Radiosüsiniku meetod

Allikas: Vikipeedia

Radiosüsiniku meetodil dateerimine on radiomeetriline vanuse määramise meetod, mis kasutab looduses esineva süsiniku radioaktiivset isotoopi massiarvuga 14 (süsinik-14), võimaldades määrata orgaanilise päritoluga süsinikku sisaldavate materjalide vanuseid, mis ulatuvad kuni 62,000 aastani.[1] Töötlemata ehk kalibreerimata radiosüsiniku vanused on tavaliselt esitatud radiosüsiniku aastates „Before Present“ (enne tänapäeva), kus tänapäeva all mõeldakse kokkuleppeliselt aastat 1950. Selliseid vanuseid kalibreerides on võimalik leida vastavad vanused kalendriaastates. Üks sagedasemaid radiosüsiniku meetodi kasutusvaldkondi on arheoloogiliste orgaanikat sisaldavate leidude vanuste määramine. Kui taimed seovad atmosfäärset süsihappegaasi (CO2) orgaanilisse materjali läbi fotosünteesi, haaravad nad 14C isotoopi samal hulgal, mis ligikaudu ühtib atmosfääris oleva 14C tasemega (väike erinevus võib tekkida isotoopse fraktsioneerimise tõttu). Kui taimed surevad või tarbitakse teiste organismide poolt, hakkab radioaktiivse lagunemise tõttu kindlal kiirusel kahanema orgaanilises materjalis oleva 14C osa. Võrreldes proovis järele jäänud radiosüsiniku osa kunagise arvatava atmosfäärse 14C tasemega, on võimalik määrata proovi vanus.

Radiosüsinikul põhineva dateerimise meetodi töötas välja Willard Libby koos kolleegidega Chicago Ülikoolis 1949. aastal. Libby leidis, et ühe grammi puhta süsiniku radioaktiivsus on umbes 14 lagunemist minutis. Oma töö eest sai ta 1960. aastal Nobeli preemia keemias. Radiosüsiniku meetodi demonstreerimiseks määras ta Vana-Egiptuse lodjalt pärineva puutüki vanuse, mis oli varem ajaloolistest dokumentidest teada.[2]

Füüsikaline taust[muuda | redigeeri lähteteksti]

1: 14C moodustumine
2: 14C lagunemine
3: Võrdsus iseloomustab elus ning ebavõrdsus surnud organismi

Süsinikul on kaks stabiilset, mitteradioaktiivset isotoopi: süsinik-12 (12C) ja süsinik-13 (13C). Lisaks eksisteerib Maal teatud väikesel hulgal ebastabiilset nn. radiosüsiniku (14C) isotoopi. Radiosüsinikul on suhteliselt lühike, 5730 aasta pikkune poolestusaeg, mille jooksul lagunevad radioaktiivsel lagunemisel pooled 14C aatomituumad. Süsinik-14 tekib atmosfääris õhulämmastikust kosmilise kiirguse toimel. Kosmilise kiirguse sisenemisel Maa atmosfääri tekivad neutronid, mis osalevad atmosfääris oleva molekulaarse lämmastikuga (N2) tuumareaktsioonis:

n + \mathrm{^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm{^{14}_{6}C} + p

Suurim osa radiosüsiniku moodustumisest toimub 9 kuni 15 km kõrgusel, kuid levib enam-vähem ühtlaselt atmosfääris ja reageerib hapnikuga, moodustades süsihappegaasi. Radiosüsinikku sisaldavat süsihappegaasi tarbivad fotosünteesi käigus taimed ning läbi taimede ka loomad. Selline radiosüsiniku vahetus keskkonna ja organismi vahel toimub kuni organismi surmani. Alates sellest hakkab organismis sisaldunud radiosüsiniku hulk järk-järgult läbi beetalagunemise, poolestusajaga 5,730 ± 40 aastat, vähenema[3].

\mathrm{~^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{~^{14}_{7}N}+ e^{-} + \bar{\nu}_e

Mõõtmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kiirend-mass-spektromeetri kasutamine suurendab radiosüsiniku meetodi tundlikkust

Mõõtmised põhinevad iga individuaalse süsiniku aatomi radioaktiivsete lagunemiste (emiteeritud beetaosakeste) loendamisel. Seda teostatakse nii gaasilisest (proportsionaalne gaasloendur) kui ka vedelast keskkonnast (vedelik-stsintillatsiooniloendur) loendamisega. Piisava suurusega proovide puhul (mõni gramm orgaanilist süsinikku) on meetod siiamaani laialdaselt kasutusel. Väiksemate proovide mõõtmisel sellise lagunemiste loendamise meetodil jääb suureks statistiline määramatus, vähendades tulemuste täpsust. Kui proov sisaldab vähe radiosüsinikku, siis suhteliselt suure poolestusaja tõttu lagunevad mõõtmise ajal vaid mõned 14C tuumad minutis. Meetodi tundlikkust on tugevalt tõstnud kiirend-mass-spektromeetri (AMS) kasutuselevõtt. Selle tehnoloogiaga määratakse 14C hulk otse proovist, mistõttu on võimalik dateerida proove, mis sisaldavad vaid mõnda milligrammi süsinikku. Töötlemata radiosüsiniku vanused (dateeringud, mis ei ole kalibreeritud) esitatakse tavaliselt aastatena „Before Present“ (BP). See on radiosüsiniku aastate arv enne 1950, mis põhineb kindlal 14C tasemel atmosfääris, mis oli omane 1950. aastale. Radiosüsiniku meetodil vanuseid määravad laborid esitavad tavaliselt igale dateeringule määramatuse. Näiteks 3000 ± 30 BP näitab, et antud dateeringu standardhälve on 30 radiosüsiniku aastat. Sellest hoolimata on proovi töötlemisest ja selle mõõtmisest tulev statistiline määramatus vaid väike osa lõplikust vanuse kujunemisest. Proovid, mille vanus ületab vanuse määramise piiri, ei saa dateerida. Põhjuseks on liiga väike alles jäänud radiosüsiniku aatomite hulk, mistõttu on proov tundlik settekeskkonnas, ettevalmistamisel või mõõtmisel kokkupuutuva 14C suhtes.

Kalibreerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kalibreerimise vajadus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Radiosüsiniku meetodil dateerimisel kasutatav kalibratsioonikõver. Allikas: Stuiver et al. (1998).[4] Proovid, mis on nooremad kui AD 1950, dateeritakse kasutades põhja- ja lõunapoolkera 14C graafikuid. Vaata järgmist joonist
Atmosfäärne 14C, Uus-Meremaa[5] ja Austria.[6] Uus-Meremaa kõver iseloomustab lõuna- ja Austria põhjapoolkera. Tuumakatsetused on peaaegu kahekordistanud 14C kontsentratsiooni põhjapoolkeral.[7]

Dateeringuid võib väljendada kalibreeritud ja kalibreerimata vanustena. Töötlemata BP dateeringuid ei saa kasutada otse kalendriaastatega võrdlemiseks, kuna atmosfäärse radiosüsiniku tase ei ole olnud kogu dateeritava aja ulatuses rangelt konstantne. Taseme mõjutus on tingitud kosmilise kiirguse intensiivsuse variatsioonidest, mis omakorda on mõjutatud Maa magnetosfäärist.[8] Lisaks on mitmeid olulisi süsiniku reservuaare: orgaaniline aine, ookeanid, ookeani põhjasetted ja settekivimid. Muutused Maa kliimas võivad mõjutada süsinikuvooge reservuaaride ja atmosfääri vahel, mis tingib muutuseid seal olevate süsiniku isotoopide fraktsioneerumises.

Lisaks looduslikele protsessidele mõjutab radiosüsiniku taset ka inimtegevus. Alates tööstusrevolutsiooni algusest 18. sajandil kuni 1950. aastateni paisati fossiilsete kütuste põletamisega õhku suurtes kogustes süsihappegaasi, mis oma minimaalse radiosüsiniku sisaldusega alandas atmosfääris oleva 14C osakaalu. See on tuntud kui Suessi efekt ning mõjutab ka 13C isotoopi. Sellest hoolimata on atmosfäärse 14C osa peaaegu kahekordistunud seoses 1950. ja 1960. aastatel läbi viidud tuumarelvade katsetustega. [9]

Kalibratsiooni meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Töötlemata radiosüsiniku vanuseid kalibreeritakse, et saada kalendriaastatele vastavaid tulemusi. Selleks on olemas standardsed kalibratsioonikõverad, mis põhinevad radiosüsiniku vanuste võrdlemisel erinevatest proovidest, mida on võimalik iseseisvalt dateerida ka teiste meetoditega. Levinumateks meetoditeks on puu aastaringide (dendrokronoloogia), süvaookeani setete, järvepõhjas tekkinud varvide (varvokronoloogia), korallide ja speleoteemide uurimine. Kalibreerimiskõverad ei ole sirgjooned, sisaldades kõrvalkaldeid perioodide kohta, mil radiosüsiniku määr atmosfääris erines normaalsest. Suuremad kõrvalkalded kõveral põhjustavad kalibreeritavas vanuses suuremat määramatust. Kalibreerimiskõvera ulatus ja täpsus, sealhulgas ka määramatuse suurus, on läbi aastate paranenud. Kui 2004. aasta versioon võimaldab suhteliselt täpselt kalibreerida kuni 26,000 aasta vanuseid proove, siis 2009. Aasta standardit INTCAL09 kasutades saab suurema täpsusega kalibreerida kuni 50,000 aasta vanuseid proove.[10][11][12] Kalibreeritud vanused esitatakse kujul X±Y cal 14C a. BP. Radiosüsiniku dateerimistäpsus antakse 1-sigma tasemel, mis tähendab, et näiteks 14C vanuse 1000±100 puhul on 68% tõenäosusega objekti vanus 900 ja 1100 aasta vahel ja 95% tõenäosusega 800 kuni 1200 aastat BP.

Reservuaariefekt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Teatud juhtudel näivad proovidest tehtud dateeringud uuritava organismi vanusest vanemad. See võib olla põhjustatud organismi eluajal tarbitud eeldatavast süsiniku isotoopkoostisest väiksema 14C sisaldusega süsinikust:

  • Kui CO2 lahustub ookeanivees, võtab ta endaga kaasa ka sellele hetkele omase atmosfäärse radiosüsiniku hulga. Kuna gaaside liikumine ookeanis on väga aeglane, tarbib vee-elustik „vana“ süsinikku, mille tulemusena peegeldavad nende organismide radiosüsiniku vanused pigem hetke, millal gaas ookeanisse sattus. Selliste proovide kalibreerimiseks on loodud iseseisev kalibratsioonikõver[13], millel eksisteerivad siiski mõnesaja-aastased kõrvalekalded.
  • Karbonaatkivimite (mis on tavaliselt vanemad kui 80,000 aastat ja ei sisalda seega mõõdetavat 14C hulka) erosioon põhjustab 12C ja 13C isotoopide vahetuse kasvu reservuaaride vahel. See sõltub kohalikest kliimatingimustest ja võib muuta taimede tarbitava süsiniku isotoopsuhet. Selle mõju peetakse väikeseks atmosfäärsele süsiniku isotoopsuhtele, vastupidiselt veekogudele, kus vee-elustik kaasab lahustunud „vana“ süsiniku kiirelt ainevahetusse, mis avaldab mõju terve toiduahela ulatuses.[14] Seetõttu on meetod nende organismide vanuste määramiseks vähem usaldusväärne.
  • Vulkaanipursked paiskavad atmosfääri suures koguses süsinikku, mis põhjustab lokaalselt 12C ja 13C määra tõusu, mis võib tingida vulkaaniliselt aktiivsetest piirkondadest pärit dateeritavate proovide ebaseaduspärased vanused.[14]
  • Kosmilisel kiirgusel ei ole Maale ühtlane mõju. See sõltub maapinna kõrgusest merepinnast ja Maa magnetvälja tugevusest eri piirkondades, põhjustades piirkonniti väikseid variatsioone radiosüsiniku moodustumisel. Sellest tulenevalt on erinevates regioonides kasutusel erinevad kalibratsioonikõverad.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Plastino, W.; Kaihola, L.; Bartolomei, P.; Bella, F. (2001). "Cosmic Background Reduction In The Radiocarbon Measurement By Scintillation Spectrometry At The Underground Laboratory Of Gran Sasso". Radiocarbon 43 (2A): 157–161. 
  2. Arnold, J. R.; Libby, W. F. (1949). "Age Determinations by Radiocarbon Content: Checks with Samples of Known Age". Science 110 (2869): 678–680. Bibcode:1949Sci...110..678A. doi:10.1126/science.110.2869.678. PMID 15407879. 
  3. http://hypertextbook.com/facts/1997/MargaretKong.shtml
  4. Stuiver M, Reimer PJ, Braziunas TF (1998). "High-precision radiocarbon age calibration for terrestrial and marine samples". Radiocarbon 40: 1127–51. 
  5. "Atmospheric δ14C record from Wellington". Carbon Dioxide Information Analysis Center. Vaadatud 1. mai 2008. 
  6. 14C record from Vermunt". Carbon Dioxide Information Analysis Center. Vaadatud 1. mai 2008. 
  7. "Radiocarbon dating". Utrechti Ülikool. Vaadatud 1. mai 2008. 
  8. Kudela K. and Bobik P. (2004). "Long-Term Variations of Geomagnetic Rigidity Cutoffs". Solar Physics 224: 423–431. Bibcode:2004SoPh..224..423K. doi:10.1007/s11207-005-6498-9. 
  9. Reimer, Paula J.; Brown, Thomas A.; Reimer, Ron W. (2004). "Discussion: Reporting and Calibration of Post-Bomb 14C Data". Radiocarbon 46 (3): 1299–1304Mall:Inconsistent citations 
  10. Reimer Paula J et al. (2004). "INTCAL04 Terrestrial Radiocarbon Age Calibration, 0–26 Cal Kyr BP". Radiocarbon 46 (3): 1029–1058.  Veebiversioon siin.
  11. Reimer, P.J.; et. al. (2009). "IntCal09 and Marine09 Radiocarbon Age Calibration Curves, 0–50,000 Years cal BP". Radiocarbon 51 (4): 1111–1150. 
  12. Balter, Michael (15 Jan 2010). "Radiocarbon Daters Tune Up Their Time Machine". ScienceNOW Daily News.  Kontrollige kuupäeva väärtust kohas: |date= (juhend)
  13. Stuiver M, Braziunas TF (1993). "Modelling atmospheric 14C influences and 14C ages of marine samples to 10,000 BC". Radiocarbon 35 (1): 137. 
  14. 14,0 14,1 Kolchin BA, Shez YA (1972). Absolute archaeological datings and their problems. Moscow: Nauka. 

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]


Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]