Radiokarbonmethode

Die Radiokohlenstoffdatierung (auch Kohlenstoffdatierung oder Kohlenstoff-14-Datierung genannt) ist eine Methode zur Bestimmung des Alters eines Objekts, das organisches Material enthält, unter Verwendung der Eigenschaften von Radiokohlenstoff, einem radioaktiven Isotop von Kohlenstoff. ⓘ

Die Methode wurde in den späten 1940er Jahren an der Universität von Chicago von Willard Libby entwickelt. Sie basiert auf der Tatsache, dass Radiokohlenstoff (¹⁴
C) in der Erdatmosphäre durch die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit atmosphärischem Stickstoff ständig neu gebildet wird. Das entstehende ¹⁴
C verbindet sich mit Luftsauerstoff zu radioaktivem Kohlendioxid, das von Pflanzen durch Photosynthese aufgenommen wird; Tiere nehmen dann ¹⁴
C, indem sie die Pflanzen fressen. Wenn das Tier oder die Pflanze stirbt, hört sie auf, Kohlenstoff mit ihrer Umgebung auszutauschen, und danach nimmt die Menge an ¹⁴
C, die sie enthält, ab, da das ¹⁴
C einem radioaktiven Zerfall unterliegt. Die Messung der Menge an ¹⁴
C in einer Probe einer toten Pflanze oder eines toten Tieres, z. B. in einem Stück Holz oder einem Knochenfragment, liefert Informationen, die zur Berechnung des Todeszeitpunkts des Tieres oder der Pflanze verwendet werden können. Je älter eine Probe ist, desto weniger ¹⁴
C nachgewiesen werden, und da die Halbwertszeit von ¹⁴
C (die Zeitspanne, nach der die Hälfte einer bestimmten Probe zerfallen ist) etwa 5.730 Jahre beträgt, liegen die ältesten Daten, die mit diesem Verfahren zuverlässig gemessen werden können, etwa 50.000 Jahre zurück, obwohl spezielle Aufbereitungsmethoden gelegentlich eine genaue Analyse älterer Proben ermöglichen. Libby erhielt für seine Arbeit 1960 den Nobelpreis für Chemie. ⓘ

Seit den 1960er Jahren wird erforscht, wie hoch der Anteil von ¹⁴
C in der Atmosphäre in den letzten fünfzigtausend Jahren. Die daraus resultierenden Daten in Form einer Kalibrierungskurve werden heute verwendet, um eine bestimmte Messung des Radiokohlenstoffs in einer Probe in eine Schätzung des kalendarischen Alters der Probe umzuwandeln. Weitere Korrekturen müssen vorgenommen werden, um den Anteil von ¹⁴
C in verschiedenen Arten von Organismen (Fraktionierung) und die unterschiedlichen Mengen von ¹⁴
C in der gesamten Biosphäre (Speichereffekte). Zusätzliche Komplikationen ergeben sich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle und Öl sowie aus den oberirdischen Atomtests in den 1950er und 1960er Jahren. Da die Umwandlung von biologischem Material in fossile Brennstoffe wesentlich mehr Zeit in Anspruch nimmt als der Zerfall des ¹⁴
C unter nachweisbare Werte zerfällt, enthalten fossile Brennstoffe fast kein ¹⁴
C. Infolgedessen kam es ab dem späten 19. Jahrhundert zu einem deutlichen Rückgang des Anteils von ¹⁴
C, als sich das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehende Kohlendioxid in der Atmosphäre anreicherte. Umgekehrt stieg mit den Atomtests die Menge an ¹⁴
C in der Atmosphäre, die etwa 1965 einen Höchstwert erreichte, der fast doppelt so hoch war wie die Menge, die vor den Atomtests in der Atmosphäre vorhanden war. ⓘ

Die Messung des Radiokohlenstoffs erfolgte ursprünglich mit Hilfe von Betazählern, die die Menge der Betastrahlung zählten, die von den zerfallenden ¹⁴
C-Atome in einer Probe. In jüngerer Zeit hat sich die Beschleuniger-Massenspektrometrie als Methode der Wahl durchgesetzt; sie zählt alle ¹⁴
C-Atome in der Probe und nicht nur die wenigen, die während der Messungen zerfallen; sie kann daher mit viel kleineren Proben (so klein wie einzelne Pflanzensamen) verwendet werden und liefert viel schneller Ergebnisse. Die Entwicklung der Radiokohlenstoffdatierung hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Archäologie gehabt. Sie ermöglicht nicht nur genauere Datierungen innerhalb archäologischer Stätten als frühere Methoden, sondern auch den Vergleich von Datierungen von Ereignissen über große Entfernungen hinweg. In der Geschichte der Archäologie wird ihr Einfluss oft als "Radiokohlenstoffrevolution" bezeichnet. Die Radiokohlenstoffdatierung hat es ermöglicht, wichtige Übergänge in der Vorgeschichte zu datieren, wie das Ende der letzten Eiszeit und den Beginn des Neolithikums und der Bronzezeit in verschiedenen Regionen. ⓘ

Die Radiokarbonmethode, auch Radiokohlenstoffdatierung, ¹⁴C, C14-Datierung oder Radiokarbondatierung bzw. Radiocarbondatierung, ist ein Verfahren zur radiometrischen Datierung kohlenstoffhaltiger, insbesondere organischer Materialien. Der zeitliche Anwendungsbereich liegt etwa zwischen vor 300 und etwa 60.000 Jahren. ⓘ

Das Verfahren beruht darauf, dass in abgestorbenen Organismen der Anteil an gebundenen radioaktiven ¹⁴C-Atomen gemäß dem Zerfallsgesetz abnimmt. Lebende Organismen sind von diesem Effekt nicht betroffen, da sie ständig neuen Kohlenstoff aus der Umwelt aufnehmen, der wieder den normalen Anteil an ¹⁴C-Atomen einbringt. Dieser „normale Anteil“ ist trotz des ständigen Zerfalls nahezu konstant, da ¹⁴C ständig in der oberen Atmosphäre neu gebildet wird. ⓘ

Entwickelt wurde die Radiokarbondatierung 1946 von Willard Frank Libby, der für diese Leistung 1960 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Die Radiokarbondatierung wird in der archäologischen Altersbestimmung, Archäobotanik und Quartärforschung angewandt. Die Beschränkung der Obergrenze im zeitlichen Anwendungsbereich folgt aus Messungenauigkeiten ab der zehnfachen Halbwertszeit und äußeren Faktoren, die auf das zu untersuchende Material Einfluss genommen haben. ⓘ

Hintergrund

Geschichte

1939 begannen Martin Kamen und Samuel Ruben vom Radiation Laboratory in Berkeley mit Experimenten, um festzustellen, ob einige der in organischer Materie vorkommenden Elemente Isotope mit ausreichend langen Halbwertszeiten besitzen, um für die biomedizinische Forschung von Nutzen zu sein. Sie synthetisierten ¹⁴
C mit Hilfe des Zyklotronbeschleunigers des Labors und entdeckten bald, dass die Halbwertszeit des Atoms viel länger war als bisher angenommen. Daraufhin sagte Serge A. Korff, der damals am Franklin Institute in Philadelphia arbeitete, voraus, dass durch die Wechselwirkung von thermischen Neutronen mit ¹⁴
N in der oberen Atmosphäre ¹⁴
C. Zuvor war man davon ausgegangen, dass ¹⁴
C eher durch die Wechselwirkung von Deuteronen mit ¹³
C. Irgendwann während des Zweiten Weltkriegs erfuhr Willard Libby, der damals in Berkeley war, von Korffs Forschungen und kam auf die Idee, dass es möglich sein könnte, Radiokohlenstoff für die Datierung zu verwenden. ⓘ

1945 wechselte Libby an die Universität von Chicago, wo er seine Arbeit zur Radiokohlenstoffdatierung begann. Er veröffentlichte 1946 eine Arbeit, in der er vorschlug, dass der Kohlenstoff in lebender Materie sowohl ¹⁴
C als auch nicht-radioaktiven Kohlenstoff enthalten könnte. Libby und mehrere Mitarbeiter führten Experimente mit Methan aus Kläranlagen in Baltimore durch und konnten nach isotopischer Anreicherung ihrer Proben nachweisen, dass diese ¹⁴
C. Im Gegensatz dazu zeigte das aus Erdöl gewonnene Methan aufgrund seines Alters keine Radiokohlenstoffaktivität. Die Ergebnisse wurden 1947 in einem Artikel in Science zusammengefasst, in dem die Autoren anmerkten, dass ihre Ergebnisse darauf schließen ließen, dass es möglich sei, Materialien mit Kohlenstoff organischen Ursprungs zu datieren. ⓘ

Libby und James Arnold testeten die Radiokarbondatierungstheorie durch die Analyse von Proben mit bekanntem Alter. So wurden beispielsweise zwei Proben aus den Gräbern der beiden ägyptischen Könige Zoser und Sneferu, die unabhängig voneinander auf 2625 v. Chr. plus oder minus 75 Jahre datiert worden waren, durch Radiokohlenstoffmessungen auf durchschnittlich 2800 v. Chr. plus oder minus 250 Jahre datiert. Diese Ergebnisse wurden im Dezember 1949 in Science veröffentlicht. Innerhalb von 11 Jahren nach ihrer Bekanntgabe wurden weltweit mehr als 20 Radiokohlenstoff-Datierungslabors eingerichtet. Im Jahr 1960 wurde Libby für diese Arbeit der Nobelpreis für Chemie verliehen. ⓘ

Physikalische und chemische Details

In der Natur kommt Kohlenstoff in drei Isotopen vor, von denen zwei stabil und nicht radioaktiv sind: Kohlenstoff-12 (¹²
C), und Kohlenstoff-13 (¹³
C), und radioaktiver Kohlenstoff-14 (¹⁴
C), auch bekannt als "Radiokohlenstoff". Die Halbwertszeit von ¹⁴
C (die Zeit, die vergeht, bis die Hälfte einer bestimmten Menge von ¹⁴
C benötigt, um zu zerfallen) beträgt etwa 5.730 Jahre, so dass man davon ausgehen kann, dass seine Konzentration in der Atmosphäre im Laufe der Jahrtausende abnimmt, aber ¹⁴
C wird jedoch ständig in der unteren Stratosphäre und der oberen Troposphäre produziert, hauptsächlich durch galaktische kosmische Strahlung und in geringerem Maße durch solare kosmische Strahlung. Diese kosmischen Strahlen erzeugen auf ihrem Weg durch die Atmosphäre Neutronen, die auf Stickstoff-14 (¹⁴
N)-Atome treffen und sie in ¹⁴
C. Die folgende Kernreaktion ist der Hauptweg, über den ¹⁴
C erzeugt wird:

n + ¹⁴
₇N
→ ¹⁴
₆C
+ p

wobei n für ein Neutron und p für ein Proton steht. ⓘ

Einmal erzeugt, verbindet sich das ¹⁴
C verbindet sich schnell mit dem Sauerstoff (O) in der Atmosphäre und bildet zunächst Kohlenmonoxid (CO) und schließlich Kohlendioxid (CO
₂).

¹⁴
C + O
₂ → ¹⁴
CO + O ⓘ

¹⁴
CO + OH → ¹⁴
CO
₂ + H

Das so entstandene Kohlendioxid diffundiert in die Atmosphäre, löst sich im Ozean und wird von den Pflanzen durch Photosynthese aufgenommen. Tiere fressen die Pflanzen, und schließlich wird der Radiokohlenstoff in der gesamten Biosphäre verteilt. Das Verhältnis von ¹⁴
C zu ¹²
C beträgt etwa 1,25 Teile ¹⁴
C zu 10¹² Teilen ¹²
C. Darüber hinaus besteht etwa 1 % der Kohlenstoffatome aus dem stabilen Isotop ¹³
C. ⓘ

Die Gleichung für den radioaktiven Zerfall von ¹⁴
C lautet:

¹⁴
₆C
→ ¹⁴
₇N
+
e-
+
ν
e

Durch die Emission eines Betateilchens (eines Elektrons, e-) und eines Elektronen-Antineutrinos (
ν
e) wandelt sich eines der Neutronen im ¹⁴
C-Kerns in ein Proton um und der ¹⁴
C-Kern verwandelt sich in das stabile (nicht radioaktive) Isotop ¹⁴
N. ⓘ

Grundsätze

Während ihres Lebens befindet sich eine Pflanze oder ein Tier im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung, indem sie Kohlenstoff entweder mit der Atmosphäre oder durch ihre Nahrung austauscht. Sie wird daher den gleichen Anteil an ¹⁴
C wie die Atmosphäre oder, im Falle von Meerestieren oder -pflanzen, wie das Meer. Sobald es stirbt, nimmt es kein ¹⁴
C, aber das ¹⁴
C in seinem biologischen Material wird jedoch weiter zerfallen, so dass der Anteil von ¹⁴
C zu ¹²
C in seinen Überresten allmählich abnimmt. Da ¹⁴
C mit einer bekannten Geschwindigkeit zerfällt, lässt sich anhand des Radiokohlenstoffanteils feststellen, wie lange es her ist, dass eine bestimmte Probe keinen Kohlenstoff mehr ausgetauscht hat - je älter die Probe, desto weniger ¹⁴
C übrig sein. ⓘ

Die Gleichung für den Zerfall eines radioaktiven Isotops lautet:

$N=N_{0}\,e^{-\lambda t}\,$

Dabei ist N₀ die Anzahl der Atome des Isotops in der ursprünglichen Probe (zum Zeitpunkt t = 0, als der Organismus, dem die Probe entnommen wurde, starb), und N ist die Anzahl der Atome, die nach der Zeit t noch vorhanden sind. λ ist eine Konstante, die von dem jeweiligen Isotop abhängt; für ein bestimmtes Isotop ist sie gleich dem Kehrwert der mittleren Lebensdauer - d. h. der durchschnittlichen oder erwarteten Zeit, die ein bestimmtes Atom überlebt, bevor es radioaktiv zerfällt. Die mittlere Lebensdauer, bezeichnet mit τ, von ¹⁴
C beträgt 8.267 Jahre, so dass die obige Gleichung wie folgt umgeschrieben werden kann:

$t=\ln(N_{0}/N)\cdot {\text{8267 years}}$

Es wird davon ausgegangen, dass die Probe ursprünglich den gleichen Wert von ¹⁴
C/¹²
Da die Größe der Probe bekannt ist, kann die Gesamtzahl der Atome in der Probe berechnet werden, woraus sich N₀ ergibt, die Anzahl der ¹⁴
C-Atome in der ursprünglichen Probe. Die Messung von N, der Anzahl der ¹⁴
C-Atome, die sich derzeit in der Probe befinden, ermöglicht die Berechnung von t, dem Alter der Probe, anhand der obigen Gleichung. ⓘ

Die Halbwertszeit eines radioaktiven Isotops (in der Regel mit t_1/2 bezeichnet) ist ein vertrauteres Konzept als die mittlere Lebensdauer, so dass, obwohl die obigen Gleichungen in Form der mittleren Lebensdauer ausgedrückt werden, es üblicher ist, den Wert der Halbwertszeit von ¹⁴
C-Halbwertszeit anzugeben als die mittlere Lebensdauer. Der derzeit akzeptierte Wert für die Halbwertszeit von ¹⁴
C beträgt 5.700 ± 30 Jahre. Das bedeutet, dass nach 5.700 Jahren nur noch die Hälfte des ursprünglichen ¹⁴
C übrig bleiben wird; ein Viertel wird nach 11.400 Jahren übrig bleiben; ein Achtel nach 17.100 Jahren usw. ⓘ

Die obigen Berechnungen gehen von mehreren Annahmen aus, z. B. dass der Gehalt an ¹⁴
C in der Atmosphäre im Laufe der Zeit konstant geblieben ist. Tatsächlich schwankt der Gehalt an ¹⁴
C in der Atmosphäre erheblich geschwankt, so dass die in der obigen Gleichung angegebenen Werte anhand von Daten aus anderen Quellen korrigiert werden müssen. Dies geschieht durch Kalibrierungskurven (siehe unten), die eine Messung von ¹⁴
C in einer Probe in ein geschätztes Kalenderalter umrechnen. Die Berechnungen umfassen mehrere Schritte und beinhalten einen Zwischenwert, das so genannte "Radiokohlenstoffalter", das das Alter der Probe in "Radiokohlenstoffjahren" angibt: Ein in Radiokohlenstoffjahren angegebenes Alter bedeutet, dass keine Kalibrierungskurve verwendet wurde - die Berechnungen für Radiokohlenstoffjahre gehen davon aus, dass sich das atmosphärische ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im Laufe der Zeit nicht verändert hat. ⓘ

Für die Berechnung des Radiokohlenstoffalters ist auch der Wert der Halbwertszeit von ¹⁴
C. In Libbys Arbeit von 1949 verwendete er einen Wert von 5720 ± 47 Jahren, der auf Forschungen von Engelkemeir et al. beruhte. Dieser Wert kam dem heutigen Wert bemerkenswert nahe, aber kurz darauf wurde der akzeptierte Wert auf 5568 ± 30 Jahre korrigiert, und dieser Wert wurde mehr als ein Jahrzehnt lang verwendet. Anfang der 1960er Jahre wurde er erneut revidiert, und zwar auf 5.730 ± 40 Jahre, was bedeutete, dass viele berechnete Daten in vor dieser Zeit veröffentlichten Arbeiten falsch waren (der Fehler bei der Halbwertszeit beträgt etwa 3 %). Um mit diesen frühen Veröffentlichungen übereinzustimmen, wurde auf der Radiokohlenstoffkonferenz 1962 in Cambridge (UK) vereinbart, die "Libby-Halbwertszeit" von 5568 Jahren zu verwenden. Radiokohlenstoffalter werden immer noch unter Verwendung dieser Halbwertszeit berechnet und sind als "konventionelles Radiokohlenstoffalter" bekannt. Da die Kalibrierungskurve (IntCal) auch die vergangene atmosphärische ¹⁴
C-Konzentration unter Verwendung dieses konventionellen Alters angibt, ergibt jedes konventionelle Alter, das anhand der IntCal-Kurve kalibriert wird, ein korrektes kalibriertes Alter. Wenn ein Datum angegeben wird, sollte sich der Leser darüber im Klaren sein, dass es sich um ein unkalibriertes Datum handelt (ein Begriff, der für Daten verwendet wird, die in Radiokohlenstoffjahren angegeben werden), das erheblich von der besten Schätzung des tatsächlichen Kalenderdatums abweichen kann, weil es den falschen Wert für die Halbwertszeit von ¹⁴
C verwendet wird, und weil keine Korrektur (Kalibrierung) für die historischen Schwankungen von ¹⁴
C in der Atmosphäre im Laufe der Zeit. ⓘ

Reservoir für den Kohlenstoffaustausch

Vereinfachte Version des Kohlenstoff-Austauschreservoirs, das die Kohlenstoffanteile und die relative Aktivität des ¹⁴
C in jedem Reservoir ⓘ

Kohlenstoff ist in der Atmosphäre, der Biosphäre und den Ozeanen verteilt; diese werden zusammen als Kohlenstoffaustauschreservoir bezeichnet, und jede Komponente wird auch einzeln als Kohlenstoffaustauschreservoir bezeichnet. Die verschiedenen Elemente des Kohlenstoffspeichers unterscheiden sich darin, wie viel Kohlenstoff sie speichern und wie lange es dauert, bis das von der kosmischen Strahlung erzeugte ¹⁴
C, das durch kosmische Strahlung erzeugt wird, sich vollständig mit ihnen vermischt. Dies beeinflusst das Verhältnis von ¹⁴
C zu ¹²
C in den verschiedenen Reservoiren und damit auch das Radiokohlenstoffalter der Proben, die aus den einzelnen Reservoiren stammen. Die Atmosphäre, in der das ¹⁴
C erzeugt wird, enthält etwa 1,9 % des gesamten Kohlenstoffs in den Reservoiren, und das ¹⁴
C vermischt sich in weniger als sieben Jahren. Das Verhältnis von ¹⁴
C zu ¹²
C in der Atmosphäre wird als Basiswert für die anderen Lagerstätten genommen: Wenn eine andere Lagerstätte einen niedrigeren Anteil an ¹⁴
C zu ¹²
C aufweist, deutet dies darauf hin, dass der Kohlenstoff älter ist und daher entweder ein Teil des ¹⁴
C abgeklungen ist oder das Reservoir Kohlenstoff aufnimmt, der nicht der atmosphärischen Basislinie entspricht. Die Meeresoberfläche ist ein Beispiel dafür: Sie enthält 2,4 % des Kohlenstoffs im Austauschreservoir, aber nur etwa 95 % so viel ¹⁴
C, wie es zu erwarten wäre, wenn das Verhältnis das gleiche wie in der Atmosphäre wäre. Die Zeit, die der Kohlenstoff aus der Atmosphäre braucht, um sich mit dem Oberflächenozean zu vermischen, beträgt nur wenige Jahre, aber die Oberflächengewässer erhalten auch Wasser aus der Tiefsee, das mehr als 90 % des Kohlenstoffs im Reservoir enthält. Das Wasser aus der Tiefsee braucht etwa 1.000 Jahre, um wieder durch die Oberflächengewässer zu zirkulieren, so dass die Oberflächengewässer eine Kombination aus älterem Wasser mit abgereichertem ¹⁴
C, und Wasser, das erst kürzlich an der Oberfläche war und dessen ¹⁴
C im Gleichgewicht mit der Atmosphäre. ⓘ

Lebewesen, die an der Meeresoberfläche leben, haben die gleichen ¹⁴
C-Verhältnisse wie das Wasser, in dem sie leben, und als Folge des reduzierten ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis liegt das Radiokohlenstoffalter von Meereslebewesen in der Regel bei etwa 400 Jahren. Organismen an Land befinden sich in einem engeren Gleichgewicht mit der Atmosphäre und haben das gleiche ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis wie die Atmosphäre. Diese Organismen enthalten etwa 1,3 % des Kohlenstoffs im Reservoir; Meeresorganismen haben eine Masse von weniger als 1 % derjenigen an Land und sind im Diagramm nicht dargestellt. Die akkumulierte tote organische Materie, sowohl von Pflanzen als auch von Tieren, übersteigt die Masse der Biosphäre um fast den Faktor 3, und da diese Materie keinen Kohlenstoff mehr mit ihrer Umgebung austauscht, hat sie ein ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis, das niedriger ist als das der Biosphäre. ⓘ

Überlegungen zur Datierung

Die Schwankungen des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in verschiedenen Teilen des Kohlenstoffaustauschreservoirs bedeutet, dass eine einfache Berechnung des Alters einer Probe auf der Grundlage der darin enthaltenen Menge an ¹⁴
C-Gehalt einer Probe häufig zu einem falschen Ergebnis führt. Es gibt mehrere andere mögliche Fehlerquellen, die berücksichtigt werden müssen. Es gibt vier allgemeine Arten von Fehlern:

• Schwankungen des ¹⁴
  C/¹²
  C-Verhältnis in der Atmosphäre, sowohl geographisch als auch zeitlich;
• Isotopenfraktionierung;
• Schwankungen des ¹⁴
  C/¹²
  C-Verhältnis in verschiedenen Teilen des Reservoirs;
• Kontamination. ⓘ

Atmosphärische Schwankungen

Atmosphärisches ¹⁴
C für die nördliche und südliche Hemisphäre, mit prozentualer Überschreitung der Werte vor der Bombardierung. Der Teilteststoppvertrag trat am 10. Oktober 1963 in Kraft. ⓘ

In den ersten Jahren der Anwendung der Technik ging man davon aus, dass das atmosphärische ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Atmosphäre während der letzten paar tausend Jahre gleich geblieben war. Um die Genauigkeit der Methode zu überprüfen, wurden mehrere Artefakte getestet, die mit anderen Techniken datiert werden konnten; die Ergebnisse der Tests stimmten einigermaßen mit dem tatsächlichen Alter der Objekte überein. Mit der Zeit traten jedoch Diskrepanzen zwischen der bekannten Chronologie der ältesten ägyptischen Dynastien und den Radiokarbondaten der ägyptischen Artefakte auf. Weder die bereits existierende ägyptische Chronologie noch die neue Radiokohlenstoffdatierungsmethode konnten als genau angesehen werden, aber eine dritte Möglichkeit war, dass sich das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im Laufe der Zeit verändert hatte. Die Frage wurde durch die Untersuchung von Baumringen gelöst: Der Vergleich sich überschneidender Serien von Baumringen ermöglichte die Konstruktion einer kontinuierlichen Folge von Baumringdaten, die sich über 8.000 Jahre erstreckte. (Seitdem wurde die Reihe der Baumringdaten auf 13.900 Jahre erweitert.) In den 1960er Jahren konnte Hans Suess mit Hilfe der Baumringsequenz zeigen, dass die aus Radiokohlenstoff abgeleiteten Daten mit den von Ägyptologen zugewiesenen Daten übereinstimmten. Dies war möglich, weil einjährige Pflanzen wie Mais zwar ein ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis aufweisen, das das atmosphärische Verhältnis zum Zeitpunkt ihres Wachstums widerspiegelt, fügen Bäume in einem bestimmten Jahr nur ihrem äußersten Baumring Material hinzu, während die inneren Baumringe ihr ¹⁴
C aufgefüllt und verlieren stattdessen ¹⁴
C durch Zerfall. Daher bewahrt jeder Ring eine Aufzeichnung des atmosphärischen ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis des Jahres, in dem er gewachsen ist. Die Kohlenstoffdatierung des Holzes anhand der Baumringe selbst ermöglicht die Überprüfung des atmosphärischen ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis: Mit einer Probe bekannten Datums und einer Messung des Wertes von N (die Anzahl der in der Probe verbliebenen ¹⁴
C-Atome, die in der Probe verbleiben), ermöglicht die Gleichung zur Kohlenstoffdatierung die Berechnung von N₀ - der Anzahl der Atome von ¹⁴
C in der Probe zum Zeitpunkt der Bildung des Baumrings - und damit das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Atmosphäre zu dieser Zeit. Mit den Ergebnissen der Kohlenstoffdatierung der Baumringe war es möglich, Kalibrierungskurven zu erstellen, mit denen die Fehler korrigiert werden können, die durch die zeitliche Veränderung des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis. Diese Kurven werden im Folgenden ausführlicher beschrieben. ⓘ

Kohle und Öl wurden seit dem 19. Jahrhundert in großen Mengen verbrannt. Jahrhundert in großen Mengen verbrannt. Beide sind so alt, dass sie wenig oder kein nachweisbares ¹⁴
C enthalten, so dass das freigesetzte CO
das freigesetzte CO ₂ das atmosphärische ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis der Atmosphäre. Die Datierung eines Objekts aus dem frühen 20. Jahrhundert ergibt daher ein scheinbares Datum, das älter ist als das tatsächliche Datum. Aus demselben Grund sind die ¹⁴
C-Konzentrationen in der Umgebung von Großstädten niedriger als der atmosphärische Durchschnitt. Dieser Effekt der fossilen Brennstoffe (auch bekannt als Süss-Effekt, nach Hans Süss, der ihn 1955 erstmals beschrieben hat) würde nur eine Verringerung der ¹⁴
C-Aktivität ausmachen, wenn der zusätzliche Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen über das gesamte Kohlenstoffaustauschreservoir verteilt wäre, aber wegen der langen Verzögerung bei der Durchmischung mit der Tiefsee beträgt der tatsächliche Effekt 3 %. ⓘ

Ein weitaus größerer Effekt ergibt sich aus den oberirdischen Atomtests, bei denen eine große Anzahl von Neutronen in die Atmosphäre freigesetzt wurde, was zur Bildung von ¹⁴
C. Von etwa 1950 bis 1963, als die atmosphärischen Atomtests verboten wurden, wurden schätzungsweise mehrere Tonnen ¹⁴
C erzeugt wurden. Wäre all dieses zusätzliche ¹⁴
C sofort auf das gesamte Kohlenstoffaustauschreservoir verteilt worden wäre, hätte dies zu einer Erhöhung des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis von nur wenigen Prozent geführt, aber der unmittelbare Effekt war, dass sich die Menge an ¹⁴
C in der Atmosphäre fast verdoppelt, wobei der Höchststand 1964 auf der Nordhalbkugel und 1966 auf der Südhalbkugel erreicht wurde. Seitdem ist der Wert gesunken, da dieser Bombenimpuls oder "Bombenkohlenstoff" (wie er manchmal genannt wird) in den Rest des Reservoirs einsickert. ⓘ

Isotopenfraktionierung

Die Photosynthese ist der wichtigste Prozess, durch den Kohlenstoff aus der Atmosphäre in lebende Organismen gelangt. In den photosynthetischen Prozessen wird ¹²
C etwas leichter absorbiert als ¹³
C aufgenommen, das wiederum leichter absorbiert wird als ¹⁴
C. Die unterschiedliche Aufnahme der drei Kohlenstoffisotope führt zu ¹³
C/¹²
C und ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnisse in den Pflanzen, die sich von den Verhältnissen in der Atmosphäre unterscheiden. Dieser Effekt wird als Isotopenfraktionierung bezeichnet. ⓘ

Um den Grad der Fraktionierung in einer bestimmten Pflanze zu bestimmen, werden die Mengen an ¹²
C und ¹³
C-Isotope gemessen, und das resultierende ¹³
C/¹²
C-Verhältnis wird dann mit einem Standardverhältnis, dem PDB, verglichen. Das ¹³
C/¹²
C-Verhältnis wird anstelle von ¹⁴
C/¹²
C verwendet, da ersteres viel einfacher zu messen ist und letzteres leicht abgeleitet werden kann: die Verarmung von ¹³
C im Verhältnis zu ¹²
C ist proportional zur Differenz der Atommassen der beiden Isotope, so dass die Abnahme von ¹⁴
C doppelt so hoch ist wie die Abnahme von ¹³
C. Die Fraktionierung von ¹³
C, bekannt als δ¹³C, wird wie folgt berechnet:

$\delta {\ce {^{13}C}}=\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{sample}}}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{standard}}}}-1\right)\times 1000$ ‰ ⓘ

Das Zeichen ‰ steht für Teile pro Tausend. Da der PDB-Standard einen ungewöhnlich hohen Anteil an ¹³
C enthält, sind die meisten gemessenen δ¹³C-Werte negativ. ⓘ

North Ronaldsay-Schafe am Strand von North Ronaldsay. Im Winter fressen diese Schafe Seegras, das einen höheren δ¹³C-Gehalt als Gras hat; Proben dieser Schafe haben einen δ¹³C-Wert von etwa -13‰, der viel höher ist als bei Schafen, die sich von Gräsern ernähren. ⓘ

Material	Typischer δ13C-Bereich ⓘ
PDB	0‰
Meeresplankton	-22‰ bis -17‰
C3-Pflanzen	-30‰ bis -22‰
C4-Pflanzen	-15‰ bis -9‰
Atmosphärisches CO 2	−8‰
Meeres-CO 2	-32‰ bis -13‰

Bei Meeresorganismen sind die Einzelheiten der Photosynthesereaktionen weniger gut bekannt, und die δ¹³C-Werte für marine photosynthetische Organismen sind temperaturabhängig. Bei höheren Temperaturen ist CO
₂ schlecht in Wasser löslich, was bedeutet, dass weniger CO
₂ für die photosynthetischen Reaktionen zur Verfügung steht. Unter diesen Bedingungen ist die Fraktionierung geringer, und bei Temperaturen über 14 °C sind die δ¹³C-Werte entsprechend höher, während bei niedrigeren Temperaturen CO
₂ besser löslich und damit für die Meeresorganismen besser verfügbar ist. Der δ¹³C-Wert von Tieren hängt von ihrer Ernährung ab. Ein Tier, das Nahrung mit hohen δ¹³C-Werten zu sich nimmt, hat einen höheren δ¹³C-Wert als eines, das Nahrung mit niedrigeren δ¹³C-Werten zu sich nimmt. Auch die eigenen biochemischen Prozesse des Tieres können sich auf die Ergebnisse auswirken: Knochenmineralien und Knochenkollagen haben beispielsweise in der Regel eine höhere Konzentration von ¹³
C als in der Nahrung des Tieres, allerdings aus unterschiedlichen biochemischen Gründen. Die Anreicherung von Knochen-¹³
C in den Knochen bedeutet auch, dass das ausgeschiedene Material im Vergleich zur Nahrung einen geringeren ¹³
C im Vergleich zur Nahrung abnimmt. ⓘ

Da ¹³
C etwa 1 % des Kohlenstoffs in einer Probe ausmacht, kann das ¹³
C/¹²
C-Verhältnis durch Massenspektrometrie genau gemessen werden. Typische δ¹³C-Werte wurden experimentell für viele Pflanzen sowie für verschiedene Teile von Tieren, wie z. B. Knochenkollagen, ermittelt, aber bei der Datierung einer bestimmten Probe ist es besser, den δ¹³C-Wert für diese Probe direkt zu bestimmen, als sich auf die veröffentlichten Werte zu verlassen. ⓘ

Der Kohlenstoffaustausch zwischen atmosphärischem CO
₂ und Karbonat an der Meeresoberfläche unterliegt ebenfalls einer Fraktionierung, wobei ¹⁴
C in der Atmosphäre wahrscheinlicher ist als ¹²
C im Ozean auflöst. Das Ergebnis ist ein Gesamtanstieg des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im Ozean um 1,5 % im Vergleich zum ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Atmosphäre. Dieser Anstieg der ¹⁴
C-Konzentration gleicht fast genau die Abnahme aus, die durch den Auftrieb von Wasser (mit altem und daher ¹⁴
C-armen Kohlenstoffs) aus der Tiefsee verursacht wird, so dass direkte Messungen der ¹⁴
C-Strahlung mit den Messungen für die übrige Biosphäre vergleichbar sind. Die Korrektur der Isotopenfraktionierung, die bei allen Radiokohlenstoffdaten vorgenommen wird, um einen Vergleich zwischen den Ergebnissen aus verschiedenen Teilen der Biosphäre zu ermöglichen, ergibt ein scheinbares Alter von etwa 400 Jahren für das Oberflächenwasser des Ozeans. ⓘ

Reservoir-Effekte

Libbys ursprüngliche Hypothese eines Austauschreservoirs ging davon aus, dass die ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im Austauschreservoir ist überall auf der Welt konstant, aber man hat inzwischen herausgefunden, dass es mehrere Ursachen für die Variation des Verhältnisses im Reservoir gibt. ⓘ

Mariner Effekt

Das CO
₂ aus der Atmosphäre gelangt in den Ozean, indem es sich im Oberflächenwasser in Form von Karbonat- und Bikarbonationen auflöst; gleichzeitig werden die Karbonationen im Wasser als CO
₂. Dieser Austauschprozess bringt ¹⁴
C aus der Atmosphäre in das Oberflächenwasser des Ozeans, aber das ¹⁴
C benötigt jedoch viel Zeit, um das gesamte Volumen des Ozeans zu durchdringen. Die tiefsten Teile des Ozeans vermischen sich nur sehr langsam mit dem Oberflächenwasser, und die Durchmischung ist ungleichmäßig. Der wichtigste Mechanismus, der Tiefenwasser an die Oberfläche bringt, ist der Auftrieb, der in äquatornahen Regionen häufiger vorkommt. Der Auftrieb wird auch durch Faktoren wie die Topografie des Meeresbodens und der Küsten, das Klima und die Windverhältnisse beeinflusst. Insgesamt dauert die Vermischung von Tiefen- und Oberflächenwasser viel länger als die Vermischung von atmosphärischem CO
₂mit dem Oberflächenwasser, weshalb das Wasser aus einigen Tiefseegebieten ein scheinbares Radiokohlenstoffalter von mehreren tausend Jahren aufweist. Durch den Auftrieb wird dieses "alte" Wasser mit dem Oberflächenwasser vermischt, wodurch das Oberflächenwasser ein scheinbares Alter von einigen hundert Jahren erhält (nach Korrektur der Fraktionierung). Dieser Effekt ist nicht einheitlich - der durchschnittliche Effekt beträgt etwa 400 Jahre, aber es gibt lokale Abweichungen von mehreren hundert Jahren für Gebiete, die geographisch nahe beieinander liegen. Diese Abweichungen können bei der Kalibrierung berücksichtigt werden, und die Benutzer von Software wie CALIB können als Eingabe die entsprechende Korrektur für den Standort ihrer Proben angeben. Der Effekt gilt auch für Meeresorganismen wie Muscheln und Meeressäugetiere wie Wale und Robben, deren Radiokohlenstoffalter Hunderte von Jahren alt zu sein scheint. ⓘ

Hemisphäreneffekt

Die nördliche und die südliche Hemisphäre verfügen über atmosphärische Zirkulationssysteme, die so unabhängig voneinander sind, dass die Vermischung zwischen den beiden Hemisphären mit einer spürbaren Zeitverzögerung erfolgt. Das atmosphärische ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Atmosphäre ist auf der Südhalbkugel niedriger, wobei die Radiokohlenstoffergebnisse aus dem Süden im Vergleich zum Norden ein scheinbar höheres Alter von etwa 40 Jahren aufweisen. Dies liegt daran, dass die größere Meeresoberfläche auf der Südhalbkugel bedeutet, dass mehr Kohlenstoff zwischen dem Ozean und der Atmosphäre ausgetauscht wird als im Norden. Da der Ozean an der Oberfläche aufgrund des marinen Effekts an ¹⁴
C durch den marinen Effekt verarmt ist, wird ¹⁴
C schneller aus der südlichen Atmosphäre entfernt als im Norden. Dieser Effekt wird durch den starken Auftrieb um die Antarktis noch verstärkt. ⓘ

Andere Auswirkungen

Wenn der Kohlenstoff im Süßwasser zum Teil aus gealtertem Kohlenstoff, z. B. aus Gestein, stammt, führt dies zu einer Verringerung des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im Wasser. Flüsse, die über Kalkstein fließen, der größtenteils aus Kalziumkarbonat besteht, nehmen zum Beispiel Karbonat-Ionen auf. Auch Grundwasser kann Kohlenstoff enthalten, der aus den Gesteinen stammt, die es durchquert hat. Diese Gesteine sind in der Regel so alt, dass sie kein messbares ¹⁴
C enthalten. Dieser Kohlenstoff senkt also den ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis des Wassers, in das es gelangt, was zu einem scheinbaren Alter von Tausenden von Jahren sowohl für das betroffene Wasser als auch für die Pflanzen und Süßwasserorganismen, die darin leben, führen kann. Dieser Effekt wird als Hartwassereffekt bezeichnet, da er häufig mit Kalziumionen in Verbindung gebracht wird, die für hartes Wasser charakteristisch sind; andere Kohlenstoffquellen, wie z. B. Humus, können zu ähnlichen Ergebnissen führen und ebenfalls das scheinbare Alter verringern, wenn sie jüngeren Ursprungs sind als die Probe. Der Effekt ist sehr unterschiedlich, und es gibt keinen allgemein anwendbaren Offset; in der Regel sind zusätzliche Untersuchungen erforderlich, um das Ausmaß des Offsets zu bestimmen, z. B. durch den Vergleich des Radiokohlenstoffalters von abgelagerten Süßwassermuscheln mit zugehörigem organischem Material. ⓘ

Vulkanausbrüche schleudern große Mengen an Kohlenstoff in die Luft. Dieser Kohlenstoff ist geologischen Ursprungs und hat kein nachweisbares ¹⁴
C, so dass das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Nähe des Vulkans im Vergleich zu den umliegenden Gebieten gesenkt ist. Auch schlafende Vulkane können gealterten Kohlenstoff emittieren. Pflanzen, die diesen Kohlenstoff photosynthetisieren, haben ebenfalls niedrigere ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnisse: So wurde beispielsweise bei Pflanzen in der Nähe der Furnas-Caldera auf den Azoren ein scheinbares Alter zwischen 250 und 3320 Jahren festgestellt. ⓘ

Kontamination

Eine weitere Korrektur kann notwendig werden, wenn die gemessene Probe durch einen Stoff mit einem anderen Radiokohlenstoffalter verunreinigt wurde und diese Verunreinigung durch die Reinigungsprozeduren bei der Probenvorbereitung nicht vollständig beseitigt werden konnte. Je nach Ausmaß der Verunreinigung, liegt dann das gemessene Radiokohlenstoffalter zwischen dem Alter der Probe und dem Radiokohlenstoffalter des verunreinigenden Stoffs. Ist das Ausmaß der Kontamination bekannt, gilt für die Verschiebung des gemessenen Radiokohlenstoffalters zum wirklichen Alter der Probe folgende Formel:

$\Delta t=-{\frac {1}{{\lambda }_{14}}}\ln \left(1+{\frac {v}{100\,\%}}\left(e^{-{\lambda }_{14}\cdot (t_{V}-t_{P})}-1\right)\right)$ ⓘ

$v,t_{V},t_{P}$ sind dabei die Verunreinigung in %, das Radiokohlenstoffalter der Verunreinigung beziehungsweise das Alter der Probe. ⓘ

Besteht der Verdacht einer Kontamination, kennt man aber den genauen Umfang nicht, so kann eine Probe in mehrere Teilproben aufgeteilt und können an jeder Teilprobe unterschiedliche chemische Reinigungsprozeduren durchgeführt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass eigentliches Probenmaterial und die eventuell vorhandene Kontamination unterschiedlich stark angegriffen werden und sich das Verhältnis der beiden in den einzelnen Teilproben unterschiedlich ändert. Eine Kontamination, welche das Alter merklich verfälscht, macht sich dann in stark voneinander abweichenden Datierungen der Teilproben bemerkbar. Dies kann als Kriterium dienen, um auf die Zuverlässigkeit eines Radiokohlenstoffalters zu schließen. ⓘ

Jede Hinzufügung von Kohlenstoff zu einer Probe eines anderen Alters führt dazu, dass das gemessene Datum ungenau ist. Die Verunreinigung mit modernem Kohlenstoff lässt eine Probe jünger erscheinen, als sie tatsächlich ist: Der Effekt ist bei älteren Proben größer. Wenn eine 17.000 Jahre alte Probe so verunreinigt ist, dass 1 % der Probe aus modernem Kohlenstoff besteht, erscheint sie 600 Jahre jünger; bei einer 34.000 Jahre alten Probe würde die gleiche Verunreinigung einen Fehler von 4.000 Jahren verursachen. Eine Verunreinigung mit altem Kohlenstoff, der kein ¹⁴
C, führt unabhängig vom Alter zu einem Fehler in der anderen Richtung - eine mit 1 % altem Kohlenstoff verunreinigte Probe erscheint etwa 80 Jahre älter als sie tatsächlich ist, unabhängig vom Datum der Probe. ⓘ

Proben

Proben für die Datierung müssen in eine Form gebracht werden, die für die Messung des ¹⁴
C-Gehaltes umgewandelt werden; je nach Messverfahren kann dies die Umwandlung in eine gasförmige, flüssige oder feste Form bedeuten. Bevor dies geschehen kann, muss die Probe behandelt werden, um Verunreinigungen und unerwünschte Bestandteile zu entfernen. Dazu gehört auch die Entfernung sichtbarer Verunreinigungen, wie z. B. Wurzeln, die seit dem Vergraben der Probe eingedrungen sein könnten. Alkali- und Säurewäschen können verwendet werden, um Huminsäure- und Karbonatverunreinigungen zu entfernen, wobei jedoch darauf geachtet werden muss, dass der Teil der Probe, der den zu untersuchenden Kohlenstoff enthält, nicht entfernt wird. ⓘ

Überlegungen zum Material

• Es ist üblich, eine Holzprobe vor der Untersuchung nur auf die Zellulosekomponente zu reduzieren, aber da dies das Volumen der Probe auf 20 % ihrer ursprünglichen Größe reduzieren kann, wird oft auch das gesamte Holz untersucht. Holzkohle wird häufig untersucht, muss aber wahrscheinlich behandelt werden, um Verunreinigungen zu entfernen.
• Unverbrannter Knochen kann untersucht werden; üblicherweise wird er anhand des Kollagens datiert, der Proteinfraktion, die nach dem Auswaschen des Strukturmaterials des Knochens zurückbleibt. Hydroxyprolin, eine der im Knochen enthaltenen Aminosäuren, galt früher als zuverlässiger Indikator, da es nur in Knochen vorkommt, wurde aber inzwischen auch im Grundwasser nachgewiesen.
• Bei verbrannten Knochen hängt die Testbarkeit von den Bedingungen ab, unter denen der Knochen verbrannt wurde. Wenn der Knochen unter reduzierenden Bedingungen erhitzt wurde, kann es sein, dass er (und die damit verbundenen organischen Stoffe) verkohlt sind. In diesem Fall ist die Probe oft brauchbar.
• Schalen von Meeres- und Landorganismen bestehen fast vollständig aus Kalziumkarbonat, entweder in Form von Aragonit oder Kalzit oder einer Mischung aus beiden. Kalziumkarbonat ist sehr anfällig für die Auflösung und Rekristallisation; das rekristallisierte Material enthält Kohlenstoff aus der Umgebung der Probe, der geologischen Ursprungs sein kann. Wenn die Untersuchung rekristallisierter Muscheln unvermeidlich ist, ist es manchmal möglich, das ursprüngliche Schalenmaterial anhand einer Reihe von Tests zu identifizieren. Es ist auch möglich, Conchiolin zu testen, ein organisches Protein, das in der Schale vorkommt, aber nur 1-2 % des Schalenmaterials ausmacht.
• Die drei Hauptbestandteile von Torf sind Huminsäure, Humine und Fulvosäure. Von diesen Bestandteilen sind die Huminstoffe am zuverlässigsten, da sie in Alkali unlöslich sind und weniger wahrscheinlich Verunreinigungen aus der Umgebung der Probe enthalten. Eine besondere Schwierigkeit bei getrocknetem Torf besteht in der Entfernung der Wurzeln, die wahrscheinlich nur schwer vom Probenmaterial zu unterscheiden sind.
• Boden enthält organisches Material, aber wegen der Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung durch Huminsäure jüngeren Ursprungs ist es sehr schwierig, zufriedenstellende Radiokarbondaten zu erhalten. Es ist vorzuziehen, den Boden nach Fragmenten organischen Ursprungs zu durchsieben und die Fragmente mit Methoden zu datieren, die kleine Probengrößen tolerieren.
• Andere Materialien, die erfolgreich datiert wurden, sind Elfenbein, Papier, Textilien, einzelne Samen und Körner, Stroh aus Lehmziegeln und verkohlte Speisereste, die in Töpferwaren gefunden wurden. ⓘ

Vorbereitung und Größe

Insbesondere bei älteren Proben kann es sinnvoll sein, die Menge an ¹⁴
C in der Probe vor der Untersuchung anzureichern. Dies kann mit einer Thermodiffusionssäule geschehen. Das Verfahren dauert etwa einen Monat und erfordert eine Probe, die etwa zehnmal so groß ist wie die sonst benötigte, aber es ermöglicht eine genauere Messung des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnisses in altem Material und erweitert das maximale Alter, das zuverlässig angegeben werden kann. ⓘ

Nach der Entfernung von Verunreinigungen müssen die Proben in eine Form gebracht werden, die für die zu verwendende Messtechnik geeignet ist. Wenn Gas erforderlich ist, wird häufig CO
₂ häufig verwendet. Für Proben, die in Flüssigszintillationszählern verwendet werden sollen, muss der Kohlenstoff in flüssiger Form vorliegen; die Probe wird normalerweise in Benzol umgewandelt. Für die Massenspektrometrie mit Beschleunigern werden meist feste Graphit-Targets verwendet, obwohl auch gasförmiges CO
₂ auch verwendet werden kann. ⓘ

Die Menge des für die Untersuchung benötigten Materials hängt von der Art der Probe und der verwendeten Technologie ab. Es gibt zwei Arten von Prüftechnik: Detektoren, die Radioaktivität aufzeichnen, so genannte Betazähler, und Beschleuniger-Massenspektrometer. Für Betazähler wird in der Regel eine Probe mit einem Gewicht von mindestens 10 Gramm benötigt. Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ist viel empfindlicher, und es können Proben mit nur 0,5 Milligramm Kohlenstoff verwendet werden. ⓘ

Messung und Ergebnisse

Die Messung von ¹⁴
C wird heute in der Regel mit einem Beschleuniger-Massenspektrometer durchgeführt. ⓘ

Jahrzehntelang, nachdem Libby die ersten Radiokarbondatierungsexperimente durchgeführt hatte, bestand die einzige Möglichkeit zur Messung des ¹⁴
C in einer Probe zu messen, war der Nachweis des radioaktiven Zerfalls einzelner Kohlenstoffatome. Bei diesem Ansatz wird die Aktivität der Probe gemessen, d. h. die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Masseneinheit und Zeitraum. Diese Methode wird auch als "Betazählung" bezeichnet, da die von den zerfallenden ¹⁴
C-Atomen emittierten Betateilchen nachgewiesen werden. In den späten 1970er Jahren wurde ein alternativer Ansatz verfügbar: die direkte Zählung der Anzahl von ¹⁴
C- und ¹²
C-Atome in einer bestimmten Probe mit Hilfe der Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS). AMS zählt das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis direkt anstelle der Aktivität der Probe, aber Messungen der Aktivität und des ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis können jedoch genau ineinander umgerechnet werden. Eine Zeit lang waren die Beta-Zählmethoden genauer als die AMS, doch inzwischen ist die AMS genauer und die Methode der Wahl für Radiokohlenstoffmessungen geworden. Neben der verbesserten Genauigkeit hat die AMS zwei weitere wesentliche Vorteile gegenüber der Betazählung: Sie kann genaue Tests an Proben durchführen, die für die Betazählung viel zu klein sind, und sie ist viel schneller - eine Genauigkeit von 1 % kann mit der AMS innerhalb von Minuten erreicht werden, was weitaus schneller ist, als es mit der älteren Technologie möglich wäre. ⓘ

Beta-Zählung

Libbys erster Detektor war ein von ihm selbst konstruierter Geigerzähler. Er wandelte den Kohlenstoff in seiner Probe in Lampenschwarz (Ruß) um und beschichtete die Innenfläche eines Zylinders damit. Dieser Zylinder wurde so in den Zähler eingesetzt, dass sich der Zähldraht im Inneren des Probenzylinders befand, damit sich kein Material zwischen der Probe und dem Draht befinden sollte. Jedes dazwischen liegende Material hätte den Nachweis der Radioaktivität gestört, da die Betateilchen, die vom zerfallenden ¹⁴
C emittierten Betateilchen so schwach sind, dass die Hälfte von einer 0,01 mm dicken Aluminiumschicht aufgehalten wird. ⓘ

Die Libby-Methode wurde bald von Gasproportionalzählern abgelöst, die weniger durch Bombenkohle (das zusätzliche ¹⁴
C, das bei Kernwaffentests entsteht). Diese Zähler zeichnen Ionisierungsstöße auf, die von den Betateilchen der zerfallenden ¹⁴
C-Atome emittiert werden; die Ausbrüche sind proportional zur Energie des Teilchens, so dass andere Ionisierungsquellen, wie z. B. die Hintergrundstrahlung, erkannt und ignoriert werden können. Die Zähler sind von einer Blei- oder Stahlabschirmung umgeben, um die Hintergrundstrahlung zu eliminieren und den Einfall kosmischer Strahlung zu verringern. Darüber hinaus werden Antikoinzidenzdetektoren verwendet, die Ereignisse außerhalb des Zählers aufzeichnen. Jedes Ereignis, das gleichzeitig innerhalb und außerhalb des Zählers aufgezeichnet wird, wird als Fremdereignis betrachtet und ignoriert. ⓘ

Die andere gängige Technologie zur Messung der ¹⁴
C-Aktivität ist die Flüssigszintillationszählung, die 1950 erfunden wurde, aber erst in den frühen 1960er Jahren, als effiziente Methoden der Benzolsynthese entwickelt wurden, mit der Gaszählung konkurrieren konnte; nach 1970 wurden Flüssigkeitszähler die häufigere Technologie für neu errichtete Datierungslabors. Die Zähler funktionieren durch die Erkennung von Lichtblitzen, die von den Betateilchen verursacht werden, die von ¹⁴
C emittierten Betateilchen verursacht werden, wenn sie mit einem Fluoreszenzmittel interagieren, das dem Benzol zugesetzt wird. Wie Gaszähler benötigen auch Flüssigszintillationszähler eine Abschirmung und Antikoinzidenzzähler. ⓘ

Sowohl beim Gasproportionalzähler als auch beim Flüssigszintillationszähler wird die Anzahl der in einer bestimmten Zeitspanne nachgewiesenen Betateilchen gemessen. Da die Masse der Probe bekannt ist, kann diese in ein Standardmaß für die Aktivität umgerechnet werden, entweder in Zählungen pro Minute pro Gramm Kohlenstoff (cpm/g C) oder in Becquerel pro kg (Bq/kg C, in SI-Einheiten). Mit jedem Messgerät wird auch die Aktivität einer Blindprobe gemessen - einer Probe, die aus Kohlenstoff hergestellt wird, der alt genug ist, um keine Aktivität zu haben. Daraus ergibt sich ein Wert für die Hintergrundstrahlung, der von der gemessenen Aktivität der zu datierenden Probe abgezogen werden muss, um die Aktivität zu erhalten, die ausschließlich dem ¹⁴
C. Darüber hinaus wird eine Probe mit einer Standardaktivität gemessen, um eine Vergleichsgrundlage zu erhalten. ⓘ

Massenspektrometrie mit Beschleunigern

Vereinfachter schematischer Aufbau eines Beschleuniger-Massenspektrometers, das zur Zählung von Kohlenstoffisotopen für die Kohlenstoffdatierung verwendet wird ⓘ

AMS zählt die Atome von ¹⁴
C- und ¹²
C in einer bestimmten Probe und bestimmt das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis direkt. Die Probe, oft in Form von Graphit, wird dazu gebracht, C-Ionen (Kohlenstoffatome mit einer einzigen negativen Ladung) zu emittieren, die in einen Beschleuniger injiziert werden. Die Ionen werden beschleunigt und durch einen Stripper geleitet, der mehrere Elektronen entfernt, so dass die Ionen mit einer positiven Ladung herauskommen. Die Ionen, die je nach Auslegung des Beschleunigers 1 bis 4 positive Ladungen (C⁺ bis C⁴⁺) aufweisen können, werden dann durch einen Magneten geleitet, der ihren Weg krümmt; die schwereren Ionen werden weniger stark gekrümmt als die leichteren, so dass die verschiedenen Isotope als separate Ionenströme austreten. Ein Teilchendetektor registriert dann die Anzahl der Ionen, die in dem ¹⁴
C-Strom entdeckt werden, aber da das Volumen von ¹²
C (und ¹³
C (und 13 C, das für die Kalibrierung benötigt wird) für den Nachweis einzelner Ionen zu groß ist, wird die Anzahl der Ionen durch Messung des in einem Faraday-Becher erzeugten elektrischen Stroms bestimmt. Die große positive Ladung, die durch den Stripper erzeugt wird, zwingt Moleküle wie 13
CH, deren Gewicht nahe genug an ¹⁴
C liegt, um die Messungen zu stören, zur Dissoziation, so dass sie nicht erfasst werden. Die meisten AMS-Geräte messen auch das δ¹³C der Probe, das für die Berechnung des Radiokohlenstoffalters der Probe verwendet wird. Der Einsatz von AMS ist im Gegensatz zu einfacheren Formen der Massenspektrometrie notwendig, da die Kohlenstoffisotope von anderen Atomen oder Molekülen, die in ihrer Masse sehr nahe beieinander liegen, unterschieden werden müssen, wie ¹⁴
N und ¹³
CH. Wie bei der Betazählung werden sowohl Blindproben als auch Standardproben verwendet. Es können zwei verschiedene Arten von Blindproben gemessen werden: eine Probe aus totem Kohlenstoff, die keiner chemischen Verarbeitung unterzogen wurde, um einen eventuellen maschinellen Hintergrund zu erkennen, und eine so genannte Prozessblindprobe, die aus totem Kohlenstoff besteht, der auf genau dieselbe Weise wie die zu datierende Probe zu Zielmaterial verarbeitet wird. Jedes ¹⁴
C-Signal des Maschinenhintergrunds wird wahrscheinlich entweder durch Ionenstrahlen verursacht, die nicht dem erwarteten Weg im Detektor gefolgt sind, oder durch Kohlenwasserstoffe wie ¹²
CH
₂ oder ¹³
CH. A ¹⁴
C-Signal aus dem Prozessleerwert misst die Menge der während der Probenvorbereitung eingebrachten Verunreinigung. Diese Messungen werden für die anschließende Berechnung des Alters der Probe verwendet. ⓘ

Berechnungen

Die auf der Grundlage der Messungen durchzuführenden Berechnungen hängen von der verwendeten Technologie ab, da Beta-Zähler die Radioaktivität der Probe messen, während AMS das Verhältnis der drei verschiedenen Kohlenstoffisotope in der Probe bestimmt. ⓘ

Um das Alter einer Probe zu bestimmen, deren Aktivität durch Betazählung gemessen wurde, muss das Verhältnis ihrer Aktivität zur Aktivität des Standards ermittelt werden. Dazu wird eine Blindprobe (alter oder toter Kohlenstoff) gemessen und eine Probe mit bekannter Aktivität. Die zusätzlichen Proben ermöglichen es, Fehler wie Hintergrundstrahlung und systematische Fehler im Laboraufbau zu erkennen und zu korrigieren. Das gebräuchlichste Standardprobenmaterial ist Oxalsäure, z. B. der HOxII-Standard, von dem das National Institute of Standards and Technology (NIST) 1977 1.000 Pfund aus französischen Rübenernten hergestellt hat. ⓘ

Die Ergebnisse der AMS-Tests liegen in Form von Verhältnissen von ¹²
C, ¹³
C und ¹⁴
C, die zur Berechnung von Fm, der "modernen Fraktion", verwendet werden. Dieser ist definiert als das Verhältnis zwischen dem ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis in der Probe und dem ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis im modernen Kohlenstoff, das wiederum als das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis, das 1950 gemessen worden wäre, wenn es keinen Einfluss fossiler Brennstoffe gegeben hätte. ⓘ

Sowohl die Beta-Zählung als auch die AMS-Ergebnisse müssen um die Fraktionierung korrigiert werden. Dies ist notwendig, weil verschiedene Materialien desselben Alters, die aufgrund der Fraktionierung natürlich unterschiedliche ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnisse aufweisen, als unterschiedlich alt erscheinen, weil das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis als Indikator für das Alter herangezogen wird. Um dies zu vermeiden, werden alle Radiokohlenstoffmessungen auf den Wert umgerechnet, der sich ergeben hätte, wenn die Probe aus Holz gewesen wäre, das einen bekannten δ¹³
C-Wert von -25‰. ⓘ

Sobald das korrigierte ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis bekannt ist, wird ein "Radiokohlenstoffalter" berechnet:

${\text{Age}}=-\ln({\text{Fm}})\cdot 8033{\text{ years}}$ ⓘ

Die Berechnung verwendet 8.033 Jahre, die mittlere Lebensdauer, die sich aus Libbys Halbwertszeit von 5.568 Jahren ergibt, und nicht 8.267 Jahre, die mittlere Lebensdauer, die sich aus dem genaueren modernen Wert von 5.730 Jahren ergibt. Der Libby-Wert für die Halbwertszeit wird verwendet, um die Konsistenz mit den Ergebnissen früherer Radiokarbontests zu wahren; die Kalibrierungskurven enthalten eine entsprechende Korrektur, so dass die Genauigkeit der endgültig berichteten Kalenderalter gewährleistet ist. ⓘ

Fehler und Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse kann durch eine Verlängerung der Testzeit verbessert werden. Wenn beispielsweise die Zählung der Beta-Zerfälle für 250 Minuten ausreicht, um einen Fehler von ± 80 Jahren mit einer Sicherheit von 68 % zu erhalten, dann kann durch die Verdopplung der Zählzeit auf 500 Minuten eine Probe mit nur halb so viel ¹⁴
C mit demselben Fehlerterm von 80 Jahren gemessen werden. ⓘ

Die Radiokohlenstoffdatierung ist im Allgemeinen auf die Datierung von Proben beschränkt, die nicht älter als 50.000 Jahre sind, da Proben, die älter sind, nicht genügend ¹⁴
C aufweisen, um messbar zu sein. Ältere Daten wurden durch spezielle Probenvorbereitungstechniken, große Proben und sehr lange Messzeiten ermittelt. Diese Techniken ermöglichen die Messung von Daten, die bis zu 60.000 und in einigen Fällen bis zu 75.000 Jahre vor unserer Zeitrechnung liegen. ⓘ

Radiokarbondaten werden in der Regel mit einer Standardabweichung (gewöhnlich durch den griechischen Buchstaben Sigma als 1σ dargestellt) auf beiden Seiten des Mittelwerts angegeben. Ein Datumsbereich von 1σ entspricht jedoch nur einem Vertrauensniveau von 68 %, so dass das tatsächliche Alter des gemessenen Objekts außerhalb des angegebenen Datumsbereichs liegen kann. Dies wurde 1970 durch ein Experiment des Radiokohlenstofflabors des British Museum bewiesen, bei dem sechs Monate lang wöchentlich Messungen an derselben Probe vorgenommen wurden. Die Ergebnisse schwankten stark (obwohl sie mit einer Normalverteilung der Messfehler übereinstimmten) und umfassten mehrere Datumsbereiche (mit 1σ-Vertrauen), die sich nicht überschnitten. Unter den Messungen befand sich eine mit einer Spanne von etwa 4250 bis etwa 4390 Jahren und eine andere mit einer Spanne von etwa 4520 bis etwa 4690 Jahren. ⓘ

Fehler im Verfahren können auch zu Fehlern in den Ergebnissen führen. Wenn 1 % des Benzols in einer modernen Referenzprobe versehentlich verdampft, ergibt die Szintillationszählung ein Radiokohlenstoffalter, das um etwa 80 Jahre zu jung ist. ⓘ

Kalibrierung

Der Stumpf einer sehr alten Borstenkiefer. Baumringe von diesen Bäumen (neben anderen) werden für die Erstellung von Kalibrierungskurven verwendet. ⓘ

Die oben genannten Berechnungen ergeben Daten in Radiokohlenstoffjahren, d. h. Daten, die das Alter der Probe darstellen, wenn das ¹⁴
C/¹²
C-Verhältnis historisch konstant gewesen wäre. Obwohl Libby bereits 1955 auf die Möglichkeit hingewiesen hatte, dass diese Annahme falsch ist, wurde erst durch die Häufung von Diskrepanzen zwischen gemessenen Altersangaben und bekannten historischen Daten für Artefakte klar, dass eine Korrektur der Radiokohlenstoff-Alter vorgenommen werden muss, um Kalenderdaten zu erhalten. ⓘ

Um eine Kurve zu erstellen, die verwendet werden kann, um Kalenderjahre mit Radiokohlenstoffjahren in Beziehung zu setzen, wird eine Reihe von sicher datierten Proben benötigt, die getestet werden können, um ihr Radiokohlenstoffalter zu bestimmen. Das Studium der Baumringe führte zur ersten derartigen Abfolge: Einzelne Holzstücke zeigen charakteristische Abfolgen von Ringen, die aufgrund von Umweltfaktoren wie der Niederschlagsmenge in einem bestimmten Jahr in ihrer Dicke variieren. Diese Faktoren wirken sich auf alle Bäume in einem Gebiet aus, so dass die Untersuchung von Jahrringsequenzen aus altem Holz die Identifizierung von sich überschneidenden Sequenzen ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich eine ununterbrochene Abfolge von Jahresringen weit in die Vergangenheit zurückverfolgen. Die erste veröffentlichte Sequenz dieser Art wurde von Wesley Ferguson auf der Grundlage von Baumringen der Borstenkiefer erstellt. Hans Suess verwendete diese Daten, um 1967 die erste Kalibrierungskurve für die Radiokohlenstoffdatierung zu veröffentlichen. Die Kurve zeigte zwei Arten von Abweichungen von der geraden Linie: eine langfristige Fluktuation mit einer Periode von etwa 9.000 Jahren und eine kurzfristige Variation, die oft als "Wiggles" bezeichnet wird, mit einer Periode von Jahrzehnten. Süss sagte, er habe die Linie, die die Wiggles zeigt, durch "kosmischen Schwung" gezeichnet, womit er meinte, dass die Schwankungen durch außerirdische Kräfte verursacht wurden. Eine Zeit lang war unklar, ob die Schwankungen real sind oder nicht, aber jetzt sind sie gut belegt. Diese kurzfristigen Schwankungen in der Kalibrierungskurve sind heute als de-Vries-Effekte bekannt, nach Hessel de Vries. ⓘ

Eine Kalibrierungskurve wird verwendet, indem man das von einem Labor gemeldete Radiokohlenstoffdatum nimmt und auf der vertikalen Achse des Diagramms quer zu diesem Datum abliest. Der Punkt, an dem sich diese horizontale Linie mit der Kurve schneidet, ergibt das Kalenderalter der Probe auf der horizontalen Achse. Dies ist die Umkehrung der Art und Weise, wie die Kurve konstruiert ist: ein Punkt auf der Kurve wird von einer Probe mit bekanntem Alter abgeleitet, wie z.B. einem Baumring; wenn dieser getestet wird, ergibt das resultierende Radiokohlenstoffalter einen Datenpunkt für die Kurve. ⓘ

Die Kurve der nördlichen Hemisphäre von IntCal20. Ab 2020 ist dies die neueste Version der Standardkalibrierungskurve. Die diagonale Linie zeigt, wo die Kurve liegen würde, wenn das Radiokohlenstoffalter und das Kalenderalter identisch wären. ⓘ

Im Laufe der nächsten dreißig Jahre wurden zahlreiche Kalibrierkurven mit einer Vielzahl von Methoden und statistischen Ansätzen veröffentlicht. Diese wurden durch die IntCal-Kurvenreihe abgelöst, beginnend mit IntCal98, veröffentlicht 1998, und aktualisiert 2004, 2009, 2013 und 2020. Die Verbesserungen dieser Kurven basieren auf neuen Daten, die aus Baumringen, Varven, Korallen, Pflanzenmakrofossilien, Speläothemen und Foraminiferen gewonnen wurden. Die IntCal20-Daten enthalten getrennte Kurven für die nördliche und die südliche Hemisphäre, da sie sich aufgrund des Hemisphäreneffekts systematisch unterscheiden. Die südliche Kurve (SHCAL20) basiert, soweit möglich, auf unabhängigen Daten und wurde von der nördlichen Kurve abgeleitet, indem der durchschnittliche Offset für die südliche Hemisphäre hinzugefügt wurde, für die keine direkten Daten verfügbar waren. Es gibt auch eine separate marine Kalibrierungskurve, MARINE20. Für eine Reihe von Proben, die eine Sequenz mit einem bekannten zeitlichen Abstand bilden, bilden diese Proben eine Teilmenge der Kalibrierungskurve. Die Sequenz kann mit der Kalibrierkurve verglichen und die beste Übereinstimmung mit der Sequenz ermittelt werden. Diese "Wiggle-Matching"-Technik kann zu einer genaueren Datierung führen, als dies mit einzelnen Radiokarbondaten möglich ist. Wiggle-Matching kann an Stellen eingesetzt werden, an denen es ein Plateau auf der Kalibrierungskurve gibt, und kann daher ein sehr viel genaueres Datum liefern, als es mit den Intercept- oder Wahrscheinlichkeitsmethoden möglich ist. Die Technik ist nicht auf Baumringe beschränkt; so wurde beispielsweise eine geschichtete Tephra-Sequenz in Neuseeland, von der man annimmt, dass sie aus der Zeit vor der menschlichen Besiedlung der Inseln stammt, durch Wiggle-Matching auf 1314 n. Chr. ± 12 Jahre datiert. Die Wiggles bedeuten auch, dass das Ablesen eines Datums aus einer Kalibrierungskurve mehr als eine Antwort ergeben kann: Dies geschieht, wenn die Kurve so stark nach oben und unten wackelt, dass das Radiokohlenstoffalter die Kurve an mehr als einer Stelle schneidet, was dazu führen kann, dass ein Radiokohlenstoffergebnis als zwei getrennte Altersbereiche angegeben wird, die den beiden Teilen der Kurve entsprechen, die das Radiokohlenstoffalter geschnitten hat. ⓘ

Bayes'sche statistische Techniken können angewendet werden, wenn mehrere Radiokohlenstoffdaten kalibriert werden müssen. Wenn zum Beispiel eine Serie von Radiokohlenstoffdaten von verschiedenen Ebenen in einer stratigraphischen Sequenz genommen wird, kann die Bayes'sche Analyse verwendet werden, um Daten, die Ausreißer sind, zu bewerten und verbesserte Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu berechnen, basierend auf der vorherigen Information, dass die Sequenz zeitlich geordnet sein sollte. Als die Bayes'sche Analyse eingeführt wurde, war ihre Anwendung durch die Notwendigkeit begrenzt, Großrechner zur Durchführung der Berechnungen zu verwenden. Inzwischen ist die Technik jedoch in Programmen für Personalcomputer wie OxCal implementiert worden. ⓘ

Berichterstattung von Daten

Seit der Datierung der ersten Proben wurden verschiedene Formate für die Angabe von Radiokohlenstoffergebnissen verwendet. Ab 2019 ist das von der Zeitschrift Radiocarbon vorgeschriebene Standardformat wie folgt. ⓘ

Unkalibrierte Daten sollten als "" angegeben werden.Labor: ${\ce {{}^14C}}$ Jahr ± Bereich BP", wobei:

• Labor das Labor angibt, das die Probe untersucht hat, und die Proben-ID
• ${\ce {{}^14C}}$ Jahr die Altersbestimmung des Labors für die Probe in Radiokohlenstoffjahren ist
• Bereich die Schätzung des Labors für den Fehler bei der Altersbestimmung mit einer Wahrscheinlichkeit von 1σ.
• BP" steht für "vor der Gegenwart" und bezieht sich auf ein Referenzdatum von 1950, so dass "500 BP" das Jahr 1450 n. Chr. bedeutet. ⓘ

Das unkalibrierte Datum "UtC-2020: 3510 ± 60 BP" bedeutet beispielsweise, dass die Probe vom UtC (Utrecht van der Graaff Laboratorium) mit der Probennummer "2020" untersucht wurde und dass das unkalibrierte Alter 3510 Jahre vor der Gegenwart beträgt, ± 60 Jahre. Manchmal werden verwandte Formen verwendet: "10 ka BP" bedeutet zum Beispiel 10.000 Radiokohlenstoffjahre vor der Gegenwart (d. h. 8.050 v. Chr.), und "¹⁴
C yr BP" kann verwendet werden, um das unkalibrierte Datum von einem Datum zu unterscheiden, das aus einer anderen Datierungsmethode wie der Thermolumineszenz stammt. ⓘ

Kalibrierte ¹⁴
C-Daten werden häufig als "cal BP", "cal BC" oder "cal AD" angegeben, wobei sich "BP" wiederum auf das Jahr 1950 als Nulldatum bezieht. Radiocarbon bietet zwei Optionen für die Angabe kalibrierter Daten. Ein gängiges Format ist "cal Datumsbereich Konfidenz", wobei:

• Datumsbereich der Datumsbereich ist, der dem angegebenen Konfidenzniveau entspricht
• Konfidenz das Konfidenzniveau für den angegebenen Datumsbereich angibt. ⓘ

Zum Beispiel bedeutet "cal 1220-1281 AD (1σ)" ein kalibriertes Datum, für das das wahre Datum zwischen 1220 AD und 1281 AD liegt, mit einem Konfidenzniveau von "1 sigma" oder etwa 68 %. Die kalibrierten Daten können auch als "BP" anstelle von "BC" und "AD" angegeben werden. Die zur Kalibrierung der Ergebnisse verwendete Kurve sollte die letzte verfügbare IntCal-Kurve sein. Bei den kalibrierten Daten sollten auch alle Programme wie OxCal angegeben werden, die zur Durchführung der Kalibrierung verwendet wurden. Darüber hinaus empfiehlt ein Artikel in Radiocarbon aus dem Jahr 2014 über Konventionen bei der Berichterstattung über Radiokohlenstoffdaten, dass Informationen über die Probenbehandlung, einschließlich des Probenmaterials, der Vorbehandlungsmethoden und der Qualitätskontrollmessungen, angegeben werden sollten; dass der Verweis auf die für die Kalibrierung verwendete Software die Versionsnummer und alle verwendeten Optionen oder Modelle angeben sollte; und dass das kalibrierte Datum mit den zugehörigen Wahrscheinlichkeiten für jeden Bereich angegeben werden sollte. ⓘ

Verwendung in der Archäologie

Auswertung

Ein Schlüsselkonzept bei der Interpretation von Radiokarbondaten ist die archäologische Assoziation: Was ist die wahre Beziehung zwischen zwei oder mehr Objekten an einer archäologischen Stätte? Es kommt häufig vor, dass eine Probe für die Radiokohlenstoffdatierung direkt vom Objekt des Interesses genommen werden kann, aber es gibt auch viele Fälle, in denen dies nicht möglich ist. Grabbeigaben aus Metall können beispielsweise nicht mit Radiokohlenstoff datiert werden, aber sie können in einem Grab zusammen mit einem Sarg, Holzkohle oder anderem Material gefunden werden, von dem angenommen werden kann, dass es zur gleichen Zeit abgelagert wurde. In diesen Fällen ist ein Datum für den Sarg oder die Holzkohle ein Hinweis auf das Ablagedatum der Grabbeigaben, da ein direkter funktionaler Zusammenhang zwischen beiden besteht. Es gibt auch Fälle, in denen kein funktionaler Zusammenhang besteht, aber die Assoziation recht stark ist: So liefert beispielsweise eine Holzkohleschicht in einer Abfallgrube ein Datum, das mit der Abfallgrube in Verbindung steht. ⓘ

Verunreinigungen sind bei der Datierung von sehr altem Material aus archäologischen Ausgrabungen besonders problematisch, und bei der Auswahl und Vorbereitung der Proben ist große Sorgfalt geboten. Im Jahr 2014 wiesen Thomas Higham und seine Mitarbeiter darauf hin, dass viele der für Neandertaler-Artefakte veröffentlichten Datierungen aufgrund von Verunreinigungen durch "jungen Kohlenstoff" zu jung sind. ⓘ

Wenn ein Baum wächst, tauscht nur der äußerste Baumring Kohlenstoff mit seiner Umgebung aus, so dass das für eine Holzprobe gemessene Alter davon abhängt, wo die Probe entnommen wurde. Das bedeutet, dass die Radiokohlenstoffdaten von Holzproben älter sein können als das Datum, an dem der Baum gefällt wurde. Wenn ein Stück Holz für mehrere Zwecke verwendet wurde, kann es außerdem eine erhebliche Verzögerung zwischen dem Fällen des Baumes und der endgültigen Verwendung in dem Kontext geben, in dem es gefunden wurde. Dies wird oft als das Problem des "alten Holzes" bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist die bronzezeitliche Fährte in Withy Bed Copse in England, die aus Holz gebaut wurde, das eindeutig für andere Zwecke bearbeitet worden war, bevor es für die Fährte wiederverwendet wurde. Ein weiteres Beispiel ist Treibholz, das als Baumaterial verwendet werden kann. Es ist nicht immer möglich, die Wiederverwendung zu erkennen. Bei anderen Materialien kann das gleiche Problem auftreten: So ist beispielsweise bekannt, dass Bitumen von einigen neolithischen Gemeinschaften zur Abdichtung von Körben verwendet wurde; das Radiokohlenstoffalter des Bitumens wird höher sein als das im Labor messbare, unabhängig vom tatsächlichen Alter des Kontextes, so dass die Untersuchung des Korbmaterials ein irreführendes Alter ergibt, wenn nicht darauf geachtet wird. Ein anderes Problem, das mit der Wiederverwendung zusammenhängt, ist das der langen Nutzung oder der verzögerten Ablagerung. Ein hölzernes Objekt, das über einen längeren Zeitraum in Gebrauch ist, wird beispielsweise ein scheinbares Alter aufweisen, das höher ist als das tatsächliche Alter des Kontextes, in dem es deponiert ist. ⓘ

Die ¹⁴C-Methode misst den Zeitpunkt, zu dem der Kohlenstoff der Atmosphäre oder dem Wasser entnommen wurde. Das ist nicht notwendigerweise auch die Zeit, zu der die archäologische Schicht abgelagert wurde. Für eine korrekte Datierung muss der Zusammenhang zwischen dem Abschluss des Kohlenstoff-Isotopensystems in der Probe von der Umwelt und dem zu datierenden historischen Ereignis hergestellt werden. Z. B. kann eine Eiche ein Alter von etlichen Jahrhunderten erreichen. Die ¹⁴C-Untersuchung eines Gegenstandes aus ihrem zentralen Kernholz misst daher nicht den Zeitpunkt, zu dem der Baum gefällt wurde, sondern ein höheres Alter. Hier kann die Dendrochronologie zuverlässige Vergleichswerte liefern. Bei der Datierung der Überreste kurzlebiger Pflanzenteile wie Pflanzensamen spielt dieses Problem im Vergleich zur Größenordnung der Messgenauigkeit keine Rolle. ⓘ

Verwendung außerhalb der Archäologie

Die Archäologie ist nicht der einzige Bereich, in dem die Radiokohlenstoffdatierung eingesetzt wird. Radiokarbondatierungen können beispielsweise auch in der Geologie, Sedimentologie und Seenforschung verwendet werden. Die Möglichkeit, winzige Proben mit AMS zu datieren, hat dazu geführt, dass Paläobotaniker und Paläoklimatologen die Radiokohlenstoffdatierung direkt an Pollen, der aus Sedimentsequenzen gereinigt wurde, oder an kleinen Mengen von Pflanzenmaterial oder Holzkohle anwenden können. Datierungen an organischem Material, das aus Schichten von Interesse gewonnen wurde, können verwendet werden, um Schichten an verschiedenen Orten zu korrelieren, die aus geologischen Gründen ähnlich zu sein scheinen. Die Datierung von Material von einem Ort gibt Aufschluss über den anderen Ort, und die Daten werden auch verwendet, um Schichten in der geologischen Zeitlinie insgesamt einzuordnen. ⓘ

Radiokohlenstoff wird auch zur Datierung von Kohlenstoff verwendet, der aus Ökosystemen freigesetzt wird, insbesondere um die Freisetzung von altem Kohlenstoff zu überwachen, der zuvor als Folge menschlicher Störungen oder des Klimawandels in Böden gespeichert wurde. Jüngste Fortschritte bei den Feldsammlungstechniken ermöglichen auch die Radiokohlenstoffdatierung von Methan und Kohlendioxid, die wichtige Treibhausgase sind. ⓘ

Bemerkenswerte Anwendungen

Pleistozän/Holozän-Grenze im Two Creeks Fossil Forest

Das Pleistozän ist eine geologische Epoche, die vor etwa 2,6 Millionen Jahren begann. Das Holozän, die heutige geologische Epoche, beginnt vor etwa 11 700 Jahren, wenn das Pleistozän endet. Das Datum dieser Grenze, die durch eine starke Klimaerwärmung definiert ist, so genau wie möglich zu bestimmen, war ein Ziel der Geologen während eines Großteils des 20. Bei Two Creeks in Wisconsin wurde ein fossiler Wald entdeckt (Two Creeks Buried Forest State Natural Area), und spätere Forschungen ergaben, dass die Zerstörung des Waldes durch den Valders-Eisvorstoß verursacht wurde, die letzte Bewegung des Eises nach Süden vor dem Ende des Pleistozäns in diesem Gebiet. Vor dem Aufkommen der Radiokohlenstoffdatierung wurden die versteinerten Bäume datiert, indem man Abfolgen von jährlich abgelagerten Sedimentschichten in Two Creeks mit Abfolgen in Skandinavien korrelierte. Dies führte zu Schätzungen, wonach die Bäume zwischen 24.000 und 19.000 Jahre alt waren, und man ging davon aus, dass dies das Datum des letzten Vorstoßes der Wisconsin-Vereisung war, bevor ihr endgültiger Rückzug das Ende des Pleistozäns in Nordamerika markierte. 1952 veröffentlichte Libby Radiokarbondaten für mehrere Proben von der Two Creeks Site und zwei ähnlichen Sites in der Nähe; die Daten wurden auf durchschnittlich 11.404 BP mit einem Standardfehler von 350 Jahren gemittelt. Dieses Ergebnis war nicht kalibriert, da die Notwendigkeit der Kalibrierung von Radiokohlenstoff-Altern noch nicht bekannt war. Weitere Ergebnisse im Laufe des nächsten Jahrzehnts stützten ein durchschnittliches Datum von 11.350 BP, wobei die Ergebnisse, die als die genauesten galten, im Durchschnitt 11.600 BP betrugen. Der Paläobotaniker Ernst Antevs, der an der skandinavischen Varvenserie gearbeitet hatte, widersetzte sich diesen Ergebnissen zunächst, aber seine Einwände wurden schließlich von anderen Geologen zurückgewiesen. In den 1990er Jahren wurden Proben mit AMS untersucht, die (unkalibrierte) Daten zwischen 11.640 BP und 11.800 BP ergaben, beide mit einem Standardfehler von 160 Jahren. Anschließend wurde eine Probe aus dem fossilen Wald für einen Ringversuch verwendet, zu dem Ergebnisse von über 70 Laboratorien vorgelegt wurden. Diese Tests ergaben ein mittleres Alter von 11.788 ± 8 BP (2σ-Vertrauensbereich), was nach der Kalibrierung einen Datumsbereich von 13.730 bis 13.550 cal BP ergibt. Die Radiokarbondaten der Two Creeks gelten heute als ein Schlüsselergebnis für die Entwicklung des modernen Verständnisses der nordamerikanischen Vergletscherung am Ende des Pleistozäns. ⓘ

Schriftrollen vom Toten Meer

Teil der Großen Jesaja-Rolle, eine der Schriftrollen vom Toten Meer ⓘ

1947 wurden in Höhlen in der Nähe des Toten Meeres Schriftrollen entdeckt, die hebräische und aramäische Texte enthielten, von denen man annimmt, dass die meisten von den Essenern, einer kleinen jüdischen Sekte, verfasst wurden. Diese Schriftrollen sind für das Studium der biblischen Texte von großer Bedeutung, da viele von ihnen die frühesten bekannten Fassungen der Bücher der hebräischen Bibel enthalten. Eine Probe der Leinenumhüllung einer dieser Schriftrollen, der Großen Jesaja-Rolle, wurde 1955 in einer Analyse von Libby mit einem geschätzten Alter von 1.917 ± 200 Jahren berücksichtigt. Auf der Grundlage einer Analyse des Schreibstils wurde das Alter von 21 Schriftrollen paläographisch geschätzt, und Proben der meisten dieser Schriftrollen wurden zusammen mit anderen Schriftrollen, die nicht paläographisch datiert worden waren, in den 1990er Jahren von zwei AMS-Labors untersucht. Die Ergebnisse reichten vom frühen 4. Jahrhundert v. Chr. bis zur Mitte des 4. Jahrhunderts n. Chr. In allen bis auf zwei Fällen wurde festgestellt, dass die Schriftrollen nicht mehr als 100 Jahre vom paläographisch ermittelten Alter entfernt sind. Die Jesaja-Rolle wurde in die Untersuchung einbezogen und weist aufgrund der Form der Kalibrierungskurve an diesem Punkt mit einer Wahrscheinlichkeit von 2σ zwei mögliche Datierungsbereiche auf: mit 15 % Wahrscheinlichkeit stammt sie aus der Zeit zwischen 355 und 295 v. Chr., mit 84 % Wahrscheinlichkeit aus der Zeit zwischen 210 und 45 v. Chr. Später wurden diese Datierungen mit der Begründung kritisiert, dass die Schriftrollen vor der Untersuchung mit modernem Rizinusöl behandelt wurden, um die Schrift besser lesbar zu machen; es wurde argumentiert, dass die Datierungen zu jung wären, wenn das Rizinusöl nicht ausreichend entfernt worden wäre. Es wurden mehrere Arbeiten veröffentlicht, die diese Kritik sowohl unterstützen als auch widerlegen. ⓘ

Auswirkungen

Bald nach der Veröffentlichung von Libbys Aufsatz 1949 in Science begannen Universitäten in aller Welt mit der Einrichtung von Labors für die Radiokarbondatierung, und Ende der 1950er Jahre gab es mehr als 20 aktive ¹⁴
C-Forschungslaboratorien. Es wurde schnell deutlich, dass die Grundsätze der Radiokohlenstoffdatierung gültig waren, trotz gewisser Diskrepanzen, deren Ursachen damals noch unbekannt waren. ⓘ

Die Entwicklung der Radiokohlenstoffdatierung hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Archäologie und wird oft als "Radiokohlenstoffrevolution" bezeichnet. Mit den Worten des Anthropologen R. E. Taylor: "¹⁴
C-Daten haben eine weltweite Vorgeschichte möglich gemacht, da sie eine Zeitskala liefern, die lokale, regionale und kontinentale Grenzen überschreitet". Sie ermöglichen eine genauere Datierung innerhalb von Stätten als frühere Methoden, die in der Regel entweder von der Stratigraphie oder von Typologien (z. B. von Steinwerkzeugen oder Keramik) abgeleitet wurden; sie ermöglichen auch den Vergleich und die Synchronisierung von Ereignissen über große Entfernungen hinweg. Das Aufkommen der Radiokohlenstoffdatierung könnte sogar zu besseren Feldmethoden in der Archäologie geführt haben, da eine bessere Datenerfassung zu einer festeren Verbindung von Objekten mit den zu untersuchenden Proben führt. Diese verbesserten Feldmethoden wurden manchmal durch Versuche motiviert, zu beweisen, dass ein ¹⁴
C-Datum falsch war. Taylor weist auch darauf hin, dass die Verfügbarkeit eindeutiger Datumsangaben die Archäologen von der Notwendigkeit befreite, einen Großteil ihrer Energie auf die Bestimmung der Datierung ihrer Funde zu verwenden, und zu einer Ausweitung der Fragen führte, die Archäologen zu erforschen bereit waren. Ab den 1970er Jahren wurden zum Beispiel Fragen zur Entwicklung des menschlichen Verhaltens in der Archäologie viel häufiger gestellt. ⓘ

Der durch die Radiokohlenstoffmethode geschaffene Datierungsrahmen führte zu einer Änderung der vorherrschenden Auffassung darüber, wie sich Innovationen im prähistorischen Europa verbreiteten. Zuvor waren die Forscher davon ausgegangen, dass sich viele Ideen durch Diffusion über den Kontinent oder durch Invasionen von Völkern, die neue kulturelle Ideen mitbrachten, verbreiteten. Als Radiokarbondaten diese Annahme in vielen Fällen zu widerlegen begannen, wurde deutlich, dass diese Innovationen manchmal lokal entstanden sein müssen. Dies wurde als "zweite Radiokohlenstoffrevolution" bezeichnet, und im Hinblick auf die britische Vorgeschichte hat der Archäologe Richard Atkinson die Auswirkungen der Radiokohlenstoffdatierung als "radikale ... Therapie" für die "fortschreitende Krankheit des Invasionismus" bezeichnet. Im weiteren Sinne hat der Erfolg der Radiokohlenstoffdatierung das Interesse an analytischen und statistischen Ansätzen für archäologische Daten geweckt. Taylor hat auch die Auswirkungen der AMS und die Fähigkeit, genaue Messungen aus sehr kleinen Proben zu erhalten, als Einleitung einer dritten Radiokohlenstoffrevolution beschrieben. ⓘ

Gelegentlich wird mit Radiokohlenstoffdatierungstechniken ein Objekt von allgemeinem Interesse datiert, z. B. das Grabtuch von Turin, ein Stück Leinenstoff, von dem einige glauben, dass es ein Bild von Jesus Christus nach seiner Kreuzigung trägt. Drei verschiedene Labors datierten 1988 Leinenproben des Grabtuchs; die Ergebnisse wiesen auf eine Herkunft aus dem 14. Jahrhundert hin, was Zweifel an der Echtheit des Grabtuchs als angebliche Reliquie aus dem 1. ⓘ

Forscher haben andere durch kosmische Strahlung erzeugte radioaktive Isotope untersucht, um festzustellen, ob sie ebenfalls zur Datierung von Objekten von archäologischem Interesse verwendet werden können; zu diesen Isotopen gehören ³
He, ¹⁰
Be, ²¹
Ne, ²⁶
Al und ³⁶
Cl. Mit der Entwicklung der AMS in den 1980er Jahren wurde es möglich, diese Isotope so genau zu messen, dass sie die Grundlage für nützliche Datierungstechniken bildeten, die in erster Linie zur Datierung von Gesteinen eingesetzt wurden. Natürlich vorkommende radioaktive Isotope können ebenfalls die Grundlage für Datierungsmethoden bilden, wie bei der Kalium-Argon-Datierung, der Argon-Argon-Datierung und der Uranreihen-Datierung. Andere Datierungstechniken, die für Archäologen von Interesse sind, sind die Thermolumineszenz, die optisch stimulierte Lumineszenz, die Elektronenspinresonanz und die Spaltspurendatierung sowie Techniken, die von Jahresbändern oder -schichten abhängen, wie die Dendrochronologie, die Tephrochronologie und die Varvenchronologie. ⓘ

Physikalische Grundlagen

Kohlenstoffkreislauf von ¹⁴C ⓘ

In der Natur kommen drei Isotope des Kohlenstoffs vor: ¹²C, ¹³C, ¹⁴C. Isotopenuntersuchungen zeigen, dass der Anteil am Gesamtkohlenstoffgehalt in der Luft für ¹²C etwa 98,89 %, für ¹³C etwa 1,11 % und für ¹⁴C etwa 1,25·10⁻¹⁰% beträgt. Auf rund 1 Billion ¹²C-Kerne kommt so statistisch nur ein einziger ¹⁴C-Kern. Im Gegensatz zu ¹²C und ¹³C ist ¹⁴C nicht stabil und wird deswegen auch Radiokohlenstoff genannt. ⓘ

Entstehung von 14C

¹⁴C wird ständig durch Kernreaktionen in den oberen Schichten der Erdatmosphäre neu gebildet. Wenn die kosmische Strahlung auf Atome der Atmosphäre trifft, werden durch Spallation Neutronen freigesetzt. Wenn das in der Atmosphäre mit Abstand häufigste Isotop, das Stickstoff-Isotop ¹⁴N, von einem solchen Neutron getroffen wird, so kann die Kernreaktion ¹⁴N(n,p)¹⁴C erfolgen, in der dieses Neutron eingefangen und dafür ein Proton abgespalten wird. Dadurch entsteht aus dem ¹⁴N-Kern ein ¹⁴C-Kern:

${}_{\ 7}^{14}\mathrm {N} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \rightarrow {}_{\ 6}^{14}\mathrm {C^{*}} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$ ⓘ

Zerfall von 14C

¹⁴C zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 ± 40 Jahren (sog. „Cambridge-Halbwertszeit“) durch β⁻-Zerfall zu ¹⁴N, einem Elektron und einem Antineutrino:

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

Innerhalb dieser Zeit verteilt sich der Radiokohlenstoff weiträumig, siehe Kohlenstoffkreislauf. ⓘ

Gleichgewichtskonzentration

Neubildung und Zerfall bilden ein Fließgleichgewicht. Die relative Gleichgewichtskonzentration von Radiokohlenstoff hängt ab von der Neubildungsrate, von der Halbwertszeit des Zerfalls und von der Menge des Kohlenstoffs, der auf dieser Zeitskala in Kontakt mit der Atmosphäre ist, wo Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid vorliegt. Die Schwankungen dieses Anteils werden unten im Abschnitt Zeitliche Schwankungen beschrieben. ⓘ

Start der Uhr durch Fixierung

Dieser Kohlenstoff wird von Pflanzen aufgenommen, siehe Kohlenstoffdioxid-Fixierung, und mehr oder weniger dauerhaft gelagert oder gleich in die Nahrungskette eingebracht. Bei diesen Prozessen findet eine sehr geringe Fraktionierung nach der Isotopenmasse statt (siehe unten), der Anteil an Radiokohlenstoff in Lebewesen ist also zunächst fast so wie in der Atmosphäre. Ab dem Zeitpunkt der Fixierung sinkt der Anteil aber nach dem Zerfallsgesetz:

$\left({\frac {{}^{14}\mathrm {C} }{{}^{12}\mathrm {C} }}\right)={\left({\frac {{}^{14}\mathrm {C} }{{}^{12}\mathrm {C} }}\right)}_{\text{Luft}}\cdot e^{-\lambda _{14}t}\quad {\text{mit}}\quad \lambda _{14}=1{,}21\cdot 10^{-4}\,{\frac {1}{\mathrm {a} }}$ ⓘ

So ist das Verhältnis zwischen ¹⁴C und ¹²C eines organischen Materials ein Maß für das Alter seit der Kohlenstoffdioxid-Fixierung. Auch in anorganische Stoffe kann Radiokohlenstoff gelangen. Ein Beispiel ist das Carbonat in Schalen von Muscheln. Deren Radiokohlenstoffalter ist das der Schalen zuzüglich des Alters des Kohlenstoffs beim Einbau in die Schale plus einer etwas größeren Korrektur für Fraktionierung. Ein weiteres Beispiel ist Radiokohlenstoff in Legierungen über bei ihrer Herstellung verwendete Holzkohle. Das ¹⁴C-Alter zeigt dann den Zeitpunkt der Herstellung an, zuzüglich des Alters des verwendeten organischen Kohlenstoffs. ⓘ

Die Radiokarbondatierung ist somit die Messung des Verhältnisses der Mengen der Kohlenstoff-Isotope ¹⁴C zu ¹²C einer Probe sowie eines Standards, der das Verhältnis zu Beginn der Alterung repräsentiert. Der ¹⁴C-Gehalt einer Probe kann entweder durch Zählung der zerfallenden ¹⁴C-Kerne im Zählrohr, im „Flüssigkeits-Szintillations-Spektrometer“ oder durch Zählung der noch vorhandenen ¹⁴C-Kerne mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie bestimmt werden. Letztere Methode benötigt weniger Material als die ersten beiden, ist dafür aber aufwändiger und teurer. ⓘ

Ablauf der Untersuchung

Die Durchführung erfordert neben der Anwendung der Physik auch zahlreiche Schritte mit Hilfe der angewandten Chemie, um die Probe mit einem Zählrohr (nach Libby), der „Flüssigszintillationsspektrometrie“ oder mit dem Verfahren der Beschleuniger-Massenspektrometrie untersuchen zu können. Die folgende Darstellung des Untersuchungsvorgangs ist sehr stark vereinfacht. ⓘ

Chemische Vorbereitungen der Probe

Das zu untersuchende organische Material muss zu reinem Kohlenstoff reduziert werden, um eine Bestimmung durchführen zu können. Viele andere Stoffe müssen also aus der Probe vorher entfernt werden. Im Folgenden wird beispielhaft die Vorbereitung von Holz (ohne Nadelhölzer) dargestellt, wie sie in entsprechenden Laboratorien gebräuchlich ist. ⓘ

Die Probe wird über Nacht in 4 % Natronlauge bei 60 °C (Wasserbad) gekocht. Am nächsten Tag erfolgt eine Säure-Lauge-Säure-Behandlung (4 % Salzsäure 30 min, 3 mal 4 % Natronlauge 1 Stunde, 4 % Salzsäure 1 Stunde). Bei Proben, die sehr genau gemessen werden müssen (z. B. bei Kalibrierungen), wird das Holz auf Zellulose reduziert, wobei nach dem zweiten Laugeschritt die Lauge durch Natriumchloritlösung (mit Salzsäure gemischt bis pH 3) ersetzt wird. ⓘ

Das erhaltene reine Zellulosematerial wird mit Kupfer(I)-oxid und Silber in einer evakuierten Quarzampulle hoch erhitzt. Hierbei verbrennen die organischen Bestandteile zu CO₂, Stickstoffoxid, Schwefeloxid und Halogenverbindungen. Das Silber bindet das Schwefeloxid und die Halogenverbindungen. ⓘ

Das CO₂ kann nun mit einem Zählrohr gemessen werden, oder es wird für die Flüssigszintillationsspektrometrie in Benzol umgewandelt, oder es wird mit Wasserstoff an Eisenpulver zu Graphit reduziert, um anschließend eine ¹⁴C-Bestimmung mittels der Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) durchzuführen. ⓘ

Zählrohrmethode nach Libby

Die klassische Methode für Radiokohlenstoffmessungen, wie sie schon von Libby benutzt wurde, ist der direkte Nachweis des radioaktiven Zerfalls in einem Zählrohr. Hierbei wird als Zählgas das aus der Probe durch Verbrennung gewonnene CO₂ verwendet. Aufgrund der langen Halbwertszeit und der geringen Häufigkeit von ¹⁴C beträgt die Aktivität eines Mols modernen Kohlenstoffs nur etwa 3 Zerfälle pro Sekunde. Um eine Genauigkeit von 40 Jahren zu erreichen, müssen aber insgesamt mehr als 40.000 Zerfälle gezählt werden. Um eine hohe Präzision der Messung zu erzielen, sind also, neben einer guten Abschirmung des Zählrohres gegen die natürliche Strahlung, relativ große Probenmengen (bis zu 1 kg des Ausgangsmaterials) und eine lange Messdauer erforderlich. Da bei sehr alten Proben nur noch sehr wenig ¹⁴C enthalten ist, können diese nur entsprechend unsicher gemessen werden. Bei einem Probenalter von etwa 50.000 Jahren gilt mit einer Unsicherheit von ±5000 Jahren die Nachweisgrenze als erreicht. ⓘ

Flüssigszintillationsspektrometrie

Eine sehr verbreitete Methode der Messung des radioaktiven Zerfalls von ¹⁴C ist die Flüssigszintillationsspektrometrie. Der zu datierende Kohlenstoff wird dazu in einer Vakuumlinie über mehrere Zwischenstufen in Benzol umgewandelt. Diesem wird anschließend ein organischer Szintillator beigemischt. Der Szintillator wandelt die Energie der beim Zerfall von ¹⁴C freigesetzten Elektronen in Lichtpulse um. Diese werden dann im Spektrometer von hochempfindlichen Photomultipliern verstärkt und gezählt. Dieses Verfahren besitzt gegenüber der Zählrohrmethode den Vorteil, dass mehr Kohlenstoff in der Messkammer untergebracht werden kann. Dadurch sind bei gleicher Genauigkeit kürzere Messzeiten möglich. Außerdem sind für die Radiokarbondatierung optimierte Spektrometer kommerziell erhältlich, während die Zählrohre Eigenentwicklungen der jeweiligen Labore sind. ⓘ

Methodische Randbedingungen

Nachweisgrenze

Eine frische Kohlenstoff-Probe enthält nur etwa 1 Teil pro Billion (ppt) ¹⁴C-Atome. Auf 10¹² Atome des Isotops ¹²C kommt also ein ¹⁴C-Atom. So enthält beispielsweise eine Tonne Kohlenstoff lediglich 1 µg ¹⁴C. ⓘ

Die Nachweisgrenze von ¹⁴C liegt bei 1 Teil pro Billiarde (ppq), entsprechend einer Konzentration von etwa einem Tausendstel der Menge an ¹⁴C in einer frischen Probe, und wird durch Beschränkungen der Messgeräte sowie in sehr geringen Mengen vorhandenes „Untergrund-¹⁴C“ aus anderen Quellen bestimmt. Durch den radioaktiven Zerfall nimmt die Menge von ¹⁴C mit der Zeit ab. Nach 10 Halbwertszeiten, das sind ca. 57.300 Jahre, liegt der Anteil unterhalb der Nachweisgrenze. Die Radiokarbonmethode ist daher nur für jüngere Proben anwendbar. Für die Altersbestimmung erdgeschichtlicher Fossilien z. B. in Bernstein, Braunkohle, Steinkohle oder Diamanten ist sie unbrauchbar (hier kann z. B. die Kalium-Argon-Datierung verwendet werden). ⓘ

Messgenauigkeit

Wie bei jeder physikalischen Messung hat die Messunsicherheit einen statistischen und einen systematischen Teil. Die statistische Unsicherheit ist die des Isotopenverhältnisses. Dazu trägt zum Beispiel bei der Zählrohrmethode die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls bei. Sie wird vom Labor in der leicht lesbaren Form ±n Jahre als einfache Standardabweichung angegeben. ⓘ

Zusätzlich müssen die in den nächsten Abschnitten beschriebenen Fehlerquellen durch Korrektur um den wahrscheinlichen Betrag der Abweichung und Angabe ihrer Unsicherheit berücksichtigt werden. Insbesondere sind dies:

• Alle Verfälschungen bei der Reinigung und Aufbereitung der Probe (eher vernachlässigbar).
• Alle Verfälschungen von der Entstehung der Probe bis zum Fund heute.
  • Aus im Wasser gelösten Salzen fällt in Knochen Dolomit aus und wird bei den für die Säurereinigung üblichen Temperaturen nicht vollständig gelöst. Ins Wasser gelöst wurden diese Karbonate vorher als Hydrogenkarbonate mit Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Sehr alte Knochenproben (älter als zwanzigtausend Jahre) werden oft erheblich zu jung gemessen.
• Alle Abweichungen im Kohlenstoffalter der Probe vom Alter der zu bestimmenden Schicht.
• Alle rein statistischen Schwankungen zwischen scheinbar gleichen Proben aus demselben Fundkontext.
• Alle Abweichungen der ¹⁴C-Konzentration des Probenmaterials zur Lebenszeit von der Umgebungsluft.
  • Vor allem Meerestiere und -pflanzen nehmen teilweise Kohlenstoff auf, der aus gelöstem Kalkstein oder aufsteigenden Strömungen aus der Tiefsee stammt, und werden erheblich zu alt gemessen (Reservoireffekt). ⓘ

Zeitliche Schwankungen des atmosphärischen 14C/12C-Verhältnisses

Natürliche Schwankungen

Natürliche zeitliche Schwankungen des ¹⁴C/¹²C-Verhältnisses wurden erstmals 1958 durch Hessel de Vries nachgewiesen, indem er zeigte, dass sich das ¹⁴C/¹²C-Verhältnis zwischen dem 16. und dem 19. Jahrhundert um ca. 2 % änderte. Hauptsächlich drei Faktoren spielen für die natürlichen Schwankungen eine bedeutende Rolle. ⓘ

Schwankungen der Sonnenfleckenzahl über der Zeit ⓘ

• Dies sind zum einen die Modulation der kosmischen Strahlung durch die Sonnenaktivität, welche die Produktionsrate beeinflusst und kurzfristige Schwankungen, auch Wiggle- oder DeVries-Effekt genannt, verursacht.
• Daneben wird die ¹⁴C-Produktionsrate auch durch Veränderung des geomagnetischen Dipolfeldes um bis zu einem Faktor drei beeinflusst. Dies spielt auf Zeitskalen größer als hundert Jahre eine Rolle.
• Des Weiteren trägt der Kohlenstoffaustausch zwischen verschiedenen irdischen Kohlenstoffreservoirs und der Atmosphäre zur Schwankung des atmosphärischen ¹⁴C/¹²C-Verhältnisses bei. ⓘ

Weiter werden manchmal singuläre Ereignisse wie etwa nahe Supernovaexplosionen diskutiert. ⓘ

Durch Messungen, die zur Aufstellung der INTCAL98 Kalibrierkurve führten, aber auch durch einige zeitlich weiter zurückführende Messungen, welche beispielsweise auf maritimen Sediment-Bohrkernen aus dem Cariaco-Becken (vor der Nordküste Venezuelas) beruhen, konnte inzwischen die Abweichung des ¹⁴C/¹²C-Verhältnisses vom heutigen Wert bis zu 48 000 Jahren zurückverfolgt werden. Dabei zeigt sich, dass neben den kurzfristigeren Schwankungen ein genereller Anstieg des ¹⁴C (= Abweichung vom heutigen ¹⁴C/¹²C-Verhältnis in Promille) auf Werte bis zu über 800 Promille (Cariaco-Daten) zu einer Zeit vor etwa 40 000 Jahren BP erreicht werden, was einer Abweichung zwischen Radiokohlenstoffalter und Kalenderalter von etwa 5000 Jahren entspricht. Zwischen 40 000 und 42 000 Jahren BP fällt das ¹⁴C abrupt auf heutige Werte ab und schwankt zwischen etwa 0 und −200 Promille im Zeitraum zwischen 42 000 Jahren und 50 000 Jahren BP. Neben dem Gipfel vor 40 000 Jahren gibt es noch kleinere Gipfel vor 34 000 Jahren, 29 000 Jahren und 17.000 Jahren BP. Andere Datensätze (Sedimente aus dem Suigetsu-See, Bahamas Speläothem) zeigen gleiche Strukturen, weisen aber für Zeiten vor 25 000 Jahren Offsets im Vergleich zu den Daten aus dem Cariaco-Bohrkern auf, welche umgerechnet in Radiokohlenstoff-Jahre etwa in der Größenordnung von etwa 1000 Jahren liegen. ⓘ

Der Vergleich dieser Daten mit berechneten Produktionsraten, in welche publizierte Änderungen des geomagnetischen Feldes über den entsprechenden Zeitraum eingingen, zeigt, dass die langfristigen Änderungen und die gefundenen Peaks sich im Allgemeinen gut durch Änderungen des Erdmagnetfeldes erklären lassen, wobei auch reduzierte Kohlenstoffsenken während Vereisungszeiten und andere Änderungen des Kohlenstoffzyklus eine Rolle zu spielen scheinen. Die Peaks vor 34 000 Jahren und 40 000 Jahren stimmen zeitlich gut mit Peaks der Radionuklide ³⁶Cl und ¹⁰Be überein, welche in Eisbohrkernen nachgewiesen wurden. Für kurzzeitige Schwankungen konnte eine Korrelation mit der Sonnenaktivität und der Temperatur der nördlichen Hemisphäre nachgewiesen werden. Die ¹⁴C-Produktionsraten sind dabei niedriger, wenn die Sonnenaktivität (Sonnenflecken) hoch ist. ⓘ

Suess-Effekt

Der Suess-Effekt ist nach Hans E. Suess (1909–1993) benannt und beschreibt den Einfluss der Industrialisierung auf den ¹⁴C-Gehalt in der Atmosphäre. Mit Beginn der Industrialisierung vor ca. 150 Jahren wurden vermehrt fossile Brennstoffe wie Erdöl und Kohle verwendet. Diese Stoffe enthalten kein nachweisbares ¹⁴C mehr, da sie wesentlich älter als ca. 10 Halbwertszeiten (ca. 60.000 Jahre) sind. Dadurch kann ein zu großes Alter der untersuchten Probe vorgetäuscht werden, denn bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe werden nur ¹²C und ¹³C (nicht radioaktiv) frei und verdünnen die Menge des radioaktiven ¹⁴C in der Atmosphäre. Durch die Verdünnung des ¹⁴C in der Atmosphäre kommt es zu einem verringerten Ausgangswert des ¹⁴C in den Organismen, welcher bei der Bestimmung des ¹⁴C-Alters berücksichtigt werden muss. ⓘ

Kernwaffeneffekt

¹⁴C in der Atmosphäre. ⓘ

Durch die Einsätze und atmosphärischen Tests von Kernwaffen zwischen 1945 und 1963 wurde die Menge an ¹⁴C in der Atmosphäre stark erhöht. Bis heute ist das ¹⁴C/¹²C-Verhältnis noch nicht wieder auf den Wert von vor 1945 gesunken. Es gibt für jedes Jahr Referenzproben, und aufgrund der starken Schwankung können Proben auf ±1 Jahr genau datiert werden. ⓘ

Die durch die Kernwaffenversuche verursachte massive lokale Erzeugung von ¹⁴C in der Atmosphäre konnte benutzt werden, um das zeitliche Verhalten und vor allem den räumlichen Transportprozess von ¹⁴C genau zu untersuchen. Damit konnte bestätigt werden, dass ¹⁴C sich in der Atmosphäre innerhalb kurzer Zeit weltweit homogenisiert. Somit wurde ein früheres Forschungsresultat von Ernest C. Anderson über die räumliche Homogenität des ¹⁴C in der Atmosphäre bestätigt. Diese Homogenität ist eine wichtige Voraussetzung für die Kalibrierung und Anwendung der ¹⁴C-Methode. ⓘ

Korrekturen der Messung

Fraktionierung

Da die Isotope ¹²C, ¹³C und ¹⁴C unterschiedlich schwer sind, werden sie bei Transportprozessen und chemischen Umsetzungen geringfügig unterschiedlich leicht bewegt bzw. freigesetzt (Isotopenfraktionierung), so dass sich ihr Mischungsverhältnis ändert. Bei der Photosynthese z. B. wird dadurch das Verhältnis von ¹⁴C zu ¹²C in der Pflanze gegenüber der Luft verringert. Für das Verhältnis ¹³C zu ¹²C gilt das Gleiche, wobei hier der Effekt nur halb so groß ist. Aufgrund des hohen Anteils von ¹³C am Gesamtkohlenstoff von ca. 1 % lässt sich dieser Effekt beim ¹³C verhältnismäßig leicht messen, so dass anschließend der Effekt für ¹⁴C berechnet und bei der Altersbestimmung berücksichtigt werden kann. ⓘ

Ein wichtiger Unterschied in der Isotopenfraktionierung besteht zum Beispiel zwischen C3-Pflanzen und C4-Pflanzen. Das Verhältnis ¹³C / ¹²C kann so auch anhand von Knochen beispielsweise wichtige Hinweise über die Ernährung liefern. ⓘ

Reservoireffekt und Hartwassereffekt

In bestimmten Fällen ist die Ausgangskonzentration des zu datierenden Objekts nicht diejenige der Atmosphäre, sondern die eines anderen größeren Kohlenstoffreservoirs. Von diesem Reservoireffekt sind meistens Systeme der Hydrosphäre betroffen, da festländischen Kohlenstoffkreisläufe im Allgemeinen in gutem Austausch mit der Atmosphäre stehen. ⓘ

In Meeren entstehen Reservoireffekte, da ein Großteil des Wassers in erheblichen Tiefen liegt und das dort enthaltene ¹⁴C zerfällt, ohne dass es im Austausch mit der Atmosphäre steht. Meerwasser hat deswegen eine niedrigere ¹⁴C Konzentration als die Atmosphäre und Meerespflanzen und Fische werden aufgrund dieses Reservoireffekts typischerweise ca. 400 Jahre „zu alt“ datiert. Auch in der Antarktis frisch gefangene Fische würden auf mehrere hundert Jahre ¹⁴C-datiert, wenn man nicht berücksichtigen würde, dass sie über die Nahrungskette Kohlenstoff aus Wasser aufnehmen, das sich aus sehr alten Eismassen bildet. ⓘ

Im Süßwasser treten verschiedene Reservoireffekte auf, durch den sich der ¹⁴C-Gehalt in untersuchten Proben verringert. Als einer der wichtigsten gilt der Hartwassereffekt. Dieser entsteht, wenn das Süßwasser sich teilweise aus älteren, also ¹⁴C-freien, Carbonaten des Untergrundes zusammensetzt und sich damit das Isotopenverhältnis im Gewässer verschiebt. Der ¹⁴C-Gehalt kann aber auch durch andere Stoffe (beispielsweise alten Torf) verringert werden, weswegen weiches Süßwasser keine Garantie für die Abwesenheit eines Reservoireffektes ist. ⓘ

Kalibrierung

Das als Messergebnis eines konventionellen ¹⁴C- oder AMS-Labors erhaltene Rohdatum mit der zugehörigen Standardabweichung bezieht sich immer auf das Jahr 1950, was jedoch keinen kalendarischen Wert beinhaltet, weil es auf einer nicht der Wirklichkeit entsprechenden konstanten ¹⁴C-Entstehungsrate basiert. Ende der 1950er Jahre stellten Wissenschaftler nämlich fest, dass die Produktion von ¹⁴C-Isotopen und damit der ¹⁴C-Gehalt der Atmosphäre im Verlauf der Erdgeschichte erheblichen Schwankungen unterworfen war und ist, was durch kurz- und langfristige Zyklen der Sonnenaktivität sowie Schwankungen des Erdmagnetfeldes verursacht wird. Die für diese, auf 1950 bezogenen Rohdaten übliche falsche Bezeichnung „BP“ kann wegen der naheliegenden Übersetzung „vor heute“ zu Missverständnissen führen. ⓘ

Denn aus den dargestellten Gründen können ¹⁴C-Rohdaten zu Abweichungen von bis zu mehreren tausend Sonnenjahren führen und müssen daher berichtigt werden. Diese Umrechnung der ¹⁴C-Rohdaten wird als Kalibrierung bezeichnet und in der englischsprachigen Literatur als calBP angegeben. Zur weiteren Umrechnung in unsere allgemeine Zeitrechnung für wissenschaftlich eindeutige Vergleiche, besonders in der Archäologie und Vorgeschichte, müssen von der kalibrierten Angabe noch die 1950 Jahre abgezogen und mit kal. v. Chr. eindeutig bezeichnet werden (englisch „calBC“ für before Christ oder „BCE“ für before the Common Era) verwendet. Zu jeder dieser Angaben gehört die Streuungsangabe und ihre Größe (1 oder 2 σ), die oft auch bereits eingerechnet ist, wobei dann die ältere und jüngere Grenze angegeben wird, z. B. „5555-5247 kal. v. Chr.“ ⓘ

Die aktuellste Kalibrierkurve der nördlichen Hemisphäre von INTCAL13. Es gibt separate Grafiken für die Kalibrierung auf der Südhalbkugel und die Kalibrierung von Meeresdaten (Reservoireffekt). ⓘ

Der aktuelle Stand wurde 2013 publiziert und im englischen Programm „OxCal“ eingearbeitet. Es liegt 2020 in der Version 4.4 vor. ⓘ

Das Kölner Programm „CALPAL“ war vorbildlich eindeutig und leicht zu bedienen, blieb aber offenbar unverändert auf dem Stand von 2007. ⓘ

Ein weiteres Programm gibt es vom Quaternary Isotope Lab der University of Washington. ⓘ

Die Kalibrierung archäologischer Einzeldaten >26.000 BP bis zu etwa 50.000 BP ist nach wie vor umstritten, da Kalibrierkurven nur einen gemittelten Wert der Abweichung von Sonnenjahren geben, der in Einzelfällen weit höher ausfallen kann. Als hochauflösender Bereich in Kalenderjahren wird auch bei der INTCAL13-Kurve nur der mittels Dendrochronologie abgesicherte Zeitbereich bis 12.594 cal BP angesehen. ⓘ

Kalibrierung durch Dendrokurven

In den frühen 1960er Jahren wurden erste Kalibrierkurven erstellt, die auf der Dendrochronologie besonders langlebiger Bäume, wie der Bristlecone-Pine und des Riesenmammutbaums, beruhten. Inzwischen konnte das System der Dendrochronologie auf viele Teile der Welt ausgedehnt werden. Die Bristlecone-Pines-Chronologie reicht inzwischen über 9 000 Jahre zurück. Der Hohenheimer Jahrringkalender reicht lückenlos bis ins Jahr 10 461 v. Chr. zurück, also in die Jüngere Dryas (Stand 2004). Die ostmediterrane Kurve umfasst den Zeitraum bis 1800 v. Chr. ⓘ

Kalibrierkurve ⓘ

Abhängigkeit zwischen Radiokohlenstoffalter (Yr = Zeit in Jahren) und dem Dendro-Alter (Kalenderalter)- durch Dendrochronologie bestimmtes Alter – für die vergangenen zwölf Jahrtausende nach Stuiver (1998) ⓘ

Aus den Labordaten ergibt sich zunächst das („konventionelle“) ¹⁴C-Alter B. P. (before = vor, present = standardisiert auf 1950) einschließlich der zugehörigen Standardunsicherheit. Daraus kann mit Hilfe der beschriebenen Kalibrierungsverfahren das kalibrierte Kalenderalter in cal B. P. mit weiterer Streuungsangabe ermittelt werden, daraus anschließend die kalendarische Zeitspanne v. Chr. (BC) oder n. Chr. (AD = Anno Domini). ⓘ

Verläuft die Kalibrierkurve über einen längeren Abschnitt flach (man spricht dann von einem Plateau), führt das dazu, dass Knochen oder Holzkohle, deren Entstehung mehrere hundert Jahre auseinander liegen, dasselbe konventionelle ¹⁴C-Alter aufweisen. Das ist zum Beispiel bei dem Bandkeramischen Plateau zwischen 5500 und 5200 BC cal der Fall, dann wieder in den Bereichen 3100–2900, 2850–2650 und 2600–2480 BC (Endneolithisches Plateau). ⓘ

Inzwischen werden die Schwankungen der Kalibrierkurve auch verwendet, um ¹⁴C-Datierungen zu präzisieren, z. B. durch das von Bernhard Weninger von der Universität Köln entwickelte „Wiggle-matching“. Das ist möglich, wenn präzise Daten vorliegen, deren relative Abfolge durch unabhängige Quellen, etwa der Stratigrafie eines archäologischen Fundortes belegt sind. Damit kann entschieden werden, in welchen Abschnitt der Kalibrierkurve diese Daten am besten hinein passen. ⓘ

Kalibrierung mit Warven

Zunehmend spielt die Kalibrierung mittels Warvenchronologie (Bändertondatierung) eine Rolle, da diese den hoch auflösenden Bereich jährlicher Wachstumsereignisse weit über die Archive aus Baumringdaten erweitern lässt. Die 2012 aus dem japanischen Suigetsu-See publizierte Warvenchronologie reicht 53.000 Jahre zurück und ist damit das weltweit bisher längste bekannte Archiv mit gewarvten Seesedimenten. Die damit wesentlich verbesserte Kalibrierung von Daten, die älter als 11.200 ¹⁴C-Jahre sind, wurde in derselben Ausgabe von Science erstmals publiziert. ⓘ

Forschungsgeschichte

Die Möglichkeit, durch Messung von ¹⁴C zu datieren, wurde erstmals 1949 durch die von J. R. Arnold und W. F. Libby publizierte „Curve of Knowns“ gezeigt, in der anhand von verschiedenen Proben bekannten Alters die inverse Abhängigkeit des ¹⁴C-Gehalts vom Alter der jeweiligen Probe gezeigt wurde. Bis dahin standen vor allem messtechnische Probleme im Vordergrund, insbesondere die Unterscheidung des relativen schwachen Signals aus dem radioaktiven Zerfall des ¹⁴C vom Hintergrund-Signal der Umgebungsradioaktivität. ⓘ

In der Folgezeit wurden einige Voraussetzungen für die zuverlässige Datierung mittels Radiokarbondatierung überprüft. So konnte die Annahme bestätigt werden, dass das ¹⁴C/¹²C-Verhältnis in der globalen Atmosphäre räumlich hinreichend homogen ist bzw. schlimmstenfalls zu lokalen Abweichungen führen, welche in der Größenordnung der sonstigen Messgenauigkeit der Radiokarbondatierung liegen. Spätestens mit den Arbeiten von Suess und deVries wurde jedoch klar, dass das ¹⁴C/¹²C-Verhältnis zeitlichen Schwankungen unterliegt, welche für eine genaue Datierung durch die Radiokarbondatierung berücksichtigt werden müssen. ⓘ

Diese Entdeckung führte seit Beginn der 1960er-Jahre zur Entwicklung von Kalibrationskurven, welche sich zunächst auf Dendrochronologien von langlebigen Riesenmammutbäumen und Bristlecone Pines stützten. Spätere Präzisions-Kalibrationskurven wurden mit Hilfe von Dendrochronologien von kurzlebigeren Bäumen wie dem Hohenheimer Jahrringkalender aufgestellt. Neben Dendrochronologien wurden später zunehmend auch andere unabhängige Methoden (Messungen an Korallen, Eisbohrkernen, Sedimentschichten, Stalagmiten) verwendet, um die auf der Dendrochronologie basierenden Kalibrationskurven zu überprüfen und zu verlängern. Dies führte zu der 2004 veröffentlichten Kalibrationskurve INTCAL04, welche bis 26.000 BP zurückreicht. ⓘ

Ein weiterer Meilenstein war die Anwendung der Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) für die Radiokarbondatierung durch Harry Gove im Jahr 1977. Damit konnte die Radiokarbondatierung an viel kleineren Probenmengen durchgeführt werden als bei der Zählrohrmethode. ⓘ

Im August 2020 wurden in der Fachzeitschrift Radiocarbon für das Festland und für die Ozeane aktualisierte Kalibrationskurven veröffentlicht. ⓘ

Trivia

Die Radiokarbonmethode wird auch benutzt, um Transportwege und Transportmechanismen von Pflanzeninhaltsstoffen zu messen. Dazu begast man die Pflanzen mit CO₂, welches aus Erdöl, Erdgas oder Erdgasbohrungen gewonnen wurde und daher keine nachweisbaren Mengen des Isotops ¹⁴C mehr enthält. Das Isotopenverhältnis dient dann ähnlich einem Tracer als Indikator. Im Zuge der Photosynthese bauen die Pflanzen damit Inhaltsstoffe auf, die mittels Szintillationsspektrometrie in den verschiedenen Pflanzenteilen untersucht werden (damit können geringere Spuren als bei Messung mit CO₂-Sensoren detektiert werden). Beispielsweise wurden damit Pflanzen-Exsudate und deren Einflüsse auf die Wurzelatmung und Bodenatmung bestimmt. ⓘ