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C14-datering

C14-Dating oder Kohlenstoff-Datierung ist eine Methode radiometrische Datierung die das Alter der organischen Substanz bestimmen und ecofacts wird über das Isotop bestimmt Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-14 (14C) ist a Isotop von Kohlenstoff der in unserer Atmosphäre von Stickstoffkerne gebildet. Dies geschieht durch Kernreaktionen infolge der kosmische Strahlung denen die Erde ständig ausgesetzt ist.

Das Verfahren kann für Materialien bis zu einem Alter von etwa 60.000 Jahren angewendet werden. Die Technik wurde 1949 von . entdeckt Willard Frank Libby und seine Kollegen von der Universität von Chicago.[1] 1960 erhielt Libby den Nobelpreis für Chemie.

Mechanismus

Pflanzen nimm dieses Licht radioaktiv Form von Kohlenstoff durch ihren Gasaustausch und bauen ihn durch ihre Photosynthese und Stoffwechsel. Aus diesem Grund bekommen Tiere jene dieser Pflanzen leben innerhalb des Isotops, und dann wiederum Tiere, die von Tieren leben, und so weiter. Alle Lebewesen haben in ihrem Körper fast das gleiche Verhältnis zwischen Kohlenstoff-14 und den stabilen Kohlenstoffisotopen wie in der Atmosphäre.

Physischer Hintergrund

Kohlenstoff hat zwei stabile, d. h. nicht radioaktive, Isotope: Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13. Darüber hinaus gibt es sehr geringe Mengen des instabilen Kohlenstoff-14 auf Boden zurück zu finden. Kohlenstoff-14 hat a halbes Leben von 5736 Jahren, unabhängig davon, was chemisch mit dem Material passiert. Das heißt, nach 5736 Jahren ist die Hälfte des gesamten Kohlenstoff-14 verschwunden (umgerechnet in Stickstoff-14 (14N)), nach zwei 5736 Jahren drei Viertel und nach 57.360 Jahren 99,9 %, also nur 1/1024 ein Teil der ursprünglichen Menge bleibt übrig. Kohlenstoff-14 wäre längst von der Erde verschwunden, wenn es nicht als Ergebnis der kosmische Strahlung Das Stickstoff- aus der Atmosphäre in das Kohlenstoffisotop.

Sobald die kosmische Strahlung in die Atmosphäre eindringt, durchläuft sie mehrere Transformationen, einschließlich der Produktion von Neutronen. Diese Neutronen spielen eine Rolle bei der Reaktion, bei der eines der Protonen Stickstoffgas (Nein2) ist gestoßen:

Die größte Menge an Kohlenstoff-14 wird in 9 bis 15 km Höhe gebildet. Das Magnetfeld der Erde hat einen Einfluss. Der Kohlenstoff-14 verteilt sich dann gleichmäßig in der Atmosphäre und reagiert mit Sauerstoffgas bis um Kohlendioxid (CO2). Kohlendioxid löst sich unter anderem in den Ozeanen (in Form von Hydrogencarbonat), sondern wird auch direkt von organischen Stoffen an Land aufgenommen (Photosynthese im Pflanzen). Die gebildete Menge an Kohlenstoff-14 hängt von der Intensität der kosmischen Strahlung ab. Für Kohlenstoff-14-Daten wird diese Strahlung im Allgemeinen als konstant angenommen, und folglich ist auch das Verhältnis von Kohlenstoff-14 zu den nicht radioaktiven Kohlenstoffisotopen konstant, bei etwa 1 Teil pro Billion (1 Teil pro Billion). Für eine genauere Altersbestimmung können Variationen der kosmischen Strahlung abgeschätzt werden.

Nach dem Tod

Sobald ein Organismus stirbt, hört der Austausch kohlenstoffhaltiger Verbindungen auf und der Gehalt an Kohlenstoff-14 nimmt somit ab (sehr langsam, entsprechend der Halbwertszeit). Wie alle radioaktive Isotopeläuft ab Kohlenstoff-14 mit einer konstanten Halbwertszeit, die durch äußere Einflüsse (fast) unverändert bleibt.

Durch den Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein negativ geladenes β-Teilchen (Elektron, Betazerfall) wird Kohlenstoff-14 in das nicht radioaktive umgewandelt Stickstoff-14. Aus dem Ausmaß, in dem dieser Zerfall bereits stattgefunden hat, lässt sich dann feststellen, wie lange der Organismus den Kohlenstoff-14-Austausch mit seiner Umwelt schon vor langer Zeit eingestellt hat.

Sehr altes Material (zB Kohle) enthält daher praktisch kein Kohlenstoff-14. Verwenden von Massenspektrometer die relativen Gehalte verschiedener Isotope können genau bestimmt werden.

Es wurde festgestellt, dass der Kohlenstoff-14-Gehalt in der Atmosphäre über die Zeit nicht konstant ist. Auch heute noch ist kein Gleichgewicht bei der Produktion und Zerstörung von C14 erreicht. Derzeit ist der Anstieg etwa 30% höher als der des Verschwindens aufgrund von Betastrahlung und Absorption durch Ozeane und Pflanzen.

Kalibrierung

Warum eine Kalibrierung notwendig ist

Um diesen Abschnitt vollständig zu verstehen, ist es hilfreich, einige Kenntnisse über die Kohlenstoffzyklus haben.

Eine grobe Datierung ergibt eine in Jahren ausgedrückte Zahl (vor der Gegenwart oder BP, bei welchem vorhanden ist auf das Jahr 1950 festgelegt). Diese grobe BP-Datierung kann noch nicht als genaue Jahreszahl verwendet werden, da die Konzentration Kohlenstoff-14 im Atmosphäre der Erde hat sich in den letzten 50.000 Jahren verändert. Diese Konzentration wird durch Schwankungen der . beeinflusst Intensität von kosmische Strahlung, die verursacht werden durch Sonnenwinde. Das nennt man Der Vries-Effekt.

Darüber hinaus gibt es erhebliche Stauseen von Kohlenstoff in Organismen, das Ozeane, Sedimente auf der Meeresboden (besonders in Gashydrate) und Sedimentgestein. In all diesen Reservoirs ist das Isotopenverhältnis anders als in der Atmosphäre. Durch Klimawandel Es kann zu Veränderungen im Kohlenstoffaustausch zwischen den Reservoirs kommen, die das Isotopenverhältnis in der Atmosphäre beeinflussen können. In den letzten Jahrzehnten hat auch der Mensch das Isotopenverhältnis in der Atmosphäre beeinflusst. Überirdisch Atomtests in dem 50er Jahre und 60 die Konzentration von Kohlenstoff-14 wurde vorübergehend verdoppelt. Durch Verbrennen fossile Brennstoffe viel alter Kohlenstoff landet in der Atmosphäre, die praktisch kein Kohlenstoff-14 enthält. Letzteres wird als bezeichnet Suess-Effekt, zu Hans Süß.

Kalibriermethoden

Daher werden BP-Rohdaten kalibriert, um "echte" Kalenderjahre zu erhalten. Es gibt Standard Kalibrierkurven hergestellt auf der Grundlage von Proben, die mit einer anderen Methode gewonnen wurden absolut veraltet könnte (zum Beispiel mit Dendrochronologie, Eisbohrkerne, Kerne von Tiefseesedimenten, varven im Seesedimente, Korallen oder Speläotheme).

Die Kalibrierkurven können deutlich von a . abweichen gerade Linie, also unkalibrierte C14-Daten vergleichen (z. B. in a Diagramm Einstellung) kann zu verzerrten Ergebnissen führen. Es gibt auch signifikante Offsets in der Standardkalibrierungskurve, wie z. B. zwischen 11.000 und 10.000 Jahren BP. Es wird vermutet, dass dieser Offset mit Änderungen in der zusammenhängt thermohaline Zirkulation in den Ozeanen während der Jüngere Dryas-Periode. Die Genauigkeit der Kalibrierung ist um solche Offsets deutlich geringer. Der Offset selbst kann jedoch als Anhaltspunkt verwendet werden, wenn er in einer Zeitreihe auftritt.

Kalibrierung durch Jahresringe

Eine Kalibrierkurve von 2011

Ein Beispiel für eine Methode, mit der eine absolute Datierung durchgeführt wurde, um die Kalibrierungskurve zu erstellen, ist die Dendrochronologie. Durch Jahresringforschung von (sehr) alten noch lebenden Bäumen und ausgegrabenen Stämmen noch älterer toter Bäume kann das Holz auf das nächste Jahr datiert werden. Außerdem enthält das Holz Kohlenstoff aus dieser Zeit. Beispielsweise kann die Altersskala mit der C14-Methode auf Basis der Dendrochronologie auf zehntausend und mehr Jahre kalibriert werden. Die so gefundene Kurve kann verwendet werden, um die rohe Kohlenstoff-14-Datierung zu berechnen (normalerweise in Jahre-vor-heute oder BP, wahr heutige Tag auf das Jahr 1950 fixiert) und in reale Daten umwandeln (normalerweise ausgedrückt in expressed kal. BC mit anderen Worten kalibriert BC., wenn es um die Antike geht).

Bei der Kalibrierungskurve gibt es jedoch eine statistische Schwierigkeit. Idealerweise sollte eine Kalibriergerade eine Gerade sein, denn nur dann lässt sich der Messfehler im Kohlenstoff-14-Wert bei normaler Wahrscheinlichkeitsverteilung direkt in einen Fehler im Messwert übersetzen, der auch eine einfache Normalkurve zeigt. Die Steigung der Kalibrierkurve bestimmt, um wie viel breiter oder schmaler die resultierende Verteilung wird: Der Messfehler im C14 muss mit der Steigung der Kalibrierkurve multipliziert werden, um den Fehler im Kalibrierwert zu erhalten. Im Idealfall wäre dieser Hang eins. In diesem Fall ergibt ein Fehler von ±5 Jahren in BP auch einen Fehler von ±5 Jahren in cal. BC. Die Kalibrierungslinie verbiegt sich tatsächlich ein wenig von einer Steigung von eins, aber das ist kein großes Problem, es könnte die resultierende normale Kurve etwas verbreitern und der Fehler wird etwas größer.

Noch schlimmer ist, dass die Leitung Unebenheiten und Unebenheiten aufweist, wahrscheinlich aufgrund von Schwankungen in der Produktionsrate des radioaktiven Isotops in der Atmosphäre. Vor allem bei 900 cal. BC, dies ist in der Grafik deutlich zu erkennen. Eine Erhebung bedeutet, dass die Steigung der Kurve lokal kann schön schwanken und von einem abweichen. Da bei der Kalibrierung der Messfehler mit dieser (lokalen) Steilheit multipliziert werden muss, ergibt sich im Kalibrierwert ein Messfehler, der keine Gauss-Normalkurve mehr ist und sogar mehr als ein Maximum aufweisen kann. EIN bi- oder sogar trimodalWahrscheinlichkeitsdichtekurve ist für den kalibrierten Wert nicht ungewöhnlich.[2] Eine bimodale Verteilung ist natürlich für Archäologen eine unangenehme Angelegenheit, da es schwierig wird, eindeutige Schlussfolgerungen zu ziehen, wenn beispielsweise etwas wahrscheinlich aus der Zeit zwischen 1010 und 1019 v. Chr. stammt. oder vielleicht auch von 1028-1032 v. aber dazwischen ist weniger wahrscheinlich. Die Jahreszahl kann im Prinzip nur dann wirklich ermittelt werden, wenn ein Stück Holz mit genügend Jahresringen (50-60) vorhanden ist, die exakt auf die Norm abgestimmt werden können. Allerdings fehlt oft das geeignete Holz für eine solche dendrochronologische Datierung. Dies gilt insbesondere für das Römische Reich. Aus der Zeit von 500 v. bis 500 n. Chr. im Bereich dieses Reiches ist sehr wenig Holz zu finden. Die Römer verwendeten ihr Holz eher verschwenderisch. Eine C14-Datierung ist jedoch oft möglich, da diese Methode keinen regionalen Schwankungen unterliegt.[3]

Dennoch reichen C14-Daten oft mehr als aus, um mögliche archäologische Interpretationen auf ein ausreichendes Minimum zu beschränken. Und darüber hinaus ist die Ähnlichkeit der beiden Methoden trotz der kleinen Mängel ein starker Beleg für die Allgemeingültigkeit des Prinzips der C14-Datierungsmethode.

Kalibrierung gegen andere Radioisotope

Dendrochronologische Daten älter als 12 kA BP sind rar, obwohl noch daran gearbeitet wird. Skandinavien, eine wichtige Quelle solcher Daten, lag zum Beispiel damals noch unter Eis. Insbesondere durch den Einsatz der Beschleuniger-Massenspektroskopie (AMS) ist es jedoch möglich geworden, selbst kleinste Mengen von Kohlenstoff-14 nachzuweisen. Die benötigte Materialmenge hat sich um den Faktor 1000 verringert und die benötigte Analysezeit von Wochen auf Minuten reduziert.[4] Dadurch ist es möglich, die Technik auch im Zeitintervall von 50 kA BP bis 12 kA BP einzusetzen, unter der Vorraussetzung, dass eine gute Kalibrierungskurve erstellt werden kann. Fairbanks et al.[4] tun Sie dies auf der Grundlage eines Vergleichs von zwei verschiedenen radiometrischen Methoden auf der Grundlage Aragonit bei einigen Korallen. Die Vergleichsmethode ist die 230Die/234SIE/238U-Methode. Diese Methode basiert auf dem Prinzip, dass Uran-238 durch Uran-234 verfällt bis Thorium-230. Dieses Isotop zerfällt schließlich zu Blei, was jedoch für das Verfahren nicht relevant ist. Wenn Korallen gebildet werden, absorbieren sie Uran aus dem Meerwasser, in dem dieses Element einigermaßen löslich ist. Das Tochterthorium wird und wird daher nicht absorbiert, sondern wird in der Koralle durch Zerfall allmählich wieder gebildet, bis es einen stationären Zustand erreicht, in dem die Bildungs- und Zerfallsraten des Thoriums gleich geworden sind. Die Halbwertszeit von Thorium-230 beträgt 75.000 Jahre und von Uran-234 245.000 Jahre, so dass diese Methode insbesondere im älteren Bereich der Kohlenstoffmethode Vergleiche liefern kann. Eine genaue Bestimmung der Verhältnisse von Thorium-230/Uran-234/Uran-238 ermöglicht somit eine von der Produktion des Kohlenstoff-14-Isotops in der Atmosphäre unabhängige Altersbestimmung der Koralle. Auf diese Weise haben Fairbanks et al. eine Kalibrierungskurve erstellt[5] komponiert, die bis vor 50.000 Jahren zurückreicht.

Ihre Arbeit ist jedoch nicht ohne Kritik.[6] Damit eine Kalibrierprobe wirklich zuverlässige Daten liefert, müssen eine ziemlich große Anzahl von Bedingungen erfüllt sein. Zum Beispiel darf die Koralle keinem Süßwasser ausgesetzt gewesen sein, denn das stört die Isotopenverhältnisse. Auch Nein Calcit in der Probe vorhanden ist, da es sich in der Regel um eine Verunreinigung aus einer anderen Quelle, in der Regel eines anderen Alters, handelt. Verwendung von Fairbanks et al Pulverbeugung um dies auszuschließen, aber diese Technik ist nicht sehr empfindlich gegenüber kleinen Mengen an Verunreinigungen.

Unsicherheiten in der Methode

Kohlenstoff-14 / Kohlenstoff-12-Verhältnis (in Neuseeland und Österreich). Der plötzliche Anstieg des Verhältnisses wird durch Atomtests verursacht

Wie bei allen Messungen unterliegt ein mit dieser Methode ermitteltes Alter einer gewissen Unsicherheit.

  • Das Ausmaß der Unsicherheit nimmt mit zunehmendem Materialalter zu, da immer weniger Kohlenstoff-14 vorhanden ist. Bei Funden aus den letzten Jahrtausenden funktioniert die Methode jedoch grundsätzlich gut und Verbesserungen der Messmethoden haben es ermöglicht, mit immer geringeren Materialmengen eine sinnvolle Messung durchzuführen. Die Grenze liegt in der Regel zwischen 58.000 und 62.000 Jahren.
  • Das Material darf nicht mit (neuem) lebendem Material kontaminiert worden sein. Siedeln sich beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt Mikroorganismen im Originalmaterial an und nehmen zusätzlich Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, wird das Alter unterschätzt (die Probe erscheint jünger).
  • Wasserpflanzen erhalten einen Teil des aufgenommenen Kohlenstoffs nicht in Form von Kohlendioxid, sondern in Form von gelösten Karbonaten. Oft sind diese in Wasser gelösten Kohlenstoffverbindungen sehr alt, sodass sie keinen oder viel weniger Kohlenstoff-14 enthalten. Dies gilt auch für die Tiere, die sich von diesen Wasserpflanzenarten ernähren. Wasserpflanzen und Tiere, die auf ihnen leben, erscheinen aufgrund ihrer Kohlenstoff-14-Datierung älter als sie tatsächlich sind. Dies ist der sogenannte Hartwassereffekt.
  • Die Anfangskonzentration von Kohlenstoff-14 in Organismen ist nicht immer exakt gleich, da auch der Produktionsprozess und damit der Kohlenstoff-14-Gehalt der Atmosphäre selbst durch kosmische Strahlungsschwankungen variiert. Dies führt zu Anomalien in den Kalibrierlinien. (Siehe oben).
  • Die oberirdischen Atomtests der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erhöhten die Produktion von Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre. Obwohl das Problem noch kein Thema ist (es gibt bessere Methoden zur Altersbestimmung von erst kürzlich abgestorbenem organischem Material), ist dies ein Störfaktor für die (ferne) Zukunft.
  • Kohlendioxid wird auch bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt. Anlagen neben einer Autobahn oder in der Nähe eines Industriegebiets nehmen daher höhere Kohlendioxidkonzentrationen aus fossilen Brennstoffen auf. Da die Kohlenstoffverbindungen aus fossilen Brennstoffen der Atmosphäre vor Millionen von Jahren entzogen wurden, ist in ihnen praktisch kein Kohlenstoff-14 mehr vorhanden. Wie die Störung des natürlichen Kohlenstoff-14-Gehalts durch oberirdische Atomtests stört die Verbrennung fossiler Brennstoffe den natürlichen Kohlenstoff-14-Gehalt (wenn auch in die entgegengesetzte Richtung).

Siehe auch

Externe Links