Kohlenstoffkreislauf

Wie funktioniert die C-14-Methode?

Mit der 14C-Methode, auch Radiokohlenstoffdatierung genannt, können Archäologen das Alter von Funden bestimmen. Sie beruht auf dem Zerfall eines bestimmten Kohlenstoffisotops, das in den oberen Schichten der Atmosphäre entsteht und später von allen Lebewesen auf der Erde aufgenommen wird.

Der Chemiker Willard Frank Libby entwickelte die Radiokohlenstoffdatierung während des Zweiten Weltkriegs, als er die Effekte der sogenannten kosmischen Strahlung erforschte. Diese Strahlung aus dem All, die fortwährend auf die Erde trifft, enthält hochenergetische Neutronen, die in der oberen Atmosphäre auf Stickstoff treffen. Der Kern dieser Stickstoffatome besteht aus sieben Neutronen sowie sieben Protonen  – und wird auch als 14N bezeichnet, wobei N das Elementsymbol für Stickstoff ist und 14 für die Gesamtzahl der Kernbausteine steht.

Die Grafik zeigt die Entstehung des radioaktiven Kohlenstoffs in der oberen Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung auf Stickstoff trifft. Darunter sind symbolisch Pflanzen und Tiere gezeigt, die den Kohlenstoff aufnehmen, sowie Knochen und Pflanzenreste unter der Erde, bei denen der Kohlenstoffgehalt durch den radioaktiven Zerfall abnimmt.
Verteilung ¹⁴C

Reagiert 14N mit den Neutronen aus der kosmischen Strahlung, verliert es ein Proton und es entsteht das Kohlenstoffisotop 14C mit sechs Protonen sowie acht Neutronen. 14C ist radioaktiv, unter Aussendung von Betastrahlung zerfällt es wieder zu Stickstoff, indem sich eines der Neutronen im Kern in ein Proton umwandelt und dabei ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino abgibt. Die Halbwertszeit des Kohlenstoffisotops 14C beträgt 5730 Jahre. Andere Kohlenstoffisotope sind 12C, das ebenfalls sechs Protonen, aber nur sechs Neutronen besitzt, sowie 13C mit sieben Neutronen. Beide sind nicht radioaktiv.

Die Konzentration von 14C in der Atmosphäre ist sehr gering, das Verhältnis zu den stabilen Kohlenstoffisotopen beträgt ungefähr eins zu einer Billion. Dennoch ist 14C wie alle anderen Arten des Kohlenstoffs auf der Erde nachweisbar: Pflanzen nutzen es in Form von CO2 für die Fotosynthese, Tiere und Menschen nehmen es über die Nahrungskette auf. Gleichzeitig entweicht Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre, wenn Lebewesen atmen, Mikroorganismen Abfallprodukte zersetzen oder Gas aus den Meeren freigesetzt wird.

Libby erkannte, dass sich über diesen Kreislauf das Alter von konservierten Pflanzenresten oder Knochen bestimmen lässt: Stirbt ein Organismus, nimmt er kein neues 14C mehr auf, stattdessen sinkt die Zahl der Atome durch den radioaktiven Zerfall. Über die Halbwertszeit kann man dann zurückrechnen, wann der Stoffwechsel aussetzte. Das ist bis zu einem Alter von 50 000 bis 60 000 Jahren möglich, bei älteren Funden sind schon so viele Atome zerfallen, dass der 14C-Gehalt nicht mehr zuverlässig nachweisbar ist.

Einflüsse auf die 14C-Konzentration

Libby erhielt für seine Methode 1960 den Chemienobelpreis. Einen Haken hat die Datierung über 14C jedoch: Die Konzentration des Isotops in der Atmosphäre ist nicht immer gleich. Sie hängt von zwei Faktoren ab: der Stärke der kosmischen Strahlung und Änderungen im Kohlenstoffkreislauf. Ein Teil der kosmischen Strahlung besteht aus Teilchen, die von der Sonne auf die Erde gelangen. Da die Sonnenaktivität zyklisch zu- und abnimmt, variiert damit auch die Intensität der Strahlung. Schwankungen des Erdmagnetfelds bestimmen außerdem, wie viele Neutronen bis in die obere Atmosphäre vorstoßen.

Der Kohlenstoffkreislauf dagegen verändert sich vor allem mit dem Klima. Die letzte Eiszeit etwa beeinflusste die gesamte Flora und Fauna in Europa: Große Landflächen waren unter Gletschern begraben, Steppengebiete breiteten sich aus, Wälder gingen zurück. Heftige Vulkanausbrüche können ebenfalls das Verhältnis der Kohlenstoffisotope beeinflussen. Einen immer stärkeren Einfluss hat zudem der Mensch, der seit der Industrialisierung erhebliche Mengen an fossilen Kraftstoffen verbrennt. Ähnlich wie die Vulkanasche aus tiefen Schichten der Erde enthält das CO2 aus industriellen Prozessen nur wenig 14C, da Öl und Kohle über Millionen von Jahren entstehen. Ihre Verbrennung senkt den 14C-Gehalt in der Atmosphäre. Das Phänomen heißt Suess-Effekt, benannt nach seinem Entdecker Hans Suess.

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts überlagert ein anderer Einfluss den Suess-Effekt. Durch zahlreiche Atomwaffentests, wie sie vor allem die USA und die Sowjetunion in den 1950er-Jahren durchführten, entstanden ungewöhnlich viele freie Neutronen in den oberen Luftschichten. Die Folge: Der 14C-Gehalt verdoppelte sich vorübergehend beinahe. Mittlerweile ist die Konzentration in der Atmosphäre wieder deutlich zurückgegangen, nachdem sich das zusätzliche 14C über den Kohlenstoffkreislauf verteilen konnte, wo es nun langsam zerfällt. Proben aus den Jahren nach 1950 weisen daher einen charakteristisch höheren Wert an 14C auf. Die Atombombentests könnten damit zukünftigen Archäologen die Datierung schwer machen, sollten sie in 1000 oder 2000 Jahren in Vergessenheit geraten.

Kalibrierung der Messwerte

Da so viele Faktoren den 14C-Gehalt beeinflussen, müssen die Messungen mit anderen Methoden kalibriert werden. Dazu eignet sich zum Beispiel die sogenannte Dendrochronologie. Jahresringe von Bäumen sind unterschiedlich dick, da das Wachstum vom Klima und anderen Bedingungen abhängt. Vergleichen Wissenschaftler Ringe aus verschiedenen Zeiten und Klimazonen mit dem 14C-Gehalt im Holz, ergeben sich daraus Kalibrierungskurven, die sich auch auf andere 14C-Proben anwenden lassen. Mithilfe besonders alter Bäume oder im Moor versunkener Stämme können sie so bis 12 000 Jahre zurückrechnen. Um ältere Funde abzugleichen, ist die Uran-Thorium-Methode hilfreich. Der Zerfall der radioaktiven Elemente in versteinerten Korallen ergibt eine Zeittafel von bis zu 24 000 Jahren. An die Grenzen der 14C-Methode, also ein Alter von knapp 60 000 Jahren, reichen Zerfallskurven von Spuren heran, die aus grönländischen Eisbohrkernen oder Ablagerungen in prähistorischen Höhlen stammen.

Diagramm, das Radiokarbonalter ist aufgetragen gegen das Kalenderalter. Die Werte für das Radiokarbonalter liegen zwischen null und 10.000 Jahren, das Kalenderalter bildet einen Zeitraum von 10.000 vor Christus bis in die Gegenwart ab. Die Kurve, die sich daraus ergibt, verläuft nicht linear, sondern zeigt viele kleine, unregelmäßige Schwankungen. In einem vergrößerten Ausschnitt sieht man den ungewöhnlich flachen Verlauf für die vergangenen 400 Jahre.
¹⁴C-Kalibrationskurve

Eine wichtige Voraussetzung für die Messung ist, dass an der Probe keine fremden Partikel haften, die das Alter verfälschen. Dabei kommt es nicht nur auf sauberes Arbeiten der Forscher an, bereits im Erdboden kann aufsteigendes Grundwasser Ablagerungen auf Holz oder Knochen hinterlassen. Deshalb werden die Proben in jedem 14C-Labor vorher chemisch gereinigt. Am Ende bleibt eine Messungenauigkeit von etwa vierzig Jahren, die auf statistischen Schwankungen und Ungenauigkeiten der Instrumente beruht. Steht genug Probenmaterial zur Verfügung, kann länger gemessen werden, wodurch zumindest der statistische Fehler kleiner ausfällt.

Doch selbst wenn die Messung genau ist, haben Wissenschaftler manchmal Probleme damit, das tatsächliche Alter zu ermitteln. Denn die Kalibrierungskurven bilden an einigen Stellen Plateaus, die längere Zeitabschnitte darstellen, in denen der 14C-Gehalt von Funden kaum variiert. Eine solche Phase gab es zuletzt zwischen 1650 und 1950, trotz des einsetzenden Suess-Effekts. Deshalb lässt sich die 14C-Methode bei Proben aus dieser Zeitspanne nicht zuverlässig anwenden.

Methoden und Geräte

Wie nun aber bestimmt man den Gehalt des Isotops 14C in organischem Material? Klassische Instrumente dafür sind Zählrohre, zu denen auch der Geigerzähler gehört. Sie registrieren den Zerfall der verbleibenden 14C-Kerne anhand der ausgesandten Betateilchen, die mit einem Edelgas im Rohr reagieren. Für dieses Verfahren benötigt man eine Probe von einigen Hundert Milligramm.

Eine weitere Zählmethode funktioniert mit Szintillationsflüssigkeit. Dazu wird der Kohlenstoff in Benzol umgewandelt und in ein organisches Lösungsmittel gegeben. Die Chemikalien in der Flüssigkeit werden von Elektronen ionisiert, die beim Zerfall der 14C-Atomkerne entstehen, und reagieren darauf mit der Aussendung eines Photons, also mit einem Leuchten. Mit dieser Technik lassen sich mehrere Proben sehr rasch hintereinander untersuchen.

Die dritte Methode – die Beschleunigermassenspektrometrie oder kurz AMS für den englischen Begriff „Accelerator Mass Spectrometry“ – ist sehr aufwendig, erfordert jedoch nur eine Probe von wenigen Milligramm. Die AMS zählt nicht die 14C-Zerfallsereignisse sondern die Atome selbst. Dazu wird der gesamte Kohlenstoff aus einer Probe zu Graphit umgewandelt und mit Cäsiumionen beschossen, um geladene Kohlenstoffionen zu erzeugen. Da die einzelnen Isotope und damit auch ihre Ionen unterschiedliche Massen haben, können in einem Beschleuniger die Ionen des 14C-Isotops abgetrennt werden. Auf diese Weise können Wissenschaftler sogar das Alter sehr kleiner Proben wie Pollenspuren bestimmen. Auch das Grabtuch von Turin wurde so bereits analysiert, ohne dass größere Faserstücke daraus entfernt werden mussten.

Forscher der Texas A&M University arbeiten mittlerweile an einer Möglichkeit, die Probenentnahme ganz zu vermeiden. Sie versenken das gesamte Objekt in einer Plasmakammer und lassen dessen Oberfläche oxidieren. Dabei entsteht CO2, aus dem der 14C-Gehalt bestimmt werden kann. Die Wissenschaftler verfeinern ihre Technik noch – sie soll wertvollen Objekten keinen Schaden zufügen.