Problemen bij het bepalen van de ouderdom van voorwerpen


Dendrochronologie

De eerste methode voor het dateren van voorwerpen die we hier zullen bespreken is de methode die gebruik maakt van de groeiringen van bomen: Dendrochronologie Dendrochronologie is de wetenschap die zich bezighoudt met het dateren van houtmonsters aan de hand van jaarringenonderzoek. Hiervoor wordt liefst hout afkomstig van de eik gebruikt. Deze boom heeft als bijzondere eigenschap dat het elk jaar één jaarring groeit, onafhankelijk van de weersgesteldheid. Andere bomen vormen in een goed seizoen soms meerdere ringen, of in een slecht jaar soms niet één. Door het tellen van de ringen van een eik is het hierdoor mogelijk om de leeftijd van de boom af te lezen. De jaarringen variëren per jaar niet in aantal maar wel in dikte: in een goed seizoen wordt een brede en in een slecht seizoen een dunne jaarring afgezet. Zo ontstaat een ringenpatroon dat voor een bepaalde streek en periode uniek is.

Indien men beschikt over redelijk dikke boomstammen uit overlappende periodes en uit dezelfde streek, dan kan men door de groeiringpatronen naast mekaar te leggen extrapolaties doen en, in theorie althans, patronen voor vele honderden en soms duizenden jaren vastleggen.
In theorie, want het is natuurlijk niet zo simpel om een goed overlappend en duidelijk stel patronen te vinden van boomstammen die uit dezelfde regio komen. (Soms hebben bomen die naast mekaar staan, verschillende patronen!)

Het blijkt namelijk dat deze methode ('crossdating' in het Engels) slechts een beperkt aantal patronen heeft kunnen vormen waarbij men over duizenden jaren kan spreken. De patronen die het verst in de tijd terug gaan zijn daarenboven ook niet verifieerbaar omdat men ze niet te pakken krijgt om ze te bestuderen. Zoals je kan zien op nevenstaande foto is het niet evident om patronen te extrapoleren omdat er al verschillen zijn op de omtrek van de stam, laat staan dat verschillende bomen identieke patronen zouden genereren tijdens gelijke periodes. Daarom is controle door onafhankelijke wetenschappers geen overbodige luxe om zekerheid te hebben over de feiten.

Datering met behulp van radioactief verval

Basisprincipe

De volgende meetmethodes die we zullen bespreken zijn gebaseerd op een fysisch proces, namelijk het 'radioactief verval' [133] van chemische elementen. Chemische elementen of atomen zijn de kleinste deeltjes van de stoffen om ons heen, die op zichzelf kunnen bestaan. Een atoom bestaat uit een kern met elektronen die erom heen cirkelen. Het atoom wordt samengehouden door een combinatie van 4 elementaire krachten. Eén daarvan is de elektromechanische kracht. Die werkt tussen de negatieve lading van de elektronen en de positieve lading van de protonen in de kern.
Daar in zwaardere atomen in de kern meerdere protonen zijn, moeten deze samengehouden worden door andere krachten. Deze komen onder andere tot stand door de neutronen die dan deel maken van de kern.
Het atoomnummer dat je in de Tabel van Mendeljev  vindt, geeft het aantal protonen in de kern aan. (Een ongeladen atoom heeft ook evenveel elektronen.) Maar in de kern kan je verschillende aantallen neutronen vinden. Atomen met een zelfde aantal protonen, maar met een verschillend aantal neutronen zijn isotopen van hetzelfde element.

De getallen waarmee de verschillende isotopen worden onderscheiden slaan op het atoomgewicht, op het aantal deeltjes in de kern. Koolstof-12 heeft zes protonen en zes neutronen in zijn kern, koolstof-13 zes protonen en zeven neutronen en koolstof-14 zes protonen en acht neutronen.

Afhankelijk van het aantal neutronen is een atoom wel of niet stabiel. Een onstabiel atoom zal na een bepaalde tijd een deeltje uit de kern afstoten om stabiel te kunnen worden. Dit noemt men radioactief verval . omdat het element meestal 'vervalt' naar een element lager in de reeks van Mendeljev,
Het deeltje dat wordt afgestoten is het elementaire deel van de radioactiviteit. die met dit radioactief verval samenhangt.
Het bruikbare van dit fysisch proces was dat dit radioactief verval geacht werd om 'regelmatig' en stabiel te zijn.

 

Begin 2001 heeft men echter ontdekt dat deze tijden afhankelijk zijn van de chemische toestand. info

In 2010 merkte men een verband met de cycli van de zon. info [134]

 

Voor de meest voorkomende chemische toestand heeft men van (bijna) alle isotopen de exacte halfwaarde tijden opgetekend. De halfwaarde tijd is de tijd waarin de helft van de isotopen vervallen is. Deze tijden kunnen van element tot element erg varieren:

 

Radioactieve Stof

Halfwaardetijd

87Rubidium

50.000.000.000 jaren

235Uranium

710.000.000 jaren

14Koolstof

5730 jaren

90Strontium

30 jaren

60Cobalt

5.26 jaren

131Jodium

8 dagen

214Bismuth

19.7 minuten

6Helium

806.7 msec

 

Koolstof, de bouwsteen van het leven heeft enkele zeer interessante isotopen:

 

Isotoop

Halfwaardetijd

Voorkomen

12C

stabiel

98.90 %

13C

stabiel

1.10 %

14C

halfwaarde tijd 5730 jaar

< 0,001%

Klik hier voor een uitgebreide Isotopen info .

De meetmethode

Indien men nu weet hoe snel een bepaald chemisch element vervalt, en in welke verhouding dit element oorspronkelijk voorkwam, kan men door de huidige verhouding van dit element in een lichaam te meten, de ouderdom van dat lichaam berekenen [135].

Deze meetmethode houdt een aantal veronderstellingen in. Meestal zijn dit de volgende:

  1. Het proces waarop men steunt moet gedurende de geschiedenis steeds gelijk verlopen zijn.
  2. Dit proces moet steeds in een gesloten systeem verlopen zijn: er mogen geen invloeden van buiten af betrokken zijn geweest.
  3. De beginwaarden van het proces in dit gesloten systeem moeten gekend zijn.
  4. Verder mag het proces in kwestie geen lokaal evenement zijn. Het moet gaan om een wereldwijd proces dat overal ter wereld een gelijk resultaat geeft.
  5. Het proces moet ook nu nog gekend zijn, zodat het kan herhaald worden om de metingen te ijken.

 

Radioactief verval [136]is inderdaad een proces dat overal ter wereld (redelijk) gelijk verloopt en dat in labo-omgeving zonder veel problemen herhaald kan worden om in de nodige ijking te voorzien.

Waar men aanvankelijk dacht dat punt 4 en 5 geen probleem vormden, is dit stilaan aan het veranderen. Radioactief verval varieert onder druk, temperatuur en onder een nog niet gekend fenomeen dat samenhangt met de rotatie van de zon en de afstand tot de zon. De waargenomen fluctuaties zijn zeer miniem maar zijn op zijn minst lineair gekoppeld met de oorzaak. Catastrofale omstandigheden hebben daarom mogelijk een wezenlijke invloed op de vervaltijd - dit moet nog verder onderzocht worden.

Maar de eerste drie punten zijn nog minder evident. Er bestaan helemaal geen absoluut gesloten systemen, de beginwaarden zijn nooit 100% gekend en niemand heeft de mogelijkheid om te controleren of de processen inderdaad reeds de hele geschiedenis gelijk verlopen zijn, alhoewel dit een zaak is waaraan men in de meeste gevallen het minst moet aan twijfelen.

Koolstof 14 methode

Koolstof is een element dat een centrale rol speelt in het leven op aarde. Natuurlijk koolstof bestaat uit een mengsel van de isotopen koolstof-12 (98,89%), koolstof-13 (1,11%) en een heel klein beetje (minder dan 0,001%) koolstof-14. De eerste twee zijn stabiel, de laatste isotoop is radioactief. Koolstof-14 zendt betastraling uit en heeft een halveringstijd van bijna 6000 jaar.

Hoe goed zijn de beginvoorwaarden bekend? Men blijkt in de wetenschappelijke wereld de verhouding van de koolstofisotopen voor allerhande zaken te gebruiken. Daarenboven gaat men uit van een aarde die miljoenen jaren oud is.

 

Initiële staat bekend? (deel 1)

Indien de aarde al miljarden jaren bestaat en we nu toch nog koolstof-14 aantreffen, moet dat betekenen dat er in de natuur koolstof-14 wordt bijgemaakt. En dat is ook zo. Het wordt continu gevormd in de atmosfeer. Zwervende neutronen, voornamelijk afkomstig van de zon, die in de bovenste luchtlagen een stikstofatoom treffen, doen koolstof-14 ontstaan. Na verloop van tijd vervalt koolstof-14 weer tot stikstof-14.

14N + n ---> 14C + P en 14C + T1/2  (T1/2 = 5736 jaar)

Na de miljarden jaren evolutie is het evenwicht tussen aangroei en afname wel bereikt. Maar indien de aarde maximaal 10.000 jaar oud is, is dat evenwicht lang geen uitgemaakte zaak.
Metingen in verband met de concentratie en de aangroei van 14C geven aan dat er (nog) geen evenwicht is tussen de aanmaak en het verval van de 14C-atomen. Per m2 aarde en per seconde vervallen er 1,63 104 atomen van 14C naar 14N, de aangroei is 2,5 x 104 atomen per m2 aarde per seconde. Het evenwicht tussen de aangroei en het verval van 14C komt pas 30.000 jaar na het ontstaan van de aarde indien er in de begintoestand geen 14C-atomen voorkwamen. 1

 

Initiële staat bekend? (deel 2)

De concentratie van 14C blijkt ook te fluctueren naarmate de zonneactiviteit en het aardmagnetisme verschillen. Door deze fluctuaties wordt het bepalen van het kalenderleeftijd moeilijker, want dit betekent dat een bepaalde waarde van 14C vaker in het verleden is voorgekomen. Hierdoor wordt precieze datering onmogelijk.

Om dit op te lossen moest er een reconstructie gemaakt worden van alle 14C-gehaltes in het verleden. Als er dan een monster genomen is en daarvan moet de ouderdom bepaald worden, dan kunnen er van meerdere dieptes het 14C-gehalte bepaald worden, en zo kan een klein deel van de curve nagemaakt worden. Dat kleine stukje kan dan gepast worden in de grote mastercurve, die dezelfde fluctuaties vertoont. Dit inpassen kan vaak maar op één deel van de curve, waardoor de tijd nauwkeurig bepaald kan worden. Het namaken en inpassen van een klein stukje van de kalibratiecurve van het monster in de mastercurve heet 14C-Wiggle Match Dating.

Meer hierover vind je hier [137].


Dit impliceert meteen dat men niet zomaar de koolstofdatering kan kalibreren via de gegevens van de dendrochronologie en ook niet omgekeerd!

 

Initiële staat bekend? (deel 3)

Daar verschillende isotopen van een bepaald element geacht worden gelijk te reageren in chemische reacties, verwacht men dat ze ook in evenredige hoeveelheden worden opgenomen in levende organismen.

Maar dit is niet waar!
Bij het onderzoek van de eetgewoontes van de zalm maakt men gebruik van het feit(!?) dat afhankelijk van de biotoop waarin de vis vertoeft (zee of zoet water) er zeker een verschil is in de opname van de verschillende isotopen van koolstof en stikstof door middel van het voedsel (EOS Mei 2001 p 74)
De verklaring hiervan ligt in het feit dat het water in de rivieren deel heeft, of heeft gehad, aan de erosie van het land. Indien er in dat land kalksteen aanwezig was, heeft het water de kans gehad om koolstof uit die kalksteen op te nemen. Omdat de koolstof reeds een lange tijd in de kalksteen gevangen zit, is er al een groot deel van de 14C vervallen tot 14N en is de verhouding 14C - 12C helemaal niet wat men zou mogen verwachten. Uitgedrukt in dateringsverschillen kan die onbalans meer dan 1600 jaar zijn!
In het Engels spreekt men van Reservoir effects [138] .

Initiële staat bekend? (deel 4)

John Prather maakte gebruik om via de verhoudingen van isotopen na te gaan welke voedingsgewoonten vogels hebben om hun trek voor te bereiden.
Canadezen gebruiken deze eigenschap om het dieet van roofdieren te bestuderen.

Initiële staat bekend? (deel 5)

Een Amerikaanse firma, die gespecialiseerd is in het analyseren van isotopen adverteert met het feit C, N, S en H isotopen kunnen gebruikt worden om de migratie en de eetgewoonten van vogels te checken
Ze schrijven het volgende:

    "The period in the life of the animal to which the isotope signatures relate is dependent upon the turnover rate of the tissue studied. The isotope signatures of feather, hair and nail reflect the diet at the time they were synthesised. Where as muscle tissue reflects the dietary intake over previous weeks, and bone collagen the diet over the lifetime of the animal."

Met andere woorden: afhankelijk van het weefsel waar het staal is genomen, vindt men verschillende isotopenverhoudingen. Waarschijnlijk zijn de verhoudingen zeer nauw aan mekaar gerelateerd, maar ze verschillen in elk geval.

Initiële staat bekend? (deel 6)

Door de verhouding van de isotopen in de veren te meten kan men de broedplaats van de vogels localiseren. Dit is gebaseerd op het verschil in de verhoudingen van de verschillende isotopen op verschillende plaatsen.

Initiële staat bekend? (deel 7)

Weer anderen gebruiken O en C isotopen om de temperatuur en het zoutgehalte van (zee)water te bepalen .

Initiële staat bekend? (deel 8)

En nog anderen lezen uit de verhouding tussen waterstof en deuterium isotopen in planten de hoeveelheid gevallen regen af!

Initiële staat bekend? (deel 9)

De zachte weefsels van algen en bacteriën die in de oceanen leven hebben een voorkeur voor 12C tegenover 13C:
Snowball Earth [139] SCIENTIFIC AMERICAN Januari 2000 pag 7

Initiële staat bekend? (deel 10)

Het is verder ook bekend dat de opname van 14C niet gelijk is aan de hoeveelheid die in de atmosfeer aanwezig is. Ze kan variëren van 50 tot 100%, wat neer komt op dateringsverschillen van 5700 jaar!

Problemen bij de meting zelf

Het opsporen van minuscule hoeveelheden 14C is niet vanzelfsprekend. De benodigde apparatuur is zeer gesofisticeerd, maar heeft toch limieten vanwege de kleine hoeveelheden 14C die men moet opsporen. In 1989 lag die limiet op 70.000 ' koolstofjaren'.
Waar men vroeger de emissie van betadeeltjes ging tellen om zo de verhouding 14C -> 12C te kennen, meet men nu het exacte aantal deeltjes van elke soort in een accelerator mass spectrometer. Op deze manier komt men tot een veel zekerder resultaat.
Maar... Het staal mag onder geen enkele voorwaarde verontreinigd zijn. Dit kan gebeuren door het staal te manipuleren, vast te nemen en dergelijke. Indien men dus een voorwerp wil laten onderzoeken, moet men het met de uiterste zorgvuldigheid behandelen vanaf het moment dat men het in zijn originele omgeving vindt!

Besluit

Deze gegevens tonen ons de fundamentele problemen in de theorie achter de 14C-dateringsmethode:

  • De beginvoorwaarden zijn afhankelijk van het organisme en de biotoop waarin het leefde en zijn dus NIET gekend!.
  • Men is niet zeker of er al een evenwicht is tussen de aanmaak en het verval van 14C.
  • De verhouding 14C -> 12C is niet genoeg bekend doorheen de geschiedenis.
  • De verhouding 14C -> 12C verschilt van plaats tot plaats!

To top

Referenties

  1. geschiedenis en problemen van koolstofdatering
  2. Het Duitse boek "C14-Crash" (Christian Blöss & Hans-Ulrich Niemitz 1997)