Richard Morlan összefoglalója.
Mi a radiokarbon?
Nagyjából 75 évvel ezelőtt Williard F. Libby, a Chicagói Egyetem kémiaprofesszora megjósolta, hogy a szén egy radioaktív izotópja, az úgynevezett szén-14 fog előfordulni a természetben. Mivel a szén alapvető fontosságú az élet szempontjából, mivel a hidrogénnel együtt minden szerves vegyületben előfordul, egy ilyen izotóp kimutatása alapját képezheti egy olyan módszernek, amellyel meg lehet állapítani az ősi anyagok korát. Libby több munkatársával együttműködve megállapította a radiokarbon természetes előfordulását azáltal, hogy a baltimore-i csatornából származó metánban kimutatta a radioaktivitását. Ezzel szemben a kőolajtermékekből előállított metán nem mutatott mérhető radioaktivitást.
Ez a felfedezés azt jelentette, hogy a szénnek három természetesen előforduló izotópja van:
- szén-12 (c12), amely a szénatomok 99%-át teszi ki
- szén-13 (c13), amely a szénatomok mintegy 1%-át teszi ki
- szén-14 (c14), amelyet egy szénatom per billió
Míg a szén-12 és a szén-13 stabil izotópok, a szén-14 instabil vagy radioaktív.
Mi a radiokarbonos kormeghatározás?
A szén-14 a felső légkörben keletkezik, amikor a kozmikus sugárzás nitrogénatomokat bombáz. Az ezt követő atomi kölcsönhatások folyamatos c14-ellátást hoznak létre, amely gyorsan szétterjed a légkörben. A növények a c14-et más szénizotópokkal együtt a fotoszintézis során veszik fel a légkörben előforduló arányban; az állatok a növények (vagy más állatok) elfogyasztásával jutnak c14-hez. A szervezet élete során a szövetekben lévő c14 mennyisége egyensúlyban marad, mivel a veszteséget (a radioaktív bomlás révén) kiegyenlíti a nyereség (a fotoszintézissel történő felvétel vagy a szervesen kötött szén fogyasztása révén). Amikor azonban a szervezet meghal, a c14 mennyisége úgy csökken, hogy minél hosszabb idő telik el az elhalálozás óta, annál alacsonyabb a szerves szövetek c14-szintje. Ez az az óra, amely lehetővé teszi, hogy a szerves régészeti, geológiai és paleontológiai mintákban lévő c14 szintjét időbecsléssé alakítsuk át.
A radioaktív bomlás sebességének mérése a felezési idő, vagyis az az idő, amely alatt a minta fele bomlik. Libby a c14 felezési idejét 5568 ± 30 évben számította ki. Ez azt jelenti, hogy a c14 fele bomlott el, mire egy élőlény 5568 éve halott, a maradék fele pedig 11 136 évvel a halál után bomlott el, stb. A bomlás révén csökkenő szintek azt jelentik, hogy a c14-nek az idő becslésére való felhasználásának tényleges határa körülbelül 50 000 év. Ez után az idő után már alig, vagy egyáltalán nem marad c14. Későbbi munkák kimutatták, hogy a radiokarbon felezési ideje valójában 5730 ± 40 év, ami 3%-os különbség a Libby-féle felezési időhöz képest. A félreértések elkerülése érdekében azonban minden radiokarbonlaboratórium továbbra is a Libby által kiszámított felezési időt használja, néha 5570 évre kerekítve azt.
Mit lehet datálni?
Minden olyan szerves anyag, amely megfelelő mennyiségben rendelkezésre áll, előkészíthető radiokarbonos kormeghatározásra. A modern AMS (gyorsító tömegspektroszkópiai) módszerekhez apró mennyiségekre, kb. 50 mg-ra van szükség. Az AMS technológia lehetővé tette, hogy nagyon kis mintákat (például magvakat) datáljunk, amelyek korábban nem voltak datálhatók. Mivel a módszer korhatárának gyakorlati korhatárai vannak, a legtöbb mintának 50 000 évnél fiatalabbnak és 100 évnél idősebbnek kell lennie. A legtöbb minta kémiai előkezelést igényel a tisztaság biztosítása vagy az anyag egyes összetevőinek kinyerése érdekében. Az előkezelés célja annak biztosítása, hogy az elemzett szén a kormeghatározásra benyújtott mintából származzon. Az előkezelés célja, hogy eltávolítsa a mintából a szennyező széntartalmat, amely pontatlan dátumot eredményezhet. A szennyező karbonátok eltávolítására savak használhatók. Bázisokat lehet használni a szennyező huminsavak eltávolítására.
Egyes mintatípusok szélesebb körű előkezelést igényelnek, mint mások, és ezek a módszerek a radiokarbonos kormeghatározás első 50 éve alatt fejlődtek. Egykor például bevett gyakorlat volt az egész csontok egyszerű elégetése, de az eredmények végül megbízhatatlannak bizonyultak. A csont szerves (kollagén) és szervetlen (apatit) összetevőinek elválasztására szolgáló kémiai módszerek lehetőséget teremtettek a két összetevő datálására és az eredmények összehasonlítására. A kollagénfrakció általában megbízhatóbb dátumokat ad, mint az apatitfrakció (lásd: Dátumok a csontokon).
Hogyan történik a radiokarbon mérése?
A különböző előkezelések mellett a mintát ki kell égetni és a számláló számára alkalmas formába kell alakítani. A c14-tartalom méréséhez a mintát meg kell semmisíteni.
A radiokarbon első méréseit szitafalas Geiger-számlálókban végezték, a mérésre előkészített mintát szilárd formában. Ezekről az úgynevezett “szilárd szén”-dátumokról hamarosan kiderült, hogy a vártnál valamivel fiatalabb korokat adnak, és a minta előkészítésével és a számlálók működtetésével kapcsolatban számos egyéb technikai probléma is felmerült. A gázproporcionális számlálók hamarosan minden laboratóriumban felváltották a szilárd szén-dioxidos módszert, a mintákat gázokká, például szén-dioxiddá, széndiszulfiddá, metánná vagy acetilénné alakították át. Sok laboratórium ma már folyékony szcintillációs számlálókat használ, amelyekben a mintákat benzollá alakítják át. Mindegyik számlálótípus a C-14-tartalmat az egységnyi idő alatt bekövetkező bomlási sebesség figyelésével méri.
A legújabb innováció a c14 atomok közvetlen számlálása gyorsító tömegspektrométerekkel (AMS). A mintát grafittá alakítják, és egy ionforrásba szerelik, amelyből porlasztják és mágneses mezőben gyorsítják. a mező a különböző tömegű atomokat különbözőképpen téríti el (a nehezebb atomok kevésbé térítik el). A különböző atomsúlyokra hangolt céltárgyak megszámolják a mintában lévő c12, c13 és c 14 atomok számát.
Melyek a radiokarbonos kormeghatározás korhatárai?
Sok “modernnek” jelentett minta radioaktivitási szintje nem különböztethető meg a modern standardoktól, például az oxálsavtól. A bombakísérletekből származó szennyeződések miatt egyes minták még a modern standardoknál is radioaktívabbak. Más, nagyon fiatal mintákra maximális határértékeket adhatnak meg, például 40 000 évet. A nagyon régi minták radioaktivitása olyan alacsony, hogy nem lehet őket megbízhatóan megkülönböztetni a háttérsugárzástól. Nagyon kevés laboratórium képes 40 000 évnél nagyobb életkort mérni.
Miért van a radiokarbon dátumoknál plusz- vagy mínusz jel?
A radiokarbon mérés több szempontja is beépített bizonytalansággal jár. Minden laboratóriumnak ki kell számolnia a háttérsugárzást, amely földrajzilag és időben változik. A háttérsugárzás változásait olyan rutinszerű mérési standardokkal ellenőrzik, mint az antracit (szén), az oxálsav és bizonyos jól ismert korú anyagok. A standardok alapot nyújtanak az ismeretlen minta radioaktivitásának értelmezéséhez, de minden mérésnek mindig van egy bizonyos fokú bizonytalansága. Mivel a bomlásszámlálás véletlenszerű eseményeket rögzít egységnyi idő alatt, a bizonytalanság a módszer velejárója.
A legtöbb laboratórium a bizonytalanságot egy standard eltéréssel (± 1 szigma) fejezi ki, ami azt jelenti, hogy körülbelül 67% a valószínűsége annak, hogy a minta valódi kora a megadott tartományba esik, mondjuk ± 100 év. A legtöbb laboratórium csak a számlálási statisztikát, azaz a minta, a standardok és a háttér aktivitását veszi figyelembe az 1-szigmás határértékek meghatározásakor. Néhány laboratórium azonban más változókat is figyelembe vesz, például a felezési idő mérésének bizonytalanságát. Két laboratórium, a Geological Survey of Canada és a University of Waterloo szokatlan gyakorlatot követ: 2-szigmás hibát jelentenek, ami azt jelenti, hogy 95%-os valószínűséggel a minta valódi kora a megadott tartományba esik. Egyes laboratóriumok minimális értéket szabnak meg a hibatételeikre.
A legtöbb laboratórium 2-szigmás kritériumot használ a minimális és maximális korok meghatározásához. A Geological Survey of Canada az úgynevezett véges dátumok esetében a 2-szigmás hiba megadásának gyakorlatával összhangban a nem véges dátumok esetében 4-szigmás kritériumot alkalmaz.
Mit jelent a BP?
Az első bejelentett radiokarbon dátumok korát a legközelebbi évre számították ki, a jelen előtti években (BP) kifejezve. Hamarosan nyilvánvalóvá vált, hogy a BP jelentése minden évben változik, és hogy a minta korának megértéséhez ismerni kell az elemzés időpontját. A félreértések elkerülése érdekében nemzetközi egyezményben rögzítették, hogy a BP kifejezés referenciapontjaként a Kr. u. 1950-es évet fogadják el. Így a BP a Kr. u. 1950 előtti éveket jelenti.
Néhányan továbbra is úgy fejezik ki a radiokarbonos dátumokat a naptárhoz viszonyítva, hogy a közölt korból kivonják az 1950-es évet. Ez a gyakorlat helytelen, mert ma már ismert, hogy a radiokarbonos évek nem egyenértékűek a naptári évekkel. Ahhoz, hogy a radiokarbon dátumot naptári években lehessen kifejezni, azt normalizálni kell, szükség szerint korrigálni kell a tározóhatások miatt, és kalibrálni kell.
Milyen fontos a társulás?
Radiokarbon dátumok csak szerves anyagokból nyerhetők, és sok régészeti lelőhelyen kevés vagy egyáltalán nincs szerves konzerváció. Még ha a szerves konzerváltság kiváló is, maguk a szerves anyagok nem mindig azok a tárgyak, amelyek a régész számára a legérdekesebbek. A kulturális jellemzőkkel, például házmaradványokkal vagy tűzrakóhelyekkel való kapcsolatuk azonban alkalmassá teheti az olyan szerves anyagokat, mint a faszén és a csont, a radiokarbonos kormeghatározásra. A döntő probléma az, hogy az így kapott dátum csak a növény vagy állat halála óta eltelt időt méri, és a régész feladata, hogy bizonyítékot rögzítsen arra, hogy az organizmus halála közvetlenül kapcsolódik vagy összefügg a leletek és kulturális jellemzők által képviselt emberi tevékenységekkel.
A kanadai sarkvidéken számos lelőhelyen található olyan faszén, amely az ősi emberek által gyűjtött és tüzelőanyagként használt uszadékfából származik. Az uszadékfa radiokarbonos dátuma a vártnál több évszázaddal idősebb lehet, mivel a fa több száz évvel azelőtt pusztulhatott el, hogy tüzet gyújtottak volna vele. Erdős területeken nem ritka, hogy a fák elszenesedett gyökerei lefelé nyúlnak a lelőhely mélyebb rétegeiben eltemetett régészeti anyagokba. Az ilyen gyökerekből származó faszén több száz évvel a régészeti anyagok eltemetése után keletkezett erdőtűz eredménye lehet, és az ilyen faszén radiokarbonos kormeghatározása a vártnál fiatalabb kort fog eredményezni.
A csontok kormeghatározása
A csont a radiokarbonos kormeghatározáshoz választott anyagként a faszén után a második helyen áll. Van néhány előnye a faszénnel szemben. Például a csontok és leletek közötti biztos kapcsolat bizonyítása gyakran könnyebb, mint a faszén és a leletek közötti biztos kapcsolat bizonyítása. Számos tanulmány célja ugyanis egy állat halálának időpontjának meghatározása, és ha a minta az állat csontjából (csontjaiból) áll, akkor nem kérdéses az összefüggés.
A csont azonban különleges kihívásokat jelent, és a csont-, agancs-, szarv- és agyarszarvminták előkezelési módszerei alaposan megváltoztak az elmúlt 50 év során. Kezdetben a legtöbb laboratórium csupán egész csontokat vagy csonttöredékeket égetett el, a mintában megtartva mind a csontra jellemző szerves és szervetlen szenet, mind az esetlegesen jelenlévő széntartalmú szennyeződéseket. Valójában úgy vélték, nyilvánvalóan az elemi szénnel analóg módon, hogy a csont akkor alkalmas radiokarbonos kormeghatározásra, “ha erősen elszenesedett” (Rainey és Ralph, 1959: 366). Az ilyen módszerekkel előállított csontok datálása erősen gyanús. Valószínűleg a fiatal oldalra tévednek, de megbízhatóságukat nem lehet megjósolni.
A csont szerves és szervetlen alkotóelemeiből a szén izolálására szolgáló kémiai módszerek kifejlesztése jelentős előrelépést jelentett. Berger, Horney és Libby (1964) közzétettek egy módszert a szerves szén csontból történő kivonására. Számos laboratórium alkalmazta ezt a módszert, amely egy olyan zselatint eredményezett, amely feltehetően főként kollagénből állt. Ezt a módszert ebben az adatbázisban “oldhatatlan kollagén extrakciónak” nevezik. Longin (1971) kimutatta, hogy a kollagént oldható formában is ki lehet vonni, ami lehetővé teszi a minta nagyobb fokú fertőtlenítését. Számos laboratórium alkalmazta Longin módszerét, amelyet ebben az adatbázisban “oldható kollagén extrakciónak” neveznek.
C.V. Haynes (1968) bemutatott egy módszert a szervetlen szén csontból történő kivonására. Ezt a módszert alkalmasnak tartották olyan területeken való alkalmazásra, ahol a kollagén ritkán vagy rosszul konzerválódik a csontokban. A későbbi kutatások kétségbe vonták e módszer megbízhatóságát. Hassan és mások (1977; Hassan és Ortner, 1977) kimutatták, hogy a csont apatitjában található szervetlen szén nagyon érzékeny a temetkezési környezetben lévő fiatalabb vagy idősebb szénnel való szennyeződésre. Ma már úgy tűnik, hogy az oldhatatlan kollagén kivonatok általában a fiatal oldalon tévednek, ha egyáltalán tévednek (Rutherford és Wittenberg, 1979), míg a csont apatit a valódi kornál akár idősebb, akár fiatalabb korokat adhat meg, gyakran jelentős különbséggel.
A folyamatban lévő kutatások tovább finomítják a kollagén kivonásának módszereit, különösen az AMS kormeghatározásra szánt kis mintákból. D. E. Nelson és munkatársai például Longin módszerének módosításaival kísérleteztek, beleértve az ultraszűrés alkalmazását az összetevők “két frakcióra történő elkülönítésére, amelyek névleges molekulatömege >30 kD és <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) aminosavakat vont ki csontokból és külön-külön megmérte azok korát. Hedges és Van Klinken (1992) áttekintik a csontok előkezelése terén elért újabb eredményeket.
Miért van szükség a radiokarbon dátumok kalibrálására?
A módszer egyik kezdeti feltételezése az volt, hogy a radiokarbon termelésének sebessége állandó. Ma már tudjuk, hogy ez a feltételezés helytelen, ami azt jelenti, hogy a radiokarbonévek nem egyenértékűek a naptári évekkel. Úgy tűnik, hogy a termelés ütemének hosszú távú változásai megfelelnek a Föld mágneses mezejének erősségében bekövetkező ingadozásoknak. A rövid távú változásokat, a “hullámzást” de Vries-effektusnak nevezik (Hessel de Vries után), és a napfolttevékenység változásaival hozhatók összefüggésbe.
A számos laboratórium nemzetközi együttműködése egyre finomabb kalibrációs görbéket eredményezett. Minze Stuiver, de Vries egyik tanítványa, jelentős vezető szerepet játszott ebben az erőfeszítésben. A legújabb, INTCAL98 néven ismert kalibrációs adatkészlet összekapcsolja a datált fa-gyűrű rekordot a korallok urán-tórium kormeghatározásával és végül a szárazföldi varve kronológiákkal, hogy a 0-24.000 éves intervallumban kalibrációt érjen el. A CALIB 4.0 egy számítógépes program, amely az INTCAL98-on alapul.
A céltól függ, hogy a radiokarbonos dátumokat kalibrálni kell-e. Egyes tanulmányokat teljes egészében radiokarbon évekkel lehet végezni. Más tanulmányok, például azok, amelyek a változások sebességére összpontosítanak, több vagy kevésbé pontos kalibrálást igényelhetnek.
Mi a rezervoárhatás?
Szénraktárakra találunk példákat a légkörben, a litoszférában (a földkéregben), az óceánokban és a bioszférában (az élő szervezetekben). A szárazföldi növények és az általuk támogatott táplálékláncok a szén nagy részét a légkörből nyerik, míg a tengeri táplálékláncok elsősorban az óceánokból. Évente körülbelül 7,5 kg C-14 keletkezik a felső légkörben, és az óceánokban lévő szénnel való keveredése kevésbé teljes, mint a légköri szénnel való keveredése. A mélytengeri víz felfelé áramlása ősi, nem radioaktív szenet is hoz a felszíni vizekbe. Ezért a tengeri élőlények viszonylag kevés C-14-et tartalmaznak, és a modern tengeri növények és állatok több száz éves látszólagos életkorokat is adhatnak. Ezt az eltérést nevezik tározóhatásnak.
Egykor úgy gondolták, hogy a rezervoárhatás körülbelül 400 év az összes óceánban, de ma már tudjuk, hogy a hatás nagysága földrajzilag és időben változik. Minden olyan regionális tanulmánynak, amely tengeri élőlények radiokarbonos dátumait alkalmazza, meg kell határoznia az adott régiónak megfelelő korrekciós tényezőt.
Mi a Suess-hatás?
Hans Suess volt az első, aki rámutatott arra, hogy a fosszilis tüzelőanyagok elégetése mélyrehatóan befolyásolja a szén-dioxid-tartalékokat. Ezek a földkéregből nyert tüzelőanyagok olyan régiek, hogy egyáltalán nem tartalmaznak C-14-et. Valójában néhány ilyen anyagot standardként használnak, hogy a laboratóriumok a háttérsugárzást nyomon követhessék. Amikor a tüzelőanyagokat elégetik, szénjük szén-dioxid és bizonyos más vegyületek formájában a légkörbe kerül. Ennek a “halott” szénnek az éves kibocsátása körülbelül 5.000.000.000.000.000.000 kg-ot tesz ki, szemben a kozmikus sugárzás által a felső légkörben évente keletkező 7,5 kg C-14-gyel.
Mi az izotópos frakcionálás?
A fotoszintézis során a növények megkülönböztetik a szén nehezebb izotópjait, és arányosan kevesebb C-13-at és C-14-et vesznek fel, mint amennyi a szénkészletükben rendelkezésre áll. Ennek eredménye az izotópos frakcionáció, amely a növények fogyasztóihoz (a növényevőkhöz) és azok fogyasztóihoz (a húsevőkhöz) jut el. Valójában további frakcionálódás következik be, amikor a növényevők megeszik a növényeket, és amikor a húsevők megeszik a növényevőket. Úgy vélik, hogy minden szervezet körülbelül kétszer annyit diszkriminál a C-14-gyel szemben, mint a C-13-mal szemben, és a stabil C-12 és C-13 atomok aránya felhasználható a C-14 kezdeti kimerülésének korrigálására. A radiokarbon dátumok korrigálhatók az izotópos frakcionálódás miatt, ezt a korrekciót normalizálásnak nevezik. Az izotópfrakciózás mértéke a növény által használt fotoszintetikus útvonaltól függ. A legtöbb virágos növényt, fát, cserjét és a mérsékelt övi fűféléket C3-as növényeknek nevezik, mivel a Calvin-Benson-fotoszintetikus ciklus segítségével három szénatomos molekulát hoznak létre. A száraz régiókhoz alkalmazkodott fűfélék, mint például a bivalyfű (Bouteloua) és a kukorica (Zea), C4-es növényeknek nevezhetők, mivel a Hatch-Slack-ciklus segítségével négy szénatomos molekulát hoznak létre. A C3 növények erősebben diszkriminálják a nehezebb szénizotópokat, mint a C4 növények.
Hogyan normalizálják a radiokarbonos dátumokat?
A normalizálás az izotópos frakcionálódás korrekciója. Ez a C-12 és a C-13 közötti arányon, az úgynevezett δ13C-n alapul, amelyet a Pee Dee Belemnite (PDB) nevű standardhoz viszonyítva ppm-ben (parts per mil) fejeznek ki. A belemnit egy meszes kréta kori fosszília, amelyet a dél-karolinai Pee Dee-ben találtak. A legtöbb szerves anyag kevesebb C-13-at tartalmaz, mint a PDB, ami negatív δ13C-értékeket eredményez. Például a legtöbb C3 növény C-13-aránya -25 ppm közelében van, míg a C4 növények C-13-aránya -10 és -12,5 ppm között van. A növényevők kevésbé szelektálnak a nehezebb izotópokkal szemben, és csontkollagénjük a táplálékukhoz képest 5 ppm-rel gazdagodik. Még egy változás következik be a húsevőknél, akiknek csontkollagénje további 1 ppm-rel gazdagodik. A tengeri növények hasonlóak a C3-as növényekhez, de szénjüket oldott óceáni bikarbonátokból nyerik, amelyek izotóparánya eltér a légkörtől, és ez a különbség a tengeri táplálékláncban felfelé halad.
A radiokarbon dátumok bármely választott értékre normalizálhatók, és a nemzetközi egyezmény által választott érték -25 parts per mil egy nemzetközileg elfogadott tölgyfa szabvány alapján. A -25-ös értéktől való minden ppm eltérés 16 évnek felel meg. Például a tengeri emlősökből származó csontkollagén C-13 aránya általában -15 ppm. Ez a tölgyfa szabványtól való 10 ppm eltérés azt jelenti, hogy a tengeri emlősök csontjának korát úgy lehet normalizálni, hogy a mért korhoz 160 évet adunk hozzá.
Mi van, ha a C-13 arány ismeretlen?
Ha a δ13C-t egy adott mintánál még nem mérték meg, akkor a már bejelentett több ezer ilyen mérés alapján meg lehet becsülni. A becslés azonban további bizonytalansági tényezőt hordoz magában, amelyet a korrekciós képletekben egy hibaterminus tükröz. Az alábbiakban összefoglaljuk az általánosan keltezett anyagok izotópos frakcionálódásának korrekcióit:
| anyag | δ13C | PPM |
|---|---|---|
| tőzeg, humusz | -27 | 35 ± 95 |
| szén, fa | -25 | 0 |
| tengeri emlősök zsírja | -23 | 20 ± 35 |
| földi kollagén | -20 | 80 ± 20 |
| bison kollagén | -20 | 80 ± 20 |
| emberi kollagén | -19 | 100 ± 20 |
| tengeri kollagén | -15 | 160 ± 20 |
| kukorica | -10 | 245 ± 20 |
| csont apatit | -10 | 245 ± 35 |
| édesvízi kagylók | -8 | 275 ± 50 |
| tengeri kagylók | 0 | 410 ± 70 |
Fontos megjegyezni, hogy a bölénykollagénre és az emberi kollagénre vonatkozó képletek csak minimális korrekciókat eredményeznek. A bölény esetében nem lehet tudni – hacsak nem mértük a δ13C-t -, hogy az állat étrendjében milyen arányban szerepeltek C4 növények. A becsült érték, -20 ppm, csak akkor ad megfelelő korrekciót, ha az állat soha nem fogyasztott C4 növényeket. Hasonlóképpen, az emberi kollagén becsült értéke, -19 parts per mil, megfelelő korrekciót eredményez olyan emberek esetében, akik nem fogyasztottak tengeri erőforrásokat, nem ettek C4 növényeket fogyasztó bölényt és nem ettek kukoricát. Ezen táplálékforrások bármelyikének növekedése a C-13 arányt -19 fölé emelné, és az életkori korrekciót 16 évvel túl kicsivé tenné az arány minden egyes milligrammnyi változásával.