Rezumat de Richard Morlan.
Ce este radiocarbonul?
Cu aproximativ 75 de ani în urmă, Williard F. Libby, profesor de chimie la Universitatea din Chicago, a prezis că un izotop radioactiv al carbonului, cunoscut sub numele de carbon-14, va fi găsit în natură. Deoarece carbonul este fundamental pentru viață, fiind prezent împreună cu hidrogenul în toți compușii organici, detectarea unui astfel de izotop ar putea sta la baza unei metode de stabilire a vârstei materialelor antice. Împreună cu mai mulți colaboratori, Libby a stabilit prezența naturală a radiocarbonului prin detectarea radioactivității acestuia în metanul din canalizarea din Baltimore. În schimb, metanul obținut din produse petroliere nu avea o radioactivitate măsurabilă.
Această descoperire a însemnat că există trei izotopi ai carbonului care apar în mod natural:
- carbon-12 (c12), care cuprinde 99% din atomii de carbon
- carbon-13 (c13), care cuprinde aproximativ 1% din atomii de carbon
- carbon-14 (c14), reprezentat de un atom de carbon pe trilion
În timp ce carbon-12 și carbon-13 sunt izotopi stabili, carbon-14 este instabil sau radioactiv.
Ce este datarea cu radiocarbon?
Carbonul-14 este produs în atmosfera superioară atunci când razele cosmice bombardează atomii de azot. Interacțiunile atomice care urmează creează o rezervă constantă de c14 care se difuzează rapid în întreaga atmosferă. Plantele absorb c14 împreună cu alți izotopi de carbon în timpul fotosintezei în proporțiile care apar în atmosferă; animalele dobândesc c14 prin consumul de plante (sau de alte animale). Pe durata de viață a unui organism, cantitatea de c14 din țesuturi rămâne la un echilibru, deoarece pierderea (prin dezintegrare radioactivă) este echilibrată de câștigul (prin absorbție prin fotosinteză sau consum de carbon fixat organic). Cu toate acestea, atunci când organismul moare, cantitatea de c14 scade, astfel încât, cu cât trece mai mult timp de la moarte, cu atât mai scăzute sunt nivelurile de c14 în țesuturile organice. Acesta este ceasul care permite ca nivelurile de c14 din probele organice arheologice, geologice și paleontologice să fie convertite într-o estimare a timpului.
Măsurarea ratei de dezintegrare radioactivă este cunoscută sub numele de timpul de înjumătățire, adică timpul necesar pentru ca jumătate dintr-un eșantion să se dezintegreze. Libby a calculat timpul de înjumătățire al c14 ca fiind de 5568 ± 30 de ani. Acest lucru înseamnă că jumătate din c14 s-a descompus în momentul în care un organism a murit de 5568 de ani, iar jumătate din restul s-a descompus la 11.136 de ani după moarte etc. Nivelurile descrescătoare prin descompunere înseamnă că limita efectivă pentru utilizarea c14 pentru estimarea timpului este de aproximativ 50.000 de ani. După acest interval de timp, rămâne foarte puțin sau deloc c14. Lucrări ulterioare au arătat că perioada de înjumătățire a radiocarbonului este de fapt de 5730 ± 40 de ani, o diferență de 3% față de perioada de înjumătățire Libby. Cu toate acestea, pentru a evita confuzia, toate laboratoarele de radiocarbon continuă să folosească timpul de înjumătățire calculat de Libby, uneori rotunjindu-l la 5570 de ani.
Ce poate fi datat?
Care material organic care este disponibil în cantitate suficientă poate fi pregătit pentru datarea cu radiocarbon. Metodele moderne AMS (accelerator mass spectroscopy) necesită cantități mici, aproximativ 50 mg. Tehnologia AMS ne-a permis să datam eșantioane foarte mici (cum ar fi semințele) care înainte erau imposibil de datat. Deoarece există limite practice în ceea ce privește intervalul de vârstă al metodei, majoritatea probelor trebuie să fie mai mici de 50.000 de ani și mai vechi de 100 de ani. Cele mai multe probe necesită o pretratare chimică pentru a le asigura puritatea sau pentru a recupera anumite componente ale materialului. Obiectivul tratării prealabile este de a se asigura că carbonul analizat este originar din proba trimisă pentru datare. Pretratarea urmărește să elimine din eșantion orice carbon contaminant care ar putea produce o datare inexactă. Se pot utiliza acizi pentru a elimina carbonații contaminanți. Bazele pot fi folosite pentru a elimina acizii humici contaminanți.
Câteva tipuri de probe necesită o pretratare mai extinsă decât altele, iar aceste metode au evoluat de-a lungul primilor 50 de ani de datare cu radiocarbon. De exemplu, odată era o practică standard să se ardă pur și simplu oase întregi, dar rezultatele au fost în cele din urmă considerate a fi nesigure. Metodele chimice de separare a componentelor organice (colagen) de cele anorganice (apatită) ale osului au creat posibilitatea de a data ambele componente și de a compara rezultatele. Fracțiunea de colagen produce de obicei date mai fiabile decât fracțiunea de apatită (vezi Date pe oase).
Cum se măsoară radiocarbonul?
Pe lângă diversele tratamente prealabile, proba trebuie arsă și transformată într-o formă potrivită pentru contor. Proba trebuie să fie distrusă pentru a-i măsura conținutul de c14.
Primele măsurători ale radiocarbonului au fost efectuate în contoare Geiger cu pereți ecranați, cu proba pregătită pentru măsurare într-o formă solidă. S-a constatat curând că aceste așa-numite datări cu „carbon solid” dădeau vârste ceva mai tinere decât se așteptau și au existat multe alte probleme tehnice asociate cu pregătirea probelor și funcționarea contoarelor. Contoarele proporționale cu gaz au înlocuit în curând metoda carbonului solid în toate laboratoarele, probele fiind transformate în gaze precum dioxidul de carbon, disulfura de carbon, metanul sau acetilena. În prezent, multe laboratoare utilizează contoare cu scintilații lichide, probele fiind transformate în benzen. Toate aceste tipuri de contoare măsoară conținutul de C-14 prin monitorizarea ratei de dezintegrare pe unitate de timp.
O inovație mai recentă este numărarea directă a atomilor de c14 de către spectrometrele de masă cu accelerator (AMS). Eșantionul este transformat în grafit și montat într-o sursă de ioni din care este pulverizat și accelerat printr-un câmp magnetic. câmpul deviază diferit atomii cu mase diferite (atomii mai grei deviază mai puțin). Țintele reglate la diferite greutăți atomice numără numărul de atomi c12, c13 și c 14 dintr-o probă.
Care sunt limitele de vârstă ale datării cu radiocarbon?
Multe probe raportate ca fiind „moderne” au niveluri de radioactivitate care nu se pot distinge de standardele moderne, cum ar fi acidul oxalic. Din cauza contaminării de la testele cu bombe, unele probe sunt chiar mai radioactive decât standardele moderne. Alte eșantioane foarte tinere pot primi limite maxime, cum ar fi 40.000 de ani. Eșantioanele foarte vechi au o radioactivitate atât de scăzută încât nu pot fi distinse în mod fiabil de radiația de fond. Foarte puține laboratoare sunt capabile să măsoare vârste mai mari de 40.000 de ani.
De ce datele de radiocarbon au semne plus sau minus?
Câteva aspecte ale măsurării radiocarbonului au incertitudini încorporate. Fiecare laborator trebuie să ia în calcul radiația de fond care variază geografic și în timp. Variația radiației de fond este monitorizată prin măsurarea de rutină a standardelor, cum ar fi antracit (cărbune), acid oxalic și anumite materiale de vârstă bine cunoscută. Standardele oferă o bază pentru interpretarea radioactivității probei necunoscute, dar există întotdeauna un grad de incertitudine în orice măsurare. Deoarece numărarea dezintegrării înregistrează evenimente aleatorii pe unitate de timp, incertitudinea este un aspect inerent al metodei.
Majoritatea laboratoarelor exprimă incertitudinea la o abatere standard (± 1 sigma), ceea ce înseamnă că există o probabilitate de aproximativ 67% ca vârsta reală a eșantionului să se încadreze în intervalul declarat, de exemplu ± 100 de ani. Majoritatea laboratoarelor iau în considerare doar statisticile de numărare, adică activitatea eșantionului, a standardelor și a fondului, atunci când stabilesc limitele de 1 sigma. Cu toate acestea, unele laboratoare iau în considerare și alte variabile, cum ar fi incertitudinea în măsurarea timpului de înjumătățire. Două laboratoare, Geological Survey of Canada și University of Waterloo, urmează o practică neconvențională prin raportarea erorilor de 2-sigma, ceea ce implică o probabilitate de aproximativ 95% ca vârsta reală a eșantionului să se încadreze în intervalul declarat. Unele laboratoare impun o valoare minimă pentru termenii lor de eroare.
Majoritatea laboratoarelor utilizează un criteriu de 2-sigma pentru a stabili vârstele minime și maxime. În concordanță cu practica sa de a cita erori de 2-sigma pentru așa-numitele date finite, Geological Survey of Canada folosește un criteriu de 4-sigma pentru datele nedefinite.
Ce înseamnă BP?
Primele date radiocarbon raportate au avut vârstele calculate la cel mai apropiat an, exprimate în ani înainte de prezent (BP). A fost curând evident că semnificația BP se va schimba în fiecare an și că va trebui să se cunoască data analizei pentru a înțelege vârsta eșantionului. Pentru a evita confuzia, o convenție internațională a stabilit că anul 1950 d.Hr. va fi adoptat ca punct de referință pentru expresia BP. Astfel, BP înseamnă ani înainte de 1950 d.Hr.
Câteva persoane continuă să exprime datele radiocarbonului în raport cu calendarul prin scăderea anului 1950 din vârsta raportată. Această practică este incorectă, deoarece se știe acum că anii de radiocarbon nu sunt echivalenți cu anii calendaristici. Pentru a exprima o dată radiocarbon în ani calendaristici, aceasta trebuie să fie normalizată, corectată, după caz, pentru efecte de rezervor și calibrată.
Care este importanța asocierii?
Datele radiocarbon pot fi obținute numai din materiale organice, iar multe situri arheologice oferă o conservare organică redusă sau inexistentă. Chiar dacă conservarea organică este excelentă, materialele organice în sine nu sunt întotdeauna elementele de cel mai mare interes pentru arheolog. Cu toate acestea, asocierea lor cu elemente culturale, cum ar fi rămășițele caselor sau șemineele, poate face ca substanțele organice, cum ar fi cărbunele și oasele, să fie alegeri potrivite pentru datarea cu radiocarbon. O problemă crucială este că data rezultată măsoară doar timpul scurs de la moartea unei plante sau a unui animal, iar arheologului îi revine sarcina de a înregistra dovezi că moartea organismului este direct legată sau asociată cu activitățile umane reprezentate de artefactele și elementele culturale.
Multe situri din Canada Arctică conțin cărbune de lemn derivat din lemnul de derivă care a fost colectat de oamenii din vechime și folosit ca combustibil. O dată de radiocarbon pe lemnul de derivă poate fi cu câteva secole mai veche decât cea așteptată, deoarece copacul poate să fi murit cu sute de ani înainte de a fi folosit pentru a aprinde un foc. În zonele împădurite, nu este neobișnuit să găsim rădăcinile carbonizate ale copacilor care se extind în jos în materialele arheologice îngropate la niveluri mai adânci într-un sit. Cărbunele din astfel de rădăcini poate fi rezultatul unui incendiu de pădure care a avut loc la sute de ani după ce materialele arheologice au fost îngropate, iar o datare cu radiocarbon pe un astfel de cărbune va da o vârstă mai tânără decât cea așteptată.
Date pe oase
Oasele sunt pe locul al doilea, după cărbunele de lemn, ca material ales pentru datarea cu radiocarbon. Acesta oferă unele avantaje față de cărbunele de lemn. De exemplu, pentru a demonstra o asociere sigură între oase și artefacte este adesea mai ușor decât pentru a demonstra o legătură certă între cărbune și artefacte. Într-adevăr, multe studii urmăresc să determine momentul morții unui animal și nu se pune problema asocierii dacă eșantionul este format din osul (oasele) animalului.
Cu toate acestea, osul prezintă unele provocări speciale, iar metodele de pretratare a probelor de os, coarne, corn și colți au suferit schimbări profunde în ultimii 50 de ani. Inițial, majoritatea laboratoarelor pur și simplu ardeau oase întregi sau fragmente de oase, reținând în probă atât carbonul organic și anorganic nativ al osului, cât și orice contaminanți carbonacei care ar fi putut fi prezenți. Într-adevăr, se credea, aparent prin analogie cu cărbunele elementar, că osul era potrivit pentru datarea cu radiocarbon „atunci când era puternic carbonizat” (Rainey și Ralph, 1959: 366). Datele pe os produse prin astfel de metode sunt foarte suspecte. Este foarte probabil ca ele să greșească pe partea tânără, dar nu este posibil să se prevadă fiabilitatea lor.
Dezvoltarea metodelor chimice de izolare a carbonului din constituenții organici și anorganici ai osului a fost un pas înainte major. Berger, Horney și Libby (1964) au publicat o metodă de extragere a carbonului organic din os. Multe laboratoare au adoptat această metodă care a produs o gelatină presupusă a fi formată în principal din colagen. Această metodă se numește „extracție de colagen insolubil” în această bază de date. Longin (1971) a arătat că colagenul poate fi extras într-o formă solubilă care permite un grad mai mare de decontaminare a probei. Multe laboratoare au adoptat metoda lui Longin, numită „extracție de colagen solubil” în această bază de date.
C.V. Haynes (1968) a prezentat o metodă de extragere a carbonului anorganic din os. Această metodă a fost considerată potrivită pentru utilizarea în zonele în care colagenul este rar sau slab conservat în oase. Cercetările ulterioare au pus la îndoială fiabilitatea acestei metode. Hassan și alții (1977; Hassan și Ortner, 1977) au arătat că carbonul anorganic conținut în apatita osoasă este foarte sensibil la contaminarea cu carbon mai tânăr sau mai vechi din mediul de înmormântare. În prezent, se pare că extracțiile de colagen insolubil greșesc de obicei pe partea tânără, dacă se întâmplă (Rutherford și Wittenberg, 1979), în timp ce apatita osoasă poate produce vârste fie mai vechi, fie mai tinere decât vârsta reală, adesea cu o marjă considerabilă.
Cercetările în curs au continuat să perfecționeze metodele de extragere a colagenului, în special din eșantioane mici destinate datării AMS. De exemplu, D.E. Nelson și colaboratorii săi au experimentat modificări ale metodei lui Longin, inclusiv utilizarea ultrafiltrării pentru a izola componentele în „două fracțiuni cu greutăți moleculare nominale >30 kD și <30 kD (kilo-Daltoni)” (Morlan, et al. 1990: 77; Brown, et al. 1988; Nelson, et al. 1986). T.W. Stafford (1990; Stafford, et al. 1987) a extras aminoacizi din oase și a măsurat separat vârsta acestora. Hedges și Van Klinken (1992) trec în revistă alte progrese recente în tratarea prealabilă a oaselor.
De ce datele radiocarbon necesită calibrare?
Una dintre ipotezele inițiale ale metodei a fost aceea că rata de producere a radiocarbonului este constantă. Această ipoteză este acum cunoscută ca fiind incorectă, ceea ce înseamnă că anii de radiocarbon nu sunt echivalenți cu anii calendaristici. Variațiile pe termen lung ale ratei de producție par să corespundă fluctuațiilor în intensitatea câmpului magnetic al Pământului. Variațiile pe termen scurt, „zvâcnirile”, sunt cunoscute sub numele de efectul de Vries (după Hessel de Vries) și pot fi legate de variațiile în activitatea petelor solare.
Colaborarea internațională a multor laboratoare a produs curbe de calibrare din ce în ce mai rafinate. Minze Stuiver, unul dintre studenții lui de Vries, a fost un lider important în acest efort. Cel mai recent set de date de calibrare, cunoscut sub numele de INTCAL98, leagă înregistrarea inelelor arboricole datate de datarea cu uraniu-toriu a coralilor și, în cele din urmă, de cronologiile varvelor terestre pentru a obține o calibrare pe intervalul 0-24.000 de ani. CALIB 4.0 este un program de calculator bazat pe INTCAL98.
Dacă datele de radiocarbon trebuie sau nu să fie calibrate depinde de scopul urmărit. Unele studii pot fi efectuate în întregime în termeni de ani radiocarbon. Alte studii, cum ar fi cele axate pe ratele de schimbare, pot necesita calibrări mai mult sau mai puțin precise.
Ce sunt efectele de rezervor?
Exemple de rezervoare de carbon se găsesc în atmosferă, în litosferă (scoarța terestră), în oceane și în biosferă (organisme vii). Plantele terestre și lanțurile trofice pe care le susțin capătă cea mai mare parte a carbonului din atmosferă, în timp ce lanțurile trofice marine capătă carbon în principal din oceane. Aproximativ 7,5 kg de C-14 sunt produse în fiecare an în partea superioară a atmosferei, iar amestecul său cu carbonul din oceane este mai puțin complet decât amestecul său cu carbonul atmosferic. Fluxul ascendent de apă din adâncurile oceanice aduce, de asemenea, carbon vechi, neradioactiv, în apele de suprafață. Prin urmare, organismele marine sunt relativ sărace în C-14, iar plantele și animalele marine moderne pot da vârste aparente de sute de ani. Această discrepanță se numește efectul de rezervor.
Odinioară se credea că efectul de rezervor era de aproximativ 400 de ani în toate oceanele, dar acum se știe că mărimea efectului variază din punct de vedere geografic și în timp. Fiecare studiu regional care utilizează date radiocarbonate pe organisme marine trebuie să stabilească factorul de corecție adecvat pentru regiunea respectivă.
Ce este efectul Suess?
Hans Suess a fost primul care a subliniat faptul că arderea combustibililor fosili are o influență profundă asupra rezervoarelor de carbon. Acești combustibili, obținuți din scoarța terestră, sunt atât de vechi încât nu conțin deloc C-14. Într-adevăr, unele dintre aceste materiale sunt folosite ca standarde pentru a permite laboratoarelor să monitorizeze radiația de fond. Atunci când combustibilii sunt arși, carbonul lor este eliberat în atmosferă sub formă de dioxid de carbon și anumiți alți compuși. Eliberarea anuală a acestui carbon „mort” se ridică la aproximativ 5.000.000.000.000.000.000.000.000 kg, în comparație cu cele 7,5 kg de C-14 produse anual de radiațiile cosmice în atmosfera superioară.
Ce este fracționarea izotopică?
În timpul fotosintezei, plantele discriminează izotopii mai grei ai carbonului, preluând proporțional mai puțin C-13 și C-14 decât este disponibil în rezervorul lor de carbon. Rezultatul este fracționarea izotopică, iar aceasta este transmisă consumatorilor de plante (erbivorele) și consumatorilor acestora (carnivorele). De fapt, are loc un fracționare suplimentară atunci când erbivorele mănâncă plantele și când carnivorele mănâncă ierbivorele. Se crede că toate organismele discriminează C-14 de aproximativ două ori mai mult decât C-13, iar raportul dintre atomii stabili C-12 și C-13 poate fi utilizat pentru a corecta diminuarea inițială a C-14. Datele cu radiocarbon pot fi corectate în funcție de fracționarea izotopică, o corecție numită normalizare. Cantitatea de fracționare izotopică depinde de calea de fotosinteză utilizată de plantă. Cele mai multe plante cu flori, copaci, arbuști și ierburi din zonele temperate sunt cunoscute ca plante C3, deoarece creează o moleculă cu trei atomi de carbon folosind ciclul fotosintetic Calvin-Benson. Ierburile adaptate la regiunile aride, cum ar fi iarba de bivoliță (Bouteloua) și porumbul (Zea), sunt cunoscute ca plante C4, deoarece creează o moleculă cu patru atomi de carbon folosind ciclul Hatch-Slack. Plantele C3 discriminează mai puternic izotopii de carbon mai grei decât plantele C4.
Cum se normalizează datele de radiocarbon?
Normalizarea este o corecție pentru fracționarea izotopică. Ea se bazează pe raportul dintre C-12 și C-13, numit δ13C, care este exprimat în părți pe mil (părți la mie) în raport cu un standard cunoscut sub numele de Pee Dee Belemnite (PDB). Belemnitul este o fosilă calcaroasă din Cretacic descoperită în Pee Dee, Carolina de Sud. Majoritatea materialelor organice conțin mai puțin C-13 decât PDB, ceea ce dă valori negative pentru δ13C. De exemplu, majoritatea plantelor C3 au un raport C-13 apropiat de -25 părți pe milimetru, în timp ce raportul C-13 în plantele C4 se situează între -10 și -12,5 părți pe milimetru. Ierbivorele sunt mai puțin selective față de izotopii mai grei, iar colagenul osos al acestora este îmbogățit cu 5 părți per mil în raport cu dieta lor. O altă schimbare apare la carnivore, al căror colagen osos este îmbogățit cu încă 1 parte pe milă. Plantele marine sunt similare cu plantele C3, dar își obțin carbonul din bicarbonați oceanici dizolvați care diferă de atmosferă în ceea ce privește raportul izotopic, iar această diferență este transmisă în lanțul trofic marin.
Datele cu radiocarbon pot fi normalizate la orice valoare aleasă, iar valoarea aleasă prin convenție internațională este de -25 părți pe mil, pe baza unui standard de stejar acceptat la nivel internațional. Fiecare parte pe milă de diferență față de -25 este echivalentă cu 16 ani. De exemplu, colagenul osos provenit de la mamifere marine are de obicei un raport C-13 de -15 părți pe mil. Această diferență de 10 părți pe mil față de standardul de stejar înseamnă că vârsta osului de mamifer marin poate fi normalizată prin adăugarea a 160 de ani la vârsta sa măsurată.
Ce se întâmplă dacă raportul C-13 este necunoscut?
Dacă δ13C nu a fost măsurat pentru o anumită probă, acesta poate fi estimat pe baza a mii de astfel de măsurători care au fost deja raportate. Cu toate acestea, estimarea contribuie cu un grad suplimentar de incertitudine care este reflectat de un termen de eroare în formulele de corecție. Corecțiile pentru fracționarea izotopică în materialele frecvent datate sunt rezumate mai jos:
| Material | δ13C | PPM |
|---|---|---|
| turbă, humus | -27 | 35 ± 95 |
| cărbune de lemn, lemn | -25 | 0 |
| grăsime de mamifere marine | -23 | 20 ± 35 |
| colagen terestru | -…20 | 80 ± 20 |
| colagen de bizon | -20 | 80 ± 20 |
| colagen uman | -19 | 100 ± 20 |
| colagen marin | – -15 | 160 ± 20 |
| mazăre | -10 | 245 ± 20 |
| apatită de os | -.10 | 245 ± 35 |
| cochilii de apă dulce | -8 | 275 ± 50 |
| cochilii marine | 0 | 410 ± 70 |
Este important de reținut că formulele pentru colagenul de bizon și colagenul uman produc doar corecții minime. În cazul bizonului, nu se poate ști, cu excepția cazului în care δ13C a fost măsurat, proporția de plante C4 care a alcătuit dieta animalului. Valoarea estimată, -20 părți pe mil, produce o corecție adecvată numai dacă animalul nu a consumat niciodată plante C4. De asemenea, valoarea estimată pentru colagenul uman, -19 părți per mil, produce o corecție adecvată pentru oamenii care nu au consumat resurse marine, nu au consumat bizoni care consumă plante C4 și nu au consumat porumb. Creșterea oricăreia dintre aceste resurse alimentare ar îmbogăți raportul C-13 peste -19 și ar face ca corecția vârstei să fie prea mică cu 16 ani pentru fiecare parte pe mil de schimbare a raportului.
.