C3-planter, men de får deres kulstof fra opløste bicarbonater fra havet, som adskiller sig fra atmosfæren i deres isotopforhold, og denne forskel videregives opad i den marine fødekæde.
Radiokarbondatoer kan normaliseres til en hvilken som helst valgt værdi, og den værdi, der er valgt ved international konvention, er -25 dele pr. mil baseret på en internationalt accepteret ege-standard. Hver del per mils forskel fra -25 svarer til 16 år. F.eks. har knoglekollagen fra havpattedyr almindeligvis et C-13-forhold på -15 dele pr. mil. Denne forskel på 10 dele pr. mil fra ege-standarden betyder, at alderen på knoglen fra havpattedyr kan normaliseres ved at lægge 160 år til den målte alder.
Hvad sker der, hvis C-13-forholdet er ukendt?
Hvis δ13C ikke er blevet målt for en given prøve, kan det skønnes på grundlag af tusindvis af sådanne målinger, der allerede er blevet rapporteret. Skønnet bidrager imidlertid med en ekstra grad af usikkerhed, som afspejles af et fejlterm i korrektionsformlerne. Korrektioner for isotopfraktionering i almindeligt daterede materialer er opsummeret nedenfor:
| Materiale | δ13C | PPM | |
|---|---|---|---|
| Tørv, humus | -27 | 35 ± 95 | |
| Kul, træ | -25 | 0 | |
| fedt fra havpattedyr | -23 | 20 ± 35 | |
| jordisk kollagen | -20 | 80 ± 20 | |
| bisonkollagen | -20 | 80 ± 20 | |
| menneskelkollagen | -19 | 100 ± 20 | |
| marint kollagen | –15 | 160 ± 20 | |
| maizen | -10 | 245 ± 20 | |
| knogleapatit | -10 | 245 ± 35 | |
| friskvandsskaller | -8 | 275 ± 50 | |
| marine skaller | 0 | 410 ± 70 |
Det er vigtigt at bemærke, at formlerne for bisonkollagen og humant kollagen kun giver minimumskorrektioner. I tilfældet med bison kan man ikke vide, medmindre δ13C er blevet målt, hvor stor en andel af C4-planter, der har udgjort dyrets kost, medmindre δ13C er blevet målt. Den anslåede værdi, -20 ppm, giver kun en passende korrektion, hvis dyret aldrig har spist C4-planter. På samme måde giver den anslåede værdi for menneskelig kollagen, -19 dele pr. mil, en passende korrektion for mennesker, der ikke spiste nogen marine ressourcer, ingen C4-planteædende bisoner og ingen majs. Stigninger i nogen af disse kostressourcer ville berige C-13-forholdet til over -19 og gøre alderskorrektionen for lille med 16 år for hver del pr. mil ændring i forholdet.