Radiosüsinikumeetod

Radiosüsinikumeetodil dateerimine on radiomeetriline vanuse määramise meetod, mis kasutab looduses esineva süsiniku radioaktiivset isotoopi massiarvuga 14 (süsinik-14), võimaldades määrata orgaanilise päritoluga süsinikku sisaldavate materjalide vanust, mis võib ulatuda kuni 62 000 aastani.

Töötlemata ehk kalibreerimata radiosüsiniku vanused on tavaliselt esitatud radiosüsinikuaastates Before Present (enne tänapäeva), kus tänapäeva all mõeldakse kokkuleppeliselt aastat 1950. Selliseid vanuseid kalibreerides on võimalik leida vastavad vanused kalendriaastates. Üks sagedasemaid radiosüsinikumeetodi 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 keemiaauhinna. Radiosüsinikumeetodi demonstreerimiseks määras ta Vana-Egiptuse lodjalt pärineva puutüki vanuse, mis oli varem ajaloolistest dokumentidest teada. Eesti alustati radiosüsiniku labori rajamisega 1957 ZBI-s.

Füüsikaline taust

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 9–15 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.

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

Mõõtmine

Kiirend-mass-spektromeetri kasutamine suurendab radiosüsinikumeetodi tundlikkust

Mõõtmised põhinevad iga individuaalse süsiniku aatomi radioaktiivsete lagunemiste (emiteeritud beetaosakeste) loendamisel. Seda tehakse 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 radiosüsinikuaastate arv enne 1950, mis põhineb kindlal ¹⁴C tasemel atmosfääris, mis oli omane 1950. aastale. Radiosüsinikumeetodil vanuseid määravad laborid esitavad tavaliselt igale dateeringule määramatuse. Näiteks 3000 ± 30 BP näitab, et antud dateeringu standardhälve on 30 radiosüsinikuaastat. 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

Kalibreerimise vajadus

Radiosüsinikumeetodil dateerimisel kasutatav kalibreerimiskõver. Allikas: Stuiver et al. (1998). Proovid, mis on nooremad kui AD 1950, dateeritakse kasutades põhja- ja lõunapoolkera ¹⁴C graafikuid. Vaata järgmist joonist

Atmosfäärne ¹⁴C, Uus-Meremaa ja Austria. Uus-Meremaa kõver iseloomustab lõuna- ja Austria põhjapoolkera. Tuumakatsetused on peaaegu kahekordistanud ¹⁴C kontsentratsiooni põhjapoolkeral.

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. 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 muutusi seal olevate süsinikuisotoopide fraktsioneerumises.

Lisaks looduslikele protsessidele mõjutab radiosüsiniku taset ka inimtegevus. Alates tööstusrevolutsiooni algusest 18. sajandil kuni 1950. aastateni paisati fossiilkütuste 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. aastate tuumarelvakatsetustega.

Kalibreerimismeetodid

Töötlemata radiosüsiniku vanuseid kalibreeritakse, et saada kalendriaastatele vastavaid tulemusi. Selleks on olemas standardsed kalibreerimiskõverad, 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 aastate jooksul 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. 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 800–1200 aastat BP.

Reservuaariefekt

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 kalibreerimiskõver, millel eksisteerivad siiski mõnesaja-aastased kõrvalekalded.
• Karbonaatkivimite (mis on tavaliselt vanemad kui 80 000 aastat ega 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, vastupidi veekogudele, kus vee-elustik kaasab lahustunud "vana" süsiniku kiirelt ainevahetusse, mis avaldab mõju terve toiduahela ulatuses. 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.
• 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 kalibreerimiskõverad.

Vaata ka

• AMS-meetod
• Before Present
• kosmogeensed isotoobid

Kirjandus

• Bowman, Sheridan (1990). Interpreting the Past: Radiocarbon Dating. Berkeley: University of California Press. ISBN 0520070372.
• Currie, L. (2004). "The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II" (PDF). J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109: 185–217.
• Friedrich, M. (2004). "The 12,460-Year Hohenheim Oak and Pine Tree-Ring Chronology from Central Europe—a Unique Annual Record for Radiocarbon Calibration and Paleoenvironment Reconstructions". Radiocarbon. 46: 1111–1122.
• Gove, H. E. (1999) From Hiroshima to the Iceman. The Development and Applications of Accelerator Mass Spectrometry. Bristol: Institute of Physics Publishing.
• Kovar, Anton J. (1966). "Problems in Radiocarbon Dating at Teotihuacan". American Antiquity. Society for American Archaeology. 31 (3): 427–430. DOI:10.2307/2694748. JSTOR 2694748.
• Lorenz, R. D.; Jull, A. J. T.; Lunine, J. I.; Swindle, T. (2002). "Radiocarbon on Titan". Meteoritics and Planetary Science. 37 (6): 867–874. Bibcode:2002M&PS...37..867L. DOI:10.1111/j.1945-5100.2002.tb00861.x.
• Mook, W. G.; van der Plicht, J. (1999). "Reporting ¹⁴C activities and concentrations" (PDF). Radiocarbon. 41: 227–239.
• Weart, S. (2004) The Discovery of Global Warming – Uses of Radiocarbon Dating.
• Willis, E.H. (1996) Radiocarbon dating in Cambridge: some personal recollections. A Worm's Eye View of the Early Days.

Välislingid

• C14dating.com – Üldiselt radiosüsinikumeetodi kohta
• OxCali kalibreerimisrakendus (Oxford Calibration)