Zeventig jaar geleden bedacht de Amerikaanse chemicus Willard Libby een ingenieuze methode voor het dateren van organische materialen. Zijn techniek, bekend als koolstofdatering, heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van archeologie.
gerelateerde inhoud
- Klimaatverandering kan koolstofdatering breken
Nu konden onderzoekers nauwkeurig de leeftijd berekenen van elk object gemaakt van organische materialen door te observeren hoeveel van een bepaalde vorm van koolstof er nog was en vervolgens achteruit te berekenen om te bepalen wanneer de plant of het dier waar het materiaal vandaan kwam, was gestorven. Deze techniek, die Libby de Nobelprijs won in 1960, heeft onderzoekers in staat gesteld om tatoeages op oude mummies te dateren, vast te stellen dat een Britse bibliotheek een van 's werelds oudste korans bevatte, en erachter te komen dat het meeste verhandelde ivoor afkomstig is van olifanten gedood in de laatste drie jaar.
Tegenwoordig dreigt de hoeveelheid koolstofdioxide die mensen in de atmosfeer van de aarde pompen de nauwkeurigheid van deze techniek scheef te trekken voor toekomstige archeologen die naar onze eigen tijd kijken. Dat komt omdat fossiele brandstoffen het huidige tijdperk van nieuwe organische materialen kunnen veranderen, waardoor ze moeilijk te onderscheiden zijn van oude. Gelukkig biedt onderzoek gisteren gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Research Letters een manier om het werk van Libby te redden en deze cruciale dateringstechniek nieuw leven in te blazen: kijk gewoon naar een andere isotoop van koolstof.
Een isotoop is een vorm van een element met een bepaald aantal neutronen, dat zijn de subatomaire deeltjes die in de kern van een atoom worden gevonden en die geen lading hebben. Hoewel het aantal protonen en elektronen in een atoom bepaalt welk element het is, kan het aantal neutronen sterk variëren tussen verschillende atomen van hetzelfde element. Bijna 99 procent van alle koolstof op aarde is koolstof-12, wat betekent dat elk atoom 12 neutronen in zijn kern heeft. Het shirt dat je draagt, de kooldioxide die je inademt en de dieren en planten die je eet zijn allemaal grotendeels gemaakt van Carbon-12.
Carbon-12 is een stabiele isotoop, wat betekent dat de hoeveelheid in elk materiaal jaar na jaar, eeuw na eeuw hetzelfde blijft. Libby's baanbrekende radiokoolstofdateringstechniek keek in plaats daarvan naar een veel zeldzamer isotoop van koolstof: Carbon-14. In tegenstelling tot Carbon-12 is deze isotoop van koolstof onstabiel en zijn atomen vervallen in een isotoop van stikstof gedurende een periode van duizenden jaren. Nieuwe koolstof-14 wordt echter met een constante snelheid geproduceerd in de bovenste atmosfeer van de aarde, terwijl de stralen van de zon stikstofatomen raken.
Radiokoolstofdatering maakt gebruik van dit contrast tussen een stabiele en onstabiele koolstofisotoop. Tijdens zijn levensduur neemt een plant voortdurend koolstof uit de atmosfeer op door middel van fotosynthese. Dieren op hun beurt consumeren deze koolstof wanneer ze planten eten, en de koolstof verspreidt zich door de voedselcyclus. Deze koolstof omvat een constante verhouding van koolstof-12 en koolstof-14.
Wanneer deze planten en dieren sterven, stoppen ze met het opnemen van koolstof. Vanaf dat moment zal de hoeveelheid Carbon-14 in materialen die overblijven van de plant of het dier na verloop van tijd afnemen, terwijl de hoeveelheid Carbon-12 ongewijzigd blijft. Om radiokoolstof een organisch materiaal te dateren, kan een wetenschapper de verhouding meten van de resterende koolstof-14 tot de onveranderde koolstof-12 om te zien hoe lang het geleden is dat de bron van het materiaal stierf. Dankzij geavanceerde technologie is radiokoolstofdatering in veel gevallen binnen enkele decennia nauwkeurig geworden.
Koolstofdatering is een briljante manier voor archeologen om te profiteren van de natuurlijke manieren waarop atomen vervallen. Helaas staan mensen op het punt dingen te verpesten.
Het langzame, gestage proces van koolstof-14-vorming in de bovenste atmosfeer is in de afgelopen eeuwen verkleind door mensen die koolstof uit fossiele brandstoffen in de lucht spuwen. Omdat fossiele brandstoffen miljoenen jaren oud zijn, bevatten ze niet langer een meetbare hoeveelheid koolstof-14. Dus, terwijl miljoenen tonnen Carbon-12 in de atmosfeer worden geduwd, wordt de stabiele verhouding van deze twee isotopen verstoord. In een vorig jaar gepubliceerde studie wees fysicus Heather Graven op het Imperial College op Londen hoe deze extra koolstofemissies de datering van radiokoolstoffen scheeftrekken.
Tegen 2050 lijken nieuwe monsters organisch materiaal dezelfde radiokoolstofdatum te hebben als monsters van 1000 jaar geleden, zegt Peter Köhler, de hoofdauteur van de nieuwe studie en natuurkundige bij het Alfred Wegener Instituut voor pool- en marien onderzoek. Aanhoudende koolstofdioxide-uitstoot door verbranding van fossiele brandstoffen zal de verhoudingen nog verder scheef zetten. "Over een paar decennia zullen we niet in staat zijn om te onderscheiden of er een leeftijd met radiokoolstof is die we verlaten of dat koolstof uit het verleden of uit de toekomst komt, " zegt Köhler.
Geïnspireerd door Graven's onderzoek richtte Köhler zijn aandacht op de andere natuurlijk voorkomende stabiele isotoop van koolstof: Carbon-13. Hoewel Carbon-13 iets meer dan 1 procent van de atmosfeer van de aarde uitmaakt, nemen planten zijn grotere, zwaardere atomen op bij een veel lagere snelheid dan Carbon-12 tijdens fotosynthese. Koolstof-13 wordt dus in zeer lage niveaus aangetroffen in de fossiele brandstoffen die worden geproduceerd door planten en de dieren die ze eten. Met andere woorden, het verbranden van deze fossiele brandstoffen verkleint ook de atmosferische niveaus van koolstof-13.
Door te meten of deze niveaus van koolstof-13 scheef staan in een object dat is gedateerd uit koolwaterstoffen, zouden toekomstige wetenschappers dan kunnen weten of de niveaus van koolstof-14 van het object scheef zijn door de uitstoot van fossiele brandstoffen. Een lager dan verwacht niveau van Carbon-13 in een object zou dienen als een rode vlag waarvan de radiokoolstofdatum niet te vertrouwen was. Onderzoekers kunnen dan de datum negeren en andere methoden van dating van het object proberen.
"Je ziet duidelijk dat als je een effect hebt op de Carbon-14, wat je een nogal problematische leeftijdssignatuur zou geven, je deze handtekening ook in Carbon-13 hebt, " zei Köhler. "Daarom kunt u Carbon-13 gebruiken om te onderscheiden of de radiokoolstof is aangetast en dus verkeerd is of niet."
Köhler geeft toe dat zijn techniek niet zou werken voor materialen die zijn gewonnen uit diepe oceaangebieden waar koolstof langzaam uitwisselt met de rest van de atmosfeer, maar hij gelooft dat het toekomstige archeologen zal helpen de overblijfselen van ons vervuilende tijdperk te sorteren.
Queen's University paleoklimatoloog Paula Reimer wijst erop dat het meten van Carbon-13 vaak niet nodig zal zijn, omdat archeologen meestal de sedimentaire laag kunnen gebruiken waarin een object werd gevonden om zijn leeftijd te controleren. Maar voor objecten die worden gevonden in gebieden waar de aardlagen niet helder zijn of niet goed kunnen worden gedateerd, kan deze techniek als extra controle dienen. Het werk van Köhler "biedt enige geruststelling dat [datering met koolwaterstoffen] in de toekomst nuttig zal blijven voor afzonderlijke monsters", zegt Reimer.
Noot van de redactie: dit artikel is bijgewerkt met de aansluiting van Peter Köhler.
