Ilyen terület a régészeti kormeghatározás. Ezen belül is a radiokarbon, más néven a C14 alapú kormeghatározás. Nézzük meg, mi a helyzet ezzel a híres – hírhedt módszerrel!

A C14 története és tudományos alapja

A radiokarbon kormeghatározást Chicago Egyetemen dolgozó Wollard F. Libby fedezte fel 1946-ban.

A szénnek 3 izotópja létezik. A leggyakoribb a 12-es (C12) tömegszámú 6 protont és 6 neutront tartalmazó változat, ami stabil. A 13-as és 14-es (C14) tömegszámú izotóp egy illetve kettő plusz neutront tartalmaz, ami csökkenti az atommag stabilitását, tehát a két izotóp radioaktív. Kémiailag a három izotóp között nincs különbség. A kormeghatározásban a C14-et használják.

A C14 mennyisége a C12-höz képest igen alacsony, körülbelül minden ezredik C12 atomra jut egy C14 atom. Keletkezési helye a sztratoszféra alsó rétege, ahol a kozmikus sugárzás hatására a nitrogénból keletkezik. Mivel nem stabil, 5370±40 éves felezési idővel visszabomlik nitrogénné.

A C14 lassan alászáll a légkör alsóbb rétegeibe, ahol szerves, vagy szervetlen formában megkötődik. Egy adott anyagból mintát véve, megmérve a radioaktív és az inaktív szén arányát egy szerves anyagban, és FELTÉTELEZVE az eredeti arányt következtetni lehet a vizsgált anyag korára.

Ábra: A C14 ideális bomlása esetén, ha a minta aktivitását bejelöljük,

automatikusan hozzárendelhetünk egy időpontot. De vajon valóban ilyen könnyű lenne a dolog?

A C14 kormeghatározás buktatói

A radioaktív szénizotópos kormeghatározás látszólag nagyon egyszerű és objektív fizikai mérés. Azonban számtalan tényező van az izotóp keletkezésétől a mérésig, ami jelentősen zavarhatja a kormeghatározást.

1. A C14 keletkezését befolyásoló tényezők.

1.1. A Naptevékenység

A Nap által kibocsátott részecske és sugárözön a légkör felsőbb rétegeiben igen csak nagy hatással van az ott zajló folyamatokra. Mint a lenti ábrán látható, igen látványos a párhuzam a naptevékenység, az északi fény gyakorisága és a légkör C14 tartalma között.

A Nap aktivitásában vannak ciklusok, melyekkel számolhatunk, ilyen a 11 és 22 éves ciklus, mely a napfolttevékenységben nagyon jól követhető. Létezik egy 200 év körüli ciklus is, mely az extrém napfolttevékenységhez köthető, ide tartozik a híres Maunder-minimum az 1700-as évek körül.

A Naptevékenység ingadozásai akár 10-15 ezreléknyi ingadozást is okozhatnak egy évszázadon belül.

2.ábra: A naptevékenység változásai erősen kihatnak a C14 eredményeire

1.2. Szupernova-robbanások

A felrobbanó csillagok rövid időre megemelik a kozmikus sugárzást, ezzel pedig a C14 képződésének intenzitását is. Ezek a jelenségek viszonylag ritkák, és hatásidejük mindössze néhány nap. A C14 képződésre gyakorolt hatásukról még nincsenek adatok.

1.3. A Föld mágneses terének ingadozásai

A mágneses tér a kozmikus sugaraktól védi a bolygót. Ha gyengül, emelkedik a sugárzás intenzitása, ezzel együtt a C14 képződése is. Ha erősödik, akkor pont ellenkezőleg, csökken a C14 képződése.

Bolygónk mágneses mezeje is állandóan változik, évezredes időszakokra vetítve igen nagy mértékben, ennek pedig igen jelentős hatása van a C14 keletkezésre, így a kormeghatározásnál mindenképpen figyelembe kell venni a jelenséget.

2. A légköri eloszlást befolyásoló tényezők

2.1.  A fosszilis energiahordozók használata.

A kőolaj, a kőszén és a földgáz elégetése hatalmas mennyiségű szén-dioxidot juttat a levegőbe. Ebben a szén-dioxidban viszont gyakorlatilag nincs C14. A lenti ábrán látható, hogy milyen jelentős mennyiségű szén-dioxid került a légkörbe az ipari tevékenység nyomán. Ugyanakkor ez bizonyíték arra is, hogy a globális éghajlat – anomáliák részben visszavezethetőek az emberi tevékenységre!

Ábra: Az ipari forradalom hatására a légkör C14 koncentrációja erősen csökkent.

Az 1850-1950 évek között ezrelékkel, de ennek túlnyomó része az 1900-as évek óta következett be.

2.2. Klímaváltozás

Az éghajlat változása a C14 megkötésére is kihat. Számos olyan tényező változik meg, ami felboríthatja a C14 kormeghatározását. Ilyen többek között az óceánok szén-dioxid-kötő képessége. A meleg vízben a gázok oldékonysága csökken, emiatt a vízben eddig oldott szén-dioxid a légkörbe visszakerül. Ez (amellett, hogy tovább fokozza a felmelegedést) C14 izotópban szegény, tehát újra csak befolyásolja a kormeghatározásunkat.

3. Rezervoárok

A légkörben lévő szén nem csak a biomassza körforgásában vesz részt. Nagy mennyiség rövidebb vagy hosszabb időre kivonódik a forgalomból. Nagy mennyiséget köt meg az óceán vize, a kőzetképződés során (mészkő, dolomit) karbonátok formájában is sok szén kötődik meg. A szerves szénvegyületekből sem kerül vissza minden a légkörbe, a kőolaj, földgáz és az olaj formájában kikerülhet a természetes körforgásból.

Ezek a folyamatok többnyire állandónak tekinthetőek, de egyes tényezők változásai megzavarhatják a tárolási folyamatokat.

A klímaváltozás, az óceánok áramlatainak átalakulása, az emberi tevékenység igen jelentős mennyiségű szén-dioxidot szabadít fel, melynek C14 tartalma alacsonyabb a légkörénél.

3.2. Vulkáni aktivitás

A vulkáni tevékenység nagy mennyiségű széntartalmú anyag juttathat légkörbe, de a földkéregből származó szénvegyületek C14-ben szegények. Ez a jelenség egész térségek és teljes korszakok időbeli meghatározását boríthatja fel…

Erre legjobb példa az Égei-tengeren Szantorin (Théra) vulkánjának katasztrófája. Krisztus előtt jó másfél ezer évvel az emberiség egyik legnagyobb vulkáni kitörésében megsemmisült a vulkanikus sziget nagy része. Ebben az időbeli távolságban, mindössze 10 éves ingadozással hitelesítik a C14-es kormeghatározását, de ebben az esetben csak teljes csőd az eredmény.

A jelenlegi időszámításunk szerinti i.e. 1350-1400-as korszak egyetlen értékelhetetlen időmasszává kenődik szét az i.e. 1680-1520 közötti korban, 50 év folyik szét több, mint 150 évvé!

A klasszikus, régészeti leletek szinkronizálásán alapuló régészet a kitörést i.e. 1520-1550 környékére teszi, a grönlandi jégréteg vizsgálata i.e. 1645±20 éves kort valószínűsített, a dendrokronológia (fák évgyűrűszerkezetén alapuló kormeghatározás) eredményei alapján az i.e. 1628-as év tűnt a legvalószínűbbnek. Megjegyzem, sem a jégrétegvizsgálat, sem a dendrokronológia nem egzaktabb kormeghatározás, mint a C14.

Számos példa van arra, hogy a vulkánok közeléből származó szerves minták még nyugalmi időszakban sem alkalmasak kormeghatározásra, egy-egy kitörés pedig évezredeket is „öregítheti” a helyi szerves anyagokat.

Minden esetre elgondolkodtató, hogy mennyire megbízható az a kormeghatározási rendszer, amely egy történelmileg igen gyakori esemény (vulkánkitörés) hatására teljesen megbízhatatlanná válik és egész korszakok kavarodnak össze…

4. Az élő szervezetek izotóp-szelekciója

Hogy ne legyen olyan egyszerű a dolgunk, még az élő szervezetek is bonyolítják a helyzetet. Ugyanis a növények jobban szeretik beépíteni a kisebb tömegszámú szén-izotópokat, mint ugyanannak az elemnek a nagyobb tömegszámú (jelen esetben radioaktív) változatát. Emiatt a növényekben a C14 koncentrációja alacsonyabb, mint a környező légtérben. Az állatoknál az sem mindegy, hogy növényevő, vagy ragadozó volt e az adott élőlény, mert még ez is befolyásolja a C14 koncentrációját.

5. Egyéb, „in situ” C14 produkció.

Nem csak a légkör felső részében képződhet C14. Ez ismét csak nehezíti a helyzetünket.

5.1. Nukleáris kísérletek és atom-balesetek.

A légköri és földfelszíni nukleáris robbantások és a balesetek növelik a C14 képződéshez szükséges neutronok számát. Az 1950-1960 közötti időszakban az emberi nukleáris tevékenység 800 ezrelékkel emelte a C14 szintézisét, ez az érték még ma is 200 ezrelékkel haladja meg azt az értéket, ami egyébként elvárható lenne.

5.2. Urántartalmú kőzetek

Azokon a lelőhelyeken, ahol a leletek közelében uránt, vagy más radioaktív elemet (gyakori még a radon) tartalmazó kőzet található, számítani lehet a C14 módszer használhatatlanságára.

5.3. Magasság-jelenség

Bár a C14 túlnyomó része a sztratoszférában keletkezik, alacsonyabban is létrejöhet. A légkör véd a kozmikus sugárzástól, de ahogy emelkedünk a tengerszinttől felfelé, ez a védőhatás egyre csökken. 3000 méter magasságban a kozmikus sugárzás egy nagyságrenddel erősebb a tengerszintem mérhetőnél, ebből kifolyólag a C14 keletkezésének intenzitása is magasabb. A hegyvidéki leletek ezért fiatalabbnak adódhatnak pusztán azért, mert magasabban vannak.

5.4. Villámlás

A villámlás is képes C14 képződéséhez szükséges körülményeket produkálni. Az eddigi kísérletek szerint ez nem jelentős.

Miután láttuk, hogy mennyire érzékeny is a C14 mennyisége a légkörben, most lépjünk eggyel tovább. Nagyon fontos a meghatározás szempontjából, hogy a mintában lévő C14 mennyiségét pontosan határozzuk meg, mert különben teljesen használhatatlan eredményeket kapunk.

6. A minta élettörténete

Az eddig tárgyalt faktorok a C14 keletkezését többnyire mintán kívüli állapotban befolyásolták. Ideális esetben a vizsgált anyag a földben, hermetikusan elzárva a külvilágtól pihen (természetesen messze a vidéken nincs semmilyen radioaktív szennyeződés a talajban) egészen a régészek felbukkanásáig. A régészek pedig ideális körülmények között rögtön laborba szállítják és már hozzá is látnak a vizsgálatokhoz.

Sajnos azonban ez elég ritka eset. Sok leletet megbolygatnak, ami koridegen anyagokkal szennyeződést okozhat. Egyes helyeken a talaj olyan mennyiségben tartalmazhat radioaktív izotópokat, melyek képesek „elrontani” a datálást. Más leletek sosem kerülnek föld alá, és kalandos életük során számos módosító tényezővel találkoznak, erre talán a torinói lepel a legjobb példa.

A föld alatti lét sem tekinthető teljesen sterilnek ugyanis:

- mint említettük a körülölelő kőzetek radioaktivitása is befolyásolhatja a mintában lévő C14 bomlását. Ugyanígy kihatnak a bomlásra azok az anyagok, melyek leárnyékolják a mintát és elnyelik a bomlást elősegítő tényezőket.

- a radioaktív bomlást befolyásolhatja több környezeti tényező (nyomás, hőmérséklet)

- a talajban nyugvó leletek esetén számítanunk kell a kioldódásra, kimosódásra is

Ezek után a igen nehéz pontos koradatot hozzárendelni a egyes leletekhez.

A vizsgálat menete

A méréshez először mintát kell venni a vizsgálandó anyagból. Ezt mechanikai és kémiai módszerekkel meg kell tisztítani a szennyeződésektől, melyek jelentősen befolyásolhatnák az eredményt.

Ezután jön a tényleges mérés. A ’70-es évekig a mérés azon alapult, hogy a C14 bomlásakor keletkező elektront detektálták, és egyszerűen megszámolták az időegységekre jutó bomlások számát. Ebből következtettek a korra. Ezzel a módszerrel a főbb probléma az volt, hogy a C14 bomlásából származó elektronokat nem lehet megkülönböztetni a háttérsugárzásból, illetve más (a mintában lévő) radioaktív anyagok (Th, U, K) bomlásakor keletkező elektronoktól. Ez egyrészt jelentősen ronthatta a mérés pontosságát, másrészt 40 000 évnél idősebb leleteknél a háttérsugárzás már elfedi a C14 bomlását, tehát itt használhatatlanná válik a módszer.

Ez azt is jelenti, hogy az 1980 előtti kormeghatározások esetén a hibalehetőség nagyon nagy. A korai mérések bizonytalanságát tovább növeli, hogy a fent említett módosító tényezőket még nem ismerték, tehát nem vették figyelembe.

Újabban egy tömegspektrométeres vizsgálatot alkalmaznak, amely nem a bomlást, hanem közvetlenül a különböző szénizotópok mennyiségét, és azok arányát méri. Ezzel kiküszöböli a háttérsugárzás zavaró hatását, valamint méri a C13 jelenlétét is, ami a mérési eredmények korrekciójában felhasználható.

Mindkét mérés során egy un. nem kalibrált C14-es kort kapunk, ez azt jelenti, hogy a kapott érték biztos nem azonos a minta valódi korával. Ezt az adatot különféle korrekciós faktorokkal (naptevékenység, földmágnesesség, stb.) javítva jutunk el a kalibrált C14-es korhoz, ami a vizsgálatok idejétől visszaszámolva adja a minta hozzávetőleges naptári kort. A különböző korrekciós tényezők számításánál azonban nem tiszta tudományos érvek döntenek, hanem az, hogy az etalonnak tekintett, kalibráló szerves anyagot melyik korszakba várták. Így néhány történeti prekoncepció jelentősen behathat a kormeghatározás területére is.

A korrekció esetében sem csak szigorú matematikai szorzók összegzését kell értenünk. Ebbe beletartozik a nem várt tartományba eső eredmények szelektálása. Ha tehát egy honfoglalás korinak tűnő leletre olyan érték adódna, hogy több száz évvel „megelőzi korát”, már első körben kiesne a további feldolgozás alól, esetleg alkotnának egy újabb korrekciós faktort, ami kiküszöböli az elcsúszást.

Az eddigiek alapján talán már érthető, hogy sokan miért kételkednek a C14-es kormeghatározás megbízhatóságában. Minden időkben voltak olyanok, akik kritikával illették a radiokarbon módszert és esetleg újabb, egyéni kormeghatározást ajánlottak, de mint az sejthető, ezeket a kritikusokat nem fogadták kitörő örömmel, és akkor még finoman fogalmaztunk…

Szájról szájra…

Végezetül a  teljesség igénye nélkül szeretnék néhány, közszájon forgó legendát megosztani arról, milyen furcsaságokat is produkált eddig az izotópos kormeghatározás: