Na czym polega datowanie radiowęglowe? Ta metoda zmieniła archeologię

W tym artykule:

1. Na czym polega datowanie radiowęglowe?
2. Co można datować za pomocą metody 14C?
3. Jak dokładne jest datowanie radiowęglowe?
4. Datowanie radiowęglowe w archeologii
5. Jakie są inne metody datowania zabytków?

Nie ulega wątpliwości, że węgiel to jeden z najważniejszych pierwiastków chemicznych. Znajduje się we wszystkich znanych nam organizmach żywych. Wystarczy powiedzieć, że stanowi aż 18,5 proc. masy ciała człowieka, czyli zajmuje drugie miejsce, tuż po tlenie.

Pojedynczy atom węgla ma zdolność tworzenia wiązań chemicznych, nie tylko z innymi atomami węgla, ale także z atomami pozostałych pierwiastków. Oznacza to, że może dać nieskończoną liczbę związków chemicznych. Większość występujących naturalnie izotopów węgla ma stabilną strukturę. Wyjątkiem jest węgiel ¹⁴C, który dla naukowców jest czymś w rodzaju klucza otwierającego wrota przeszłości.

Na czym polega datowanie radiowęglowe?

W przyrodzie naturalnie występują trzy rodzaje izotopów węgla: ¹²C, ¹³C i ¹⁴C. Pierwszy z wymienionych, zawierający sześć protonów i sześć neutronów w jądrze, stanowi prawie 99 proc. wszystkich atomów. Węgiel ¹³C ma sześć protonów i siedem neutronów. Stanowi ok. 1 proc. wszystkich atomów.

Twardszy niż diament, elastyczny jak guma. Odkryto nową formę węgla

Skompresowany szklisty węgiel – tak nazywa się substancja uzyskana przez badaczy z Chin i USA. Jej niezwykłe właściwości sprawiają, że może znaleźć zastosowanie w elektronice i kamizel...

Węgiel ¹⁴C powstaje w wyższych warstwach atmosfery, gdzie azot jest „bombardowany” promieniowaniem kosmicznym. W formie dwutlenku węgla rozchodzi się po całej atmosferze. Następnie za sprawą roślin (dzięki zachodzącemu procesowi fotosyntezy) zaczyna uczestniczyć w organicznym obiegu węgla w naturze. W organizmach żywych występuje w śladowych ilościach (ok. 0,000000000001 proc.).

¹⁴C jest izotopem beta promieniotwórczym. Co to oznacza w praktyce? Po śmierci danego organizmu, poziom węgla ¹²C i ¹³C nie ulega zmianie. Nie dotyczy to jednak węgla ¹⁴C. Zastosowanie ma tutaj prawo rozpadu promieniotwórczego. W ciągu 5740 lat (tyle w przybliżeniu wynosi okres połowicznego rozpadu węgla ¹⁴C), jego zawartość maleje o połowę. Gdy roślina lub zwierzę kończy życie, proces wymiany węgla ze środowiskiem ustaje. Zawarty w martwym organizmie węgiel ¹⁴C zaczyna wracać do swojej pierwotnej postaci, czyli zmienia się w azot. Ta właściwość izotopu otwiera przed naukowcami ogromne możliwości.

Żeby móc wyznaczyć wiek badanej próbki, należy określić, kiedy nastąpiło pobranie węgla z atmosfery do fotosyntezy i budowy danego organizmu. Naukowcy muszą więc poznać proporcje pomiędzy zawartością węgla ¹⁴C a zawartością węgla ¹²C i ¹³C i określić, jak dawno temu proporcje izotopów w danej próbce były równe proporcji atmosferycznej. Aby określić datę kalendarzową próbki, stosuje się tzw. krzywe kalibracji, które bazują na porównaniu wielu wyników datowania radiowęglowego z wynikami innych metod określania wieku materiałów.

Co można datować za pomocą metody 14C?

Metoda datowania radiowęglowego pozwala na określenie wieku próbek materiałów organicznych, czyli pochodzenia biologicznego. W praktyce oznacza to, że z pomocą tej techniki możliwe jest określenie wieku nie tylko drewna, węgla drzewnego, płytek roślin czy ziaren, ale także m.in. kości, muszli, skóry, rogów, poroża, koprolitów i śladów krwi. W skrócie, jeżeli badana jest próbka organiczna lub wykonana z materiałów pochodzenia organicznego, możliwe jest ustalenie jej wieku przy pomocy metody datowania radiowęglowego.

Trzeba jednak podkreślić, że niektóre materiały stwarzają więcej trudności w badaniu niż inne. Szczątki roślinne doskonale nadają się do datowania metodą radiowęglową, bo wykazują względnie dużą odporność na zanieczyszczenia. W przypadku kości, badaniom najczęściej podlegają próbki kolagenu, który jest dość trwałą substancją i nie wymienia węgla z otoczeniem w czasie, gdy kość znajduje się pod ziemią. Muszle nadają się do datowania radiowęglowego w nieco mniejszym stopniu. Wynika to z dużej różnorodności źródeł węgla, z których czerpią mięczaki.

Warto podkreślić, że metoda ta ma zastosowanie w przypadku próbek, których maksymalny wiek to 58–62 tys. lat. Wynika to z faktu, że zawartość ¹⁴C w starszych materiałach jest na tyle mała, że pomiar byłby obarczony zbyt dużym błędem. Skoro o tym mowa, jaka jest dokładność datowania radiowęglowego?

Jak dokładne jest datowanie radiowęglowe?

Datowanie radiowęglowe nie jest idealną metodą badawczą. Przemawia za tym kilka przyczyn. Po pierwsze, wymaga niezwykle dokładnej kalibracji. Po drugie, istnieje wiele czynników, które mogą wprowadzić błąd do finalnego oznaczenia. W tym miejscu należy wskazać przede wszystkim na:

Badacze rozwiązali zagadkę pierwszych gór na Ziemi. Kiedy i jak powstały?

Naukowcy z Uniwersytetu w Aberdeen wiedzą, jak powstały góry na Ziemi. Ich zdaniem kluczową rolę w tym procesie odegrał plankton, czyli drobne organizmy morskie.

• zmienną aktywność Słońca na przestrzeni wieków (to właśnie to zjawisko decyduje o ilości izotopu ¹⁴C w atmosferze),
• pozaziemskie zdarzenia wysokoenergetyczne (m.in. rozbłyski gamma, zdarzenia protonowe Słońca czy wybuchy supernowych),
• bliskość pożarów względem stanowiska, z którego pozyskany został obiekt badań,
• próby nuklearne, które były przeprowadzane w ostatnim stuleciu.

Poza tym należy wspomnieć, że niepewności pomiarowe aktywności promieniotwórczej (która w tym przypadku jest fizyczną wielkością mierzoną) mają przełożenie na coraz szersze przedziały wiekowe w miarę postępu wieku badanych obiektów. Oznacza to, że datowanie radiowęglowe jest dość precyzyjniejsze w przypadku oznaczania wieku młodych (w kontekście archeologicznym) przedmiotów. W przypadku bardzo starych obiektów, niepewność oznaczenia wieku jest większa.

Jak duża jest niepewność pomiarowa w przypadku datowania radiowęglowego? W najlepszym przypadku wynosi ok. 20–30 lat. Niewiele? Tylko pozornie. Jeżeli badanie ma na celu np. wyznaczenie daty ważnego historycznie zdarzenia, taki błąd ma ogromne znaczenie.

Wróćmy do kwestii kalibracji. Krzywe kalibracyjne dla obu półkul, na podstawie których wykonywane jest datowanie radiowęglowe materiałów organicznych sprzed czasów współczesnych, opierają się na założeniu, że stężenie węgla ¹⁴C w atmosferze jest podobne w każdym obszarze na danej półkuli. Ta metoda nie jest jednak doskonała. W 2018 roku udowodniono, że niedokładności w cyklu radiowęglowym mają istotny wpływ na uznane standardy badań archeologicznych i historycznych.

Zespół naukowców pod przewodnictwem Sturta Manninga zbadał próbki drzew z południowej Jordanii. Seria pomiarów poziomu węgla ¹⁴C w pierścieniach ujawniła, że metoda badawcza z wykorzystaniem standardowej krzywej kalibracji dla półkuli północnej daje średnie odchylenie na poziomie 19 lat.

Datowanie radiowęglowe w archeologii

Ze względu na możliwości praktycznego zastosowania datowania radiowęglowego, ta metoda badawcza ma szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak choćby geologia czy kryminologia. Największą przydatność wykazuje jednak w archeologii.

Ta technika jest standardową metodą datowania w archeologii od lat 50. XX wieku. W tym przypadku, metoda izotopowa ¹⁴C jest kluczowa w procesie otrzymywania datowań bezwzględnych, nie tylko w sensie bezpośrednim, ale także na podstawie zależności występujących między badanymi obiektami. Dla przykładu, metalowe przedmioty, które nie mogą być datowane metodą ¹⁴C, często są odnajdywane obok innych obiektów, umożliwiających przeprowadzenie takiego badania. Przy założeniu, że pochodzą z tego samego okresu, możliwe staje się określenie ich wieku.

Jakie są inne metody datowania zabytków?

Datowanie radiowęglowe nie jest jedyną metodą określania wieku obiektów zabytkowych. Nauka ma do dyspozycji wiele innych możliwości. W tym miejscu należy wskazać na metody takie jak stratygraficzna, typologiczna, porównawcza, numizmatyczna, seriacja chronologiczna, datowanie lingwistyczne, faunistyczne i pyłkowe. Każda z tych technik zaliczana jest jednak nie do metod datowania bezwzględnego, a względnego (relatywnego). Oznacza to, że z ich pomocą można określić jedynie chronologię starszeństwa źródła – stwierdzić, który obiekt jest młodszy, a który starszy.

Stanowisko archeologiczne – czym jest i jak je znaleźć?

Archeologia odkrywa przed nami tajemnice, które przeszłość pogrzebała głęboko w ziemi. Co dokładnie kryje się pod pojęciem "stanowisko archeologiczne"? Na to i inne pytania odpowiadamy po...

Należy podkreślić, że samo pojęcie datowania izotopowego nie dotyczy wyłącznie techniki radiowęglowej. To cała grupa metod badawczych, które do oceny wieku materiału wykorzystują zjawisko radiacji. W tym miejscu należy wskazać na następujące techniki:

• metoda uranowo-torowa,
• metoda ołowiowa,
• metoda potasowo-argonowa,
• metoda rubidowo-strontowa,
• metoda renowo-osmowa.

Poszczególne techniki charakteryzują się innym zakresem zastosowań. Przykładowo, datowanie uranowo-torowe jest właściwe dla badania osadów i korali. Datowanie potasowo-argonowe wykazuje największą przydatność w badaniu aktywności wulkanicznej. Datowanie rubinowo-strontowe jest używane w badaniach materiału skalnego.

Warto wspomnieć, że istnieją też metody izotopowego datowania wody. Zaliczają się do nich techniki: trytowa, jodowa, chlorowa, trytowo-helowa, helowa (alfa) i radonowa, a istnieją też metody z wykorzystaniem gazów szlachetnych Kr i Ar.

Zależnie od źródła pozyskania próbki lub materiału, z którego dany przedmiot został wykonany, technik datowania jest więcej. W ramach ciekawostki należy wspomnieć, że w datowaniu zabytków coraz częściej zastosowanie znajduje sztuczna inteligencja.

Nasz ekspert

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.