Radiohiiliajoituksen perusteet
Ilmakehästä sataa hiilipitoisten elävien olioiden, kuten kasvien, päälle jatkuvasti uutta hiili-14:ää. Radiohiili eli hiili-14 on hiilen alalaji eli isotooppi, joka säteilee hajotessaan elektroneja ja neutriinoja. Elektronisäteilyä sanotaan myös betasäteilyksi.
Radiohiiltä syntyy eniten 9–15 kilometrin korkeudessa kosmisen neutronisäteilyn osuessa typpiatomeihin. Typpihän on ilman yleisin kaasu. Syntynyt hiiliatomi liittyy happimolekyyliin muodostaen hiilidioksidia CO2. Ilmakehän hiilestä on radiohiiltä noin triljoonasosa atomien määrinä mitattuna. Eläimet syövät hiili-14:ää sisältäviä kasveja, jotka ottavat sitä ilman hiilidioksidista. Koska radioaktiivinen hiili (radiohiili, hiili-14) hajoaa vakiovauhdilla, voidaan esineen ikä arvioida. Radiohiilion hiilen alalaji
joka hajoaa typeksi. Radiohiili hajoaa takaisin typeksi siten, että noin 5 700 vuoden kuluttua puolet siitä on jäljellä, 11 600 vuoden kuluttua neljäsosa jne. Kaikkiaan radiohiilen määrä pystyään mittamaan vielä 58 000–60 000 vuoteen asti eli noin 10 puoliintumisjaksoa. Radiohiiltä C (14C) on jopa 0,0000000000012 % luonnon hiilestä.
Pitkään radiohiili mitattiin sen säteilemästä betasäteilystä geigermittarinlla, nykyään esimerkiksi suoraan massaspektrometri avulla eli AMS-tekniikalla. AMS-ajoitus vaatii vain 0,1 milligrammaa hiiltä, mutta perinteinen menetelmä noin yhden gramman. Libbyn aikoina tarvittiin jopa 100 grammaa hiiltä. Käytetään myös parannettuja säteilyn mittaukseen perustuvia menetelmiä GPC ja LPC, jotka vaativat noin
100 milligrammaan näytettä.[http://www.essortment.com/hobbies/scienceenvironm_sbvx.htm]
Radiohiiliajoitus sopii kuolleiden alkuaan eloperäisten aineiden ajoituksen, esimerkiksi kasvikuiduista tehty tekstiili, turve, luu ja 1990-luvulta alkaen AMS-ajoituksella keramiikka, jossa on pieniä määriä hiilipitoista kuonaa. Keramiikan ajoitus on tarkempaa kuin monien muoden näytteiden, koska keraaminen aines estää radiohiilen mahdollisen liukenemisen pois tai uuden saapumisen siihen. Radiohiilen määrän muutoksethan saattaisivat sotkea ajoituksen.
Historia
Radiohiiliajoitusta kehitteli manhattanin atomipommiprojektissa mukana ollut amerikkalainen tutkija Willard Libby 1940-luvun lopulla. Hänen kanssaan työskenteli kaksi opiskelijaa James R. Arnold ja Ernest C. Anderson Chicagon yliopiston metallurgisessa laboratoriossa. Libby sai keksinnäistään vuona 1960 kemian Nobelin palkinnon, joka on ainoa arkeologiaan liittyvä kemian Nobelin palkinto.[C. W. Ceram, Ensimmäinen amerikkalainen]. 1950-luvulla kehitettiin parennetut menetelmät jotka perustuivat kaasumaisten ja nesteytettyjen näytteiden analyysiin. Useimmat radiohiiliajoitukset tehdään nykyään näillä menetelmillä.[http://www.c14dating.com/int.html]
1960-luvun lopulla tuloksia alettiin korjata eli kalibroida muiden tarkempien ajoitusmenetelmien kuten vuosirenkaiden ajoituksista laadituilla taulukoilla.
Kehittyneempi AMS-ajoitus kesittiin 1977. Sinä vuonna tekivät ensimmäiset ajoituksen massaspektrometrillä Rochesterin/Toronton tutkijaryhmä ja
General Ionex Corporation ja pian Simon Fraserin ja McMasterin yliopistot.[http://www.c14dating.com/int.html]
Kalibrointi muuttaa radiohiilivuodet kalenterivuosiksi
Radiohiili-iät lasketaan vuodesta 1950 lukien, ei mittausvuodesta lukien, jotta vältyttäisiin väärinkäsityksiltä.
Radiohiiliajoitus ei suoraan anna esineen ikää. Yleensä radiohiilivuodet ovat liian nuoria esineen todelliseen ikään verrattuna. Noin 2 600 vuotta vanhemmat esineet voivat olla ehkä 500–1 000 vuotta vanhempia.
Radiohiiliajoitusta verrataan yleensä muun muassa ajoitusvuosirengasikään.]]["" class="external" rel="nofollow" target="_blank">https://extras.csc.fi/arctinet/kivikaus/m7/7_4_2.htm]" class="external" rel="nofollow" target="_blank">http://www.jyu.fi/tdk/museo/alkuviljaa/radiohii.htm[https://extras.csc.fi/arctinet/kivikaus/m7/7_4_2.htm]
Muita vertailutietoja saadaan syvämeren kerrostumista ja järvien ja lampien lustosavikerrostumista. Joidenkin pieneliöiden vuodenaikavaihtelu näkyy näissä kerrostumissa vaikkapa tummina ja vaaleina raitoina. Etelämentareella ja Grönlannissa on jäätikän uumenissa vanhaa jäätä, jonka vuodenaikaveihtelut näkyvät melko syvälle porattaessa. Lopulta hyvin syvällä jää pakkautuu niin tiiviiksi, että ne katoavat. Myös koralleissa näkyy vuodenaikavaihteluja. Mitkään näistä eivät anna varmaa vertailutietoa hyvin vanhojen ikien osalta.
Kalibrointikäyrässä näkyy tasanne 11 000–10 000 radiohiilivuotta sitten, jolloin nuorempi dryaskausi muutti valtameren kiertoa. Vuosirengassarjat ulottuvat nykyään Keski-Euroopassa 12 400 vuoden päähän. Radiohiiliajoitusta on laajennettu ulottumaan 45 000 vuoden taakse tutkimalla eräässä Bahamasaarten luolassa olevia tippukiviä.
Eri menetelmällä saatavien vertailutietojen pohjalta on kehitelty erilaisia korjaus- ja kalibrointikaavoja ja taulukoita. Tunnettuja kalibrointijärjestelmiä ovat OxCal ja CalPal. Tarkka kalibrointi ei ulotu koko radiohiilimenetelmän kattaman aika-alueen, 60 000 vuoden, alueelle. Kalibrointi ei aina anna luotettavaa arvoa, koska muun muassa tulivuorenpurkaus voi sotkea ajoitusta.
Arkeologiassa käytetään nykyisin useimmin kalibroituja ajoituksia, ja geologiassa kalibroimattomia, mutta poikkeuksiakin on.
Radiohiilivuosien merkintä
Radiohiiliajoitusten merkintä on kirjavaa. Täsmällisintä olisi ilmoittaa, onko radiohiili-ikä kalibroitu vai kalibroimaton, ja millä menetelmällä on kalibroitu, jos on kalibroitu. Täsmällisyyttä lisää iänmäärityksen virheraja ja todennäköisyys, esimerkiksi +-100 vuotta todennäköisyydellä 68%.
Kalibroidun iän toinen nimitys on 'kalenterivuodet', vaikka ne eivät täysin todellisia vuosia useimmiten vastaakaan. 1960-luvulla vuosirengaskalibroinnin epätarkkuus oli pahimmillaan jopa 700 vuotta.
Usein ilmaistaan vain BP tai BP cal. kalibroimattomille ja kalenterivuosille.
Niinpä radiohiilivuodet eli kalibroimattomat hiili-14-vuodet merkitään englanninkielisissä lähteissä ja suomalaisissakin teksteissä lyhenteellä BP. BP tarkoittaa enganniksi Before Present, vuotta ennen nykyhetkeä. Merkitään myös 'radiohiilivuotta sitten'
rcbp, rcybp tai rcya. Joskus käytetään myös merkintöjä C-14 BP uncal , 14C yr BP). Kalibroinneista saatavat kalenterivuodet tai kalibroidut radiohiilivuodet ovat englanniksi esimerkiksi C-14 BP cal. tai cal. BP
Radiohiiliajoituksessa oleva epätarkkuus näkyy monesti sillä saaduissa tuloksissa. Usein merkitään vaikkapa 1000 +/- 100 BP eli 1000 radiohiilivuotta plus miinus 100 vuotta. Tämä tarkoittaa yleisimmin, että esineen ikä poikkeaa
68 % eli normaalijakaumassa 1%sigma; verran.
Radiohiilimenetelmän rajoitukset
Radiohiilimenetelmässä on monia epätarkkuutta lisääviä ja virheellisiä ajoituksia luovia tekijöitä.
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen hiilen tarkkaa puoliintumisvauhtia ei tunneta, koska radiohiilen puoliintumisaika on niin pitkä, ja menetelmä tunnettu suhteellisen lyhyen aikaa, niin ettei sitä ole ehditty saada kokeellisesti selville. Radiohiilen puoliintumisajasta on menetelmän keksijän Libbyn ajoista lähtien käytetty arvoa 5 568±30, niin sanottua Libbyn puoliintumisaikaa ja myöhemmin hieman tarkempaa arviota 5 730±40 vuotta eli Cambridgen puoliintumisaikaa.
Radiohiilen määrän vaihtelu ilmakehässä
Ilmekehässä olevan radiohiilen suhteellinen osuus vaihtelee.[http://www.jyu.fi/tdk/museo/alkuviljaa/radiohii.htm] Radioaktiivista hiiltä ei synny ilmakehässä vakiovauhdilla, koska kosmisen neutronisäteilyn määrä vaihtelee. Ydinkokeet lisäsivät varsinkin 1950-luvulla ja 1960-luvulla radiohiilen määrää ja saattoivat silloin antaa väärän vertailuarvon eliöissä alussa olevalle radiohiilen määrälle.
Toisaalta fossiilisten polttoaineiden käyttö on vähentänyt radiohiilen suhteellista osuutta.
Paikakkuntakohtaiset erot
Kosmisen säteilyn määrä riippuu myös maastonkohdan korkeudesta ja magneettikentän voimakkuudesta, mikä otetaan kalibroinneissä nykyään joskus huomioon. Aina näin ei voida tehdä, koska jokaiselle paikalle maapallolla ei ole saatavilla vuosirengastietoa.
Tulivuorenpurkaukset
Tulivuorenpurkaus vapauttaa ilmakehään hiiltä ja sotkee monesti radiohiiliajoituksen, ja sen takia tuliperäisillä alueilla saadaan monesti epämääräisiä tuloksia.
Hiilipitoinen maaperä
Vetisillä kalkkipitoislla paikoilla vanha radiohiili irtoaa helposti pois, ja tarjoaa radiohiilen lähteen paikalla eläville kasveille, eläimille ja ihmisille ja näin nuorentaa ajoitusta. Yli 60 000 vuotta vanhoista pinnalla olevista kerrostumista sää kuluttaa radiohiiltä pois herkemmin kuin tavallista hiiltä, mutta yleensä tällä ei ole merkitystä.
Atomipaino
Hiili-14 tiedetään kemiallisesti erilaiseksi erilaisen atomimassansa takia kuin tavallinen hiili, ja se voi sen takia kasautua joihinkin paikkoihin ja karttaa toisia paikkoja.
Radiohiilen kulkeutuminen syvämeriin vaihtelee
Ilmastonmuutokset voivat estää radiohiilen kiertoa syvälle merenpohjaan muuttamalla merivirtoja jne.
Radiohiilen muut lähteet
Radiohiiltä syntyy typen lisäksi myös hapesta nopeiden neutronien törmätessä happiatomien ytimiin.
Kerrostumien sekoittuminen
Kaiken kukkuraksi vanhempi näyte voi kulkeutua uudempiin kerrostumiin muun muassa maanvyöryjen, puiden juurakoiden kasvun ja muiden syiden takia. Näin jonkin kerrostuman iän määrittäminen yksittäisen näytteen avulla on epävarmaa, varsinkin jos kerrostumat ovat epäjärjestyksessä.
Radiohiilimenetelmään ei kannata luottaa sokeasti, jos ajoituksia on vain muutama. Esimerkiksi faaraoiden Egyptin aikaisessa Kheopsin eli Khufun pyramidissa on osia, jotka antavat tuloksen 3809 eaa. (± 160 vuotta), mutta enin osa 3 090–2 723 eaa. (± 100-400 vuotta). Niinpä jotkut ovat ajatelleet ajalteltu faaraon Khufu täydentäneen vanhempaa rakennelmaa. Voidaan myös väittää, että jokin tekijä olisi sotkenut vanhempia ajoituksia.
Katso myös
Viitteet
Aiheesta muualla
Kulstof 14-datering
Radiokohlenstoffdatierung
Datation au carbone 14
Karbondatering
C14-metoden
