C14-Methode: Radiokarbonuhr neu geeicht

Das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Paula Reimer von der Queen«s University in Belfast verwendete Messungen von über 15.000 Proben, die bis zu 60.000 Jahren zurückreichen. Beteiligt an dieser Kooperation ist auch der Paläobotaniker Dr. Michael Friedrich von der Universität Hohenheim in Stuttgart. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift »Radiocarbon« veröffentlicht.

Die Radiokarbondatierung ist die am häufigsten verwendete Methode zur Altersbestimmung von archäologischen oder anthropologischen Fundstücken. Zunehmend greifen auch Umweltwissenschaftler darauf zurück, um herauszufinden wie das Klima in der Vergangenheit war, es besser zu verstehen und daraus Vorhersagen für zukünftige Veränderungen abzuleiten.

Grundlage dieses auch als C14-Datierung bezeichneten Verfahrens ist das Vorkommen des schwach radioaktiven Kohlenstoffisotops ¹⁴C in der Atmosphäre. Dabei ist sein Anteil verschwindend gering: Unter rund einer Billion Kohlenstoffatome findet sich nur ein ¹⁴C-Atom. Im Gegensatz zum mengenmäßig vorherrschenden Kohlenstoffisotop ¹²C, ist ¹⁴C nicht stabil und zerfällt im Laufe der Jahrtausende.

Altersbestimmung mit der Radiokarbonmethode

Egal ob Pflanze oder Tier, solange ein Organismus lebt, nimmt er ständig neuen Kohlenstoff auf. In seinem Körper findet sich daher das gleiche Verhältnis dieser beiden Isotope wie in der Luft. Sobald jedoch ein Lebewesen stirbt und somit kein Stoffwechsel mehr stattfindet, wird auch kein neuer Kohlenstoff mehr im Körpergewebe eingelagert.

Während das stabile Kohlenstoffisotop ¹²C erhalten bleibt, zerfällt das ¹⁴C, seine Menge nimmt mehr und mehr ab, nach 5.730 Jahren hat sie sich halbiert. Findet man nun ein organisches Objekt bei Ausgrabungen, seien es verkohltes Holz oder andere Pflanzenreste, Knochen oder beispielsweise auch Lederreste, können Experten aus der verbliebenen ¹⁴C-Menge im Gewebe Rückschlüsse auf dessen Alter ziehen.

Kalibrationskurven berücksichtigen natürliche ¹⁴C-Schwankungen

Allerdings schwankte im Laufe der Jahrtausende das Verhältnis von ¹⁴C zu ¹²C in der Atmosphäre stark, so dass die Wissenschaftler keine exakten absoluten Alter angeben können. Um trotzdem Rückschlüsse aus dem ¹⁴C-Anteil von Organismen ziehen zu können, brauchen sie eine Eichung. Mit Hilfe von so genannten Kalibrationskurven können die Veränderungen in der atmosphärischen ¹⁴C-Konzentration berücksichtigt werden und das genaue Alter bestimmt werden.

Dazu nutzen die Forscher Vergleichsmaterial, das einerseits sowohl Kohlenstoff speichert, dessen Alter andererseits aber auch sehr gut über andere Methoden bestimmt werden kann. Neben Tropfsteinen und Mineralablagerungen in Höhlen, Korallen aus dem Meer sowie Ablagerungen in Seen und Ozeanen werden vor allem die Jahrringe von Bäumen herangezogen.

Exakter Kalender ‒ die Jahrring-Chronologie der Universität Hohenheim

Diese Dendrochronologie ist ein wichtiges Kernstück bei der Datierung. Sie erlaubt eine jahrgenaue Datierung von Holz und liefert die genaueste Kalibrationskurve. Die unterschiedlich breiten Jahrringe von Bäumen spiegeln die Witterungs- und Standortverhältnisse zum Zeitpunkt ihres Wachstums wieder. Wie bei einem Puzzle können Wissenschaftler Holzstücke aus verschiedenen Epochen aneinanderreihen und so einen Jahrring-Kalender erstellen.

»Über Jahrzehnte hinweg haben wir hier in Hohenheim so den längsten Jahrring-Kalender der Welt aufgebaut«, erklärt Dr. Friedrich. »Er reicht bis zur letzten Eiszeit in Mitteleuropa vor rund 14.000 Jahren zurück. Heute können wir das Alter von späteiszeitlichen Bäumen bis auf ein Jahr genau angeben.«

Aus dem Vergleich mit dem ¹⁴C-Gehalt im Holz aus verschiedenen Zeiten, ergeben sich daraus Kalibrationskurven, die sich auch auf andere ¹⁴C-Proben weltweit anwenden lassen. Für die ¹⁴C-Analysen arbeitet Dr. Friedrich eng mit Dr. Bernd Kromer vom Institut für Umweltphysik an der Universität Heidelberg zusammen.

»Fortschritte bei der Messung von ¹⁴C führten dazu, dass heute für die aktualisierten Kurven nur winzige Proben verwendet werden müssen«, erläutert Dr. Friedrich. »Wo früher ganze Baumscheiben für die Datierung gebraucht wurden, reichen heute kleinste Holzsplitter von einzelnen Jahrringen. Dadurch konnte die neue Kalibrationskurve in bestimmten Abschnitten sogar in jährlicher Auflösung vorgelegt werden. Im Vergleich zur bisherigen Kurve bedeutet das eine enorme Verbesserung der Datierung.«

In den nächsten Jahren arbeitet Dr. Michael Friedrich im Rahmen des EU-Projektes ‚Resolution« in Kooperation mit der Universität Bologna am Aufbau von völlig neuen Jahrringkurven aus der letzten Eiszeit vor mehreren zehntausend Jahren. Dabei handelt es sich um den Zeitabschnitt, als der moderne Mensch Europa besiedelte und die dort beheimateten Neandertaler schließlich verdrängte.

»Eine jahrringgestützte Kalibrationkurve in dieser Zeit und die damit einhergehende erheblich genauere Datierung von archäologischen Funden würde ein neues Licht in dieses spannende Kapitel der Menschheitsgeschichte werfen«.

Hintergrund: IntCal20

In der IntCal Working Group haben sich 2004 unter der Leitung von Prof. Paula Reimer von der Queen«s University in Belfast rund 30 Wissenschaftler aus der ganzen Welt zusammengeschlossen. Ihr Ziel ist in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen neue Daten zur Radiokarbondatierung in international gültigen ¹⁴C-Kalibrationskurven nach genau definierten Qualitätskriterien zusammenzuführen, den IntCal-Kurven (Radiocarbon Calibration). Diese gelten dann weltweit als Datierungsstandard.

Je nachdem, wo sich das zu datierende Objekt befindet, existieren drei unterschiedliche Kurven: IntCal20 für die nördliche Erdhalbkugel, SHCal20 für die südliche Hemisphäre und Marine20 für die Ozeane.