C14-datering

C14-datering is een methode van radiometrische datering waarmee de ouderdom van organisch materiaal en ecofacten wordt bepaald met behulp van de isotoop koolstof-14. Koolstof-14 (¹⁴C) is een isotoop van koolstof die in onze atmosfeer uit stikstofkernen gevormd wordt. Dit gebeurt door kernreacties ten gevolge van de kosmische straling waaraan de aarde voortdurend blootstaat.

De methode is bruikbaar voor materialen tot circa 60.000 jaar oud. De techniek werd in 1949 ontdekt door Willard Frank Libby en zijn collega's van de Universiteit van Chicago. In 1960 ontving Libby hiervoor de Nobelprijs in de scheikunde.

Mechanisme

Planten nemen deze licht radioactieve vorm van koolstof op via hun gaswisseling en bouwen deze in door hun fotosynthese en stofwisseling. Hierdoor krijgen dieren die van die planten leven de isotoop binnen, en vervolgens weer dieren die van dieren leven, enzovoort. Alle levende wezens hebben in hun lichaam dus nagenoeg dezelfde verhouding tussen ¹⁴C en de stabiele koolstofisotopen als bestaat in de atmosfeer.

Fysische achtergrond

Koolstof heeft twee stabiele, dat wil zeggen niet radioactieve isotopen: koolstof-12 (¹²C), en koolstof-13 (¹³C). Daarnaast zijn er zeer geringe hoeveelheden van het instabiele koolstof-14 (¹⁴C) op Aarde. ¹⁴C heeft een halveringstijd van 5736 jaar, ongeacht wat er chemisch met het materiaal gebeurt. Dat wil zeggen dat na 5736 jaar de helft van alle ¹⁴C is verdwenen (veranderd in ¹⁴N), na 2 maal 5736 jaar driekwart, en na 57.360 jaar 99,9%. ¹⁴C zou al lang van de aarde verdwenen zijn als er niet een continue aanvoer van nieuwe ¹⁴C-atomen is als gevolg van de kosmische straling die stikstof uit de atmosfeer omzet in de koolstofisotoop.

Zodra kosmische straling de atmosfeer binnendringt, ondergaat deze verschillende transformaties, waaronder de productie van neutronen. Deze neutronen spelen een rol in de reactie waarbij een van de stikstofatomen uit het stikstofmolecuul (N₂) gestoten wordt:

¹neutron + ¹⁴N → ¹⁴C + ¹proton

De grootste hoeveelheid van ¹⁴C wordt gevormd op 9 tot 15 km hoogte. Het aardmagnetisch veld is van invloed. Het ¹⁴C wordt vervolgens gelijk over de atmosfeer verdeeld en reageert met zuurstof tot koolstofdioxide (CO₂). Koolstofdioxide lost onder andere op in de oceanen, maar wordt ook direct door organisch materiaal op land opgenomen. De hoeveelheid ¹⁴C die wordt gevormd is afhankelijk van de intensiteit van de kosmische straling. Voor ¹⁴C-dateringen wordt doorgaans aangenomen dat deze straling constant is, en dat als gevolg daarvan de verhouding tussen koolstof-14 en de niet radioactieve koolstofisotopen ook constant is, namelijk ongeveer 1 deel per biljoen (1 parts per trillion). Voor een exactere ouderdomsbepaling kunnen schattingen van variaties in de kosmische straling gemaakt worden.

Na de dood

Zodra een organisme sterft, houdt de uitwisseling van koolstofbevattende verbindingen op, en neemt het gehalte aan ¹⁴C dus (zeer langzaam, conform de halveringstijd) af.

Zoals alle radioactieve isotopen vervalt ¹⁴C met een constante snelheid, die (nagenoeg) niet door externe invloeden verandert.

¹⁴C → ¹⁴N + ⁰β

Door het uiteenvallen van een neutron in een proton en een negatief geladen β-deeltje (elektron, bètaverval), verandert ¹⁴C in het niet-radioactieve stikstof-14 (¹⁴N). De mate waarin dit verval al is opgetreden, kan vervolgens worden gebruikt om te bepalen hoe lang geleden het organisme is gestopt met het uitwisselen van ¹⁴C met zijn omgeving.

Materiaal dat erg oud is (bijvoorbeeld steenkool), zal daardoor vrijwel geen ¹⁴C meer bevatten. Met behulp van massaspectrometrie kunnen de relatieve gehaltes aan verschillende isotopen nauwkeurig worden bepaald.

Het radioactieve ¹⁴C vormt dus een "klok" die tikt met vrijwel constante snelheid.

Kalibratie

Waarom kalibratie noodzakelijk is

Om deze paragraaf helemaal te begrijpen is het handig enige kennis van de koolstofcyclus te hebben.

Een "ruwe" datering geeft een getal dat wordt uitgedrukt in jaren geleden ('before present', BP). Deze ruwe BP-datering kan nog niet worden gebruikt als een exact aantal jaren, omdat de concentratie ¹⁴C in de atmosfeer de afgelopen 50.000 jaar aan verandering onderhevig is.

Deze concentratie wordt beïnvloed door variaties in de intensiteit van kosmische straling, die worden veroorzaakt door zonnewinden. Bovendien zijn er substantiële reservoirs van koolstof in organismen, de oceanen, sedimenten op de zeebodem (vooral in gashydraten) en sedimentaire gesteenten. In al deze reservoirs is de isotopenverhouding anders dan in de atmosfeer. Door klimaatsveranderingen kunnen er veranderingen in de uitwisseling van koolstof tussen de reservoirs optreden, wat de isotopenverhouding in de atmosfeer kan beïnvloeden. De afgelopen decennia heeft de mens ook invloed op de isotopenverhouding in de atmosfeer gehad. Door kernproeven in de jaren vijftig en zestig werd de concentratie ¹⁴C tijdelijk verdubbeld. Door verbranding van fossiele brandstoffen komt veel oude koolstof in de atmosfeer terecht, die vrijwel geen ¹⁴C bevat. Dit laatste wordt het Suesseffect genoemd naar Hans Suess.

Kalibratiemethoden

Daarom worden "ruwe" BP-dateringen gekalibreerd om "echte" kalenderjaren te krijgen. Er zijn standaard kalibratiecurves opgesteld aan de hand van monsters die met een andere methode absoluut gedateerd konden worden (bijvoorbeeld met behulp van dendrochronologie, ijskernen, kernen van diepzeesedimenten, varven in meersedimenten, koralen of speleothems).

De kalibratiecurves kunnen significant afwijken van een rechte lijn, dus het vergelijken van ongekalibreerde C14-dateringen (bijvoorbeeld door ze in een grafiek te zetten) kan tot vertekende resultaten leiden. In de standaard kalibratiecurve zitten ook flinke verspringingen, zoals tussen 11.000 en 10.000 jaren BP. Men vermoedt dat deze verspringing heeft te maken met veranderingen in de thermohaliene circulatie in de oceanen tijdens de Jonge Dryasperiode. Rond zulke verspringingen is de nauwkeurigheid van de kalibratie duidelijk minder. Wel kan de verspringing zelf worden gebruikt als gids wanneer hij in een tijdserie voorkomt.

Kalibratie door middel van jaarringen

Een voorbeeld van een methode waarmee absolute dateringen zijn gedaan om de kalibratiecurve op te stellen is de dendrochronologie. Door jaarringenonderzoek van (zeer) oude nog levende bomen en opgegraven stammen van nog oudere dode bomen kan men het hout tot op een jaar nauwkeurig dateren. Bovendien bevat het hout koolstof uit die tijd. Zo kan de ouderdomsschaal volgens de ¹⁴C-methode aan de hand van de dendrochronologie tot tienduizend en meer jaren terug worden geijkt.

Onzekerheden bij de methode

¹⁴C / ¹²C-verhouding (in Nieuw-Zeeland en Oostenrijk). De plotse piek in de verhouding wordt veroorzaakt door nucleaire tests

Zoals bij alle metingen het geval is, is een ouderdom bepaald met behulp van deze methode onderhevig aan een bepaalde onzekerheidsmarge.

• De grootte van de onzekerheid neemt toe naarmate het materiaal ouder is, doordat er dan steeds minder ¹⁴C aanwezig is. Voor vondsten van de laatste paar duizend jaar werkt de methode echter doorgaans goed en door verbeteringen in de meetmethoden is het mogelijk gebleken om met steeds kleinere hoeveelheden materiaal toch een zinvolle meting te doen. De grens ligt meestal tussen de 58 000 en 62 000 jaar.
• Er mag geen verontreiniging van het materiaal met (nieuw) levend materiaal hebben plaatsgevonden. Als micro-organismen zich bijvoorbeeld op een later tijdstip in het oorspronkelijke materiaal vestigen en ook koolstofdioxide uit de atmosfeer opnemen, zal de ouderdom worden onderschat (het monster lijkt jonger).
• Waterplanten krijgen een deel van de koolstof die ze opnemen, niet in de vorm van koolstofdioxide (CO₂) binnen, maar in de vorm van opgeloste carbonaten. Vaak zijn deze in water opgeloste koolstofverbindingen al erg oud, waardoor ze geen of veel minder ¹⁴C bevatten. Dit geldt ook voor de dieren die zich weer voeden met dit soort waterplanten. Waterplanten en dieren die hiervan leven, lijken op basis van hun ¹⁴C-datering ouder dan ze in werkelijkheid zijn. Dit is het zogenoemde hardwater-effect.
• De aanvangsconcentratie van het ¹⁴C in organismen is niet altijd precies gelijk, omdat het productieproces, en daarmee het ¹⁴C-gehalte van de atmosfeer, onder andere als gevolg van kosmische-stralingsvariaties zelf ook varieert.
• Door de bovengrondse kernproeven uit de tweede helft van de 20e eeuw is de productie van ¹⁴C in de atmosfeer toegenomen. Hoewel het probleem nu nog niet speelt (er zijn betere methoden om de ouderdom van zeer recent afgestorven organisch materiaal te bepalen), is dit wel voor de (verre) toekomst een verstorende factor.
• Koolstofdioxide komt ook vrij bij verbranding van fossiele brandstoffen. Planten naast een snelweg of in de buurt van een industrieterrein zullen dus hogere concentraties CO₂ afkomstig van fossiele brandstoffen opnemen. Doordat de koolstofverbindingen uit de fossiele brandstoffen al miljoenen jaren geleden aan de atmosfeer onttrokken zijn, is hier nagenoeg geen ¹⁴C meer in aanwezig. Evenals de verstoring van het natuurlijke niveau van ¹⁴C door bovengrondse kernproeven, verstoort de verbranding van fossiele brandstoffen het natuurlijk ¹⁴C-niveau (zij het in de tegengestelde richting).

Referenties

Zie ook

• datering
• dendrochronologie
• Koolstof-14
• Hessel de Vries

Externe links

• C14dating.com
• CalPal - Radiocarbon Calibration