Problematik der dendrokalibrierten C14-Datierung

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Problematik der dendrokalibrierten C14-Datierung

Beitrag von Tammuz am Di Aug 23, 2016 6:54 pm

Apollo13 schrieb:Als Problem sehe ich bei den bereits zitierten Archäologen Colin Renfrew, Maria Gimbutas u.a. das Fußen auf einer Chronologie, deren Anfang bei ca. -10.000 BC in Anatolien beginnt. Dieses Datum basiert auf der dendro-calibrierten C14-Methode.

Alle Archäologen arbeiten mit dendrokalibrierten C14-Daten, nicht nur die genannten. Ich habe vor Wochen einen Artikel über das Problem begonnen und in der Mitte (vorläufig) abgebrochen; der wichtige Teil über die dendrochronologische Problematik fehlt noch. Ich kann ihn aber stark verkürzt in Bälde hier nachreichen, um die Diskussionsbasis zu vervollständigen.

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Die drei Isotope des Kohlenstoffs, C12, C13 und C14, verfügen im Atomkern über eine gleiche Anzahl von Protonen (6), aber über verschiedene Anzahlen von Neutronen, die in der Isotopenbezeichnung erkennbar sind. Anders als die stabilen Isotope C12 und C13 ist das C14-Atom instabil (radioaktiv, daher "Radiokarbon" / "Radiokohlenstoff"), es zerfällt in einem Zufallsprozess zu einem Stickstoffatom, einem Elektron und einem Antineutrino. Die Halbwertszeit von C14 beträgt ca. 5730 Jahre, d.h. eine große Menge von C14-Atomen wird - ohne äußere Zufuhr neuer C14-Atome - aufgrund des Zerfalls nach ca. 5730 Jahren auf 50 %, nach weiteren ca. 5730 Jahren auf 25 % und nach ca. 57.360 Jahren, also 10 Halbwertszeiten, auf 0,01 % der Ursprungsmenge reduziert. Daher gelten 60.000 Jahre als absoluter Zeithorizont für die Durchführung einer C14-Datierung.

Am Beginn des C14-Entstehungsprozesses steht die kosmische Strahlung. Ihr Ursprung ist größtenteils die Sonne, der höherenergetische Rest stammt von anderen Sternen, Supernovae, Quasaren usw. Trifft diese Strahlung auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre, kommt es in 15 Kilometern Höhe und hauptsächlich in den Polarregionen durch Spallation (Atomspaltung) zur Freisetzung von Neutronen, die, wenn sie auf das häufigste atmosphärische Isotop, Stickstoff N14 (7 Protonen im Kern), treffen, die Verwandlung eines Protons in ein Neutron zur Folge haben, wodurch aus dem Stickstoff- ein Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und 8 Neutronen wird. Dieses radioaktive C14-Atom nennt man auch ´kosmogenes Radionuklid´.

Zu jedem Zeitpunkt enthalten alle irdischen Kohlenstoff-Reservoire insgesamt ca. 62 Tonnen C14.

Der Anteil von C14 am gesamten Kohlenstoffhaushalt der Atmosphäre beträgt etwa 10 hochminus 10 %, also nur den billionsten Teil des C12-Gehalts. Aus der Verbindung des C14 mit Sauerstoff O2 entsteht Kohlen(stoff)dioxid CO2, das sich mit dem Kohlendioxid vermischt, das aus der Verbindung von C12 sowie C13 mit O2 entstanden ist. Das C12/C14 (sowie C13) enthaltende Kohlendioxid wird von den Pflanzen aufgenommen, die C im photosynthetischen Prozess für den Aufbau von Kohlehydraten verarbeiten und O2 wieder ausscheiden. Auf diese Weise gerät C14 - zusätzlich zur Aufnahme durch Einatmen - über die Nahrungskette in den biologischen Kreislauf und wird chemischer Bestandteil aller irdischen Organismen, auch der maritimen, da Kohlendioxid auch von den Wasserreservoire aufgenommen wird, wobei Salzwasser (Ozeane) ein 10mal höheres Aufnahmevermögen für CO2 hat als Süßwasser (Flüsse) und entsprechend mehr C14 enthält.

Im Kontext der weiteren Argumentation sind die Kohlenstoff-Verhältnisse in den Ozeanen von größter Bedeutung. Die Ozeane enthalten ca. 85 % des gesamten irdischen Kohlenstoffs (= 42 x 10 hoch 15 kg), wovon 82 % auf das Tiefenwasser und 3 % auf das Oberflächenwasser ("ozeanische Deckschicht", ca. 50-100 m dick) entfallen. (Zum Vergleich: Die Atmosphäre enthält nur ca. 2 % des globalen Kohlenstoffs). Zu beachten ist, dass ozeanisches Tiefenwasser, also das mit Abstand größte Kohlenstoff-Reservoir der Erde, eine signifikant geringere Konzentration an C14 (im Verhältnis zu C12) aufweist als alle anderen Reservoire (Oberflächenwasser, Atmosphäre, Humus, Biosphäre).

Zwischen Atmosphäre und ozeanischer Deckschicht findet stetig und global ein Austausch (Diffusion) von CO2 statt, und zwar in beide Richtungen, je nachdem, ob der CO2-Partialdruck in der Atmosphäre oder im Ozean überwiegt (Druckdifferenz). Diese Prozesse differerieren lokal in puncto Richtung und Quantität sehr stark. Ein Grund dafür ist, dass Warmwasser wegen eines höheren CO2-Partialdrucks CO2 an die Atmosphäre abgibt, während Kaltwasser wegen eines niedrigeren Drucks CO2 aus der Atmosphäre aufnimmt. Zu Unregelmäßigkeiten in der CO2-Zirkulation zwischen Atmosphäre und Ozean kann es auch durch Einspeisung von C14-armen oder - freiem Frischwasser in die Ozeane kommen, z.B. durch Gletscherschmelze.

Noch wichtiger, weil sehr viel häufiger, sind Diffusions-Unregelmäßigkeiten durch das komplexe ozeanische Strömungsverhalten, das lokal große Mengen an C14-armem oder -freiem Tiefenwasser an die Oberfläche befördert, wodurch entsprechend C14-arme oder - freie CO2-Mengen in die Atmosphäre diffundiert werden, was zu einer lokalen und temporären Minderung der atmosphärischen C14-Konzentration führt.

Auch Vulkanausbrüche führen zu lokal-temporären Veränderungen der C14-Konzentration.

Wie problematisch all diese Reservoir-bedingten Effekte (= "Reservoireffekte") für die Zuverlässigkeit von C14-Datierungen sind, wird weiter unten zur Sprache kommen.

Zur Geschichte der C14-Datierung:

Ende der 1940er Jahre entwickelte der US-Amerikaner Willard F. Libby (Universität von Chicago) ein Verfahren der Datierung archäologischer Proben durch die Messung der darin stattfindenden C14-Aktivität, was ihm 1960 einen Nobelpreis einbrachte. Um die Zuverlässigkeit seiner Messungen zu garantieren, postulierte Libby folgende Grundannahmen:

+ Die Produktion von C14 in der Atmosphäre verläuft kontinuierlich und gleichmäßig.

+ Die Durchmischung der Atmosphäre verläuft schnell und global gleichförmig.

+ Jeder lebende Organismus spiegelt die atmosphärische Isotopenmischung (insbesondere von C12 und C14) proportional exakt wieder.

+ Alle Organismen nehmen C14 im gleichen Konzentrationsverhältnis (zu C12) auf (= organische Invarianz).

+ Nach Beendigung des Stoffwechsels (Tod) nimmt ein Organismus kein C14 mehr auf. Die C14-Konzentration (= quantitatives Verhältnis von C14 zum stabilen C12) nimmt in ihm gemäß dem Zerfallsgesetz kontinuierlich ab.

+ Aus dem gemessenen C12/C14-Verhältnis einer archäologischen Probe kann gemäß dem Zerfallsgesetz die Zeit errechnet werden, die seit der Beendigung des Stoffwechsels verstrichen ist - und damit das Alter der Probe.

+ Ganz wichtig: Das gegenwärtig (für Libby: Mitte 20. Jahrhundert) herrschende atmosphärische C12/C14-Verhältnis (= C14-Konzentration) fungiert als verbindlicher Maßstab für die Errechnung der verstrichenen C14-Zerfallszeit in einer Probe, d.h. die atmosphärische C14-Konzentration ist - für Libby - zu jedem Zeitpunkt in den vergangenen 60.000 Jahren (C14-Zeithorizont) die gleiche wie in der Mitte des 20. Jahrhunderts.

Dieses letzte Postulat nennt man auch "Fundamentalprinzip" (= zeitliche Invarianz der atmosphärischen C14-Konzentration). Ohne seine Gültigkeit kann ein zeitliches Zurückrechnen des C14-Zerfalls bis zum Punkt des Stoffwechselendes nicht erfolgen, weil dafür das präzise C12/C14-Verhältnis (= C14-Konzentration) an diesem Punkt bekannt sein muss, was voraussetzt, dass die atmosphärische C14-Konzentration zeitlich und räumlich invariant ist. Ohne die Geltung dieses Prinzips wüsste man ja nicht, bis zu welchem Punkt einer C14-Konzentration in der Probe gemäß dem Zerfallsgesetz zurückzurechnen wäre, um ihr Alter zu ermitteln.

Das Postulat der räumliche Invarianz der atmosphärischen C14-Konzentration nennt man "Simultanitätsprinzip". Ihm zufolge durchmischt sich die Atmosphäre so schnell, dass eventuelle lokale Konzentrationsschwankungen für die Zuverlässigkeit einer C14-Datierung nicht nennenswert ins Gewicht fallen.

Zu unterscheiden sind ´C14-Alter´ und ´historisches Alter´. Im Idealfall sind beide identisch, d.h. wenn ein gemessenes C14-Alter gemäß dem Zerfallsgesetz z.B. 1800 Jahre BP (= Before Present, d.h. standardmäßig: vor 1950) beträgt, dann entspricht ihm idealerweise ein Todeszeitpunkt der organischen Probe im Jahr 150 CE. In diesem Fall hätte die C14-Messung ein absolutes Datum hervorgebracht. Dies setzt aber die Gültigkeit von Libby´s Fundamentalprinzip voraus, demzufolge sich die atmosphärische C14-Konzentration nicht ändert. Andernfalls würde die Messung ein zu hohes oder zu niedriges Alter anzeigen.

In den 1950er Jahren kam es immer wieder zu Konflikten zwischen Libby und seinen Anhängern einerseits und Ägyptologen andererseits, weil archäologische C14-Datierungen oft von ägyptologisch anerkannten historischen sowie astronomischen Datierungen verjüngend abwichen, wobei Libby auf der Geltung seiner Messungen bestand und den Ägyptologen vorwarf, irrtümlichen Datierungen aufzusitzen. Bis 1958 bestand eine Pattsituation wegen Unentscheidbarkeit über die Priorität beider Datierungsverfahren.

Das änderte sich ab 1958 durch die Aufweichung von Libby´s Fundamentalprinzip infolge der Entdeckung signifikant starker Schwankungen der atmosphärischen C14-Konzentration in der Vergangenheit, erkennbar an der unterschiedlichen C14-Konzentration in den Ringen langer Baumringsequenzen. Die "Sequioa Tree Ring Series" von 1960 z.B., eine bis etwa 200 CE zurückreichende Ringsequenz, wies 14 von der erwarteten Zerfallskurve gravierend abweichende Schwankungen auf, die den Glauben an die Invarianz der atmosphärischen C14-Konzentration nachhaltig erschütterten. Solche Schwankungen werden im C14-Mainstream "wiggle" genannt (to wiggle = sich hin- und herbewegen).

(Fortsetzung folgt)

Tammuz

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