C-14-datering

Hovedprinsippet for metoden er følgende: Kosmisk stråling produserer kontinuerlig den radioaktive isotopen ¹⁴C i atmosfæren, så i atmosfæren er det alltid en (nesten) konstant mengde ¹⁴C. Denne ¹⁴C tas opp i planter og trær på samme måte som annen karbon. Siden ¹⁴C er radioaktiv, begynner den radioaktive nedbrytningen med det samme den dannes. Så lenge planten lever, tar den opp ny ¹⁴C fra lufta. ¹⁴C i planten er derfor i likevekt med ¹⁴C i atmosfæren.

Når planten dør, starter ¹⁴C-innholdet i planten å avta med ¹⁴C isotopens halveringstid på 5730 år. Det betyr at innholdet av ¹⁴C halveres for hvert 5730 år. Hvis en i laboratoriet måler at en pinne har halvparten så mye ¹⁴C som det er i atmosfæren, er denne pinnen altså 5730 år gammel, og en pinne som har ¼ av atmosfærens innhold, er 11 460 år gammel.

Dyr spiser planter, og dyr spiser hverandre. Det betyr i praksis at alle planter, dyr og mennesker har samme innhold av ¹⁴C som det er i atmosfæren – så lenge de er i live. Med en gang de dør, begynner innholdet å minke på grunn av den radioaktive nedbrytingen. Man sier at den geologiske klokken da begynner å gå, og dermed gjør det mulig å måle alderen på funnet.

Willard F. Libby ble i 1960 tildelt Nobelprisen i kjemi for å ha oppdaget metoden, først publisert i 1949. Han og andre fysikere antok da at ¹⁴C-innholdet i atmosfæren hadde vært konstant over tusener av år. De mente derfor at alderen de fikk, var den samme som kalenderår. De testet metoden ved å datere årringer i gamle trær og kjente historiske funn og fikk tilnærmet riktige aldre – men for egyptiske funn fikk de yngre aldre enn det arkeologene hadde funnet ut – og arkeologene hadde rett.

I forklaringen av prinsippet for C-14-metoden ble det forutsatt at atmosfæren alltid har hatt samme innhold av ¹⁴C. En vet nå at ¹⁴C-innholdet i atmosfæren har variert betydelig. Dette er klarlagt ved flere tusen dateringer av årringer i trær. Så lenge plantene lever er ¹⁴C-innholdet i likevekt med atmosfæren. Men i trær er det slik at når veden dannes, kuttes forbindelsen til blader og saften, så veden er død sett med ¹⁴C-øyne.

Ved hjelp av dendrokronologi har forskerne funnet en sammenhengende serie av årringer i trær som går 14 000 år tilbake i tid. En får alder i kalenderår ved å telle årringene og alder i C-14-år ved å datere hver årring. Man kan altså på denne måten «oversette» C-14-år til kalenderår. På engelsk kalles dette calibrating, og det er nå også innarbeidet i norsk. Man kaller det å kalibrere C-14-år til kalenderår.

Bortsett fra de siste cirka 3000 år, blir alderen i kalenderår betydelig høyere enn i C-14-år. Det er heller ingen enkel forbindelse mellom C-14-år og kalenderår. Særlig gir såkalte platåer, som for eksempel ved 10 400 C-14-år problemer.

Siden 1990-tallet er det en internasjonal arbeidsgruppe som samler inn alle dateringer av årringer i trær og setter de sammen til det som kalles et kalibreringsprogram, for eksempel IntCal20 som kom i 2020. Lenger bakover i tid enn det den dendrokronologiske kurven går, bruker de parallelle C-14- og uranseriedateringer av speleotemer (dryppstein) og koraller.

Det er særlig to prosesser som gir variasjoner i nivået av ¹⁴C i atmosfæren, og dermed forløpet av kalibreringskurven.

Den viktigste er styrken i jordens magnetfelt, fordi magnetfeltet bremser den kosmiske strålingen. Den største forskjellen på C-14-år og kalenderår er mer enn 5000 år for 41 000 år siden. Da var det en stor svekkelse av magnetfeltet med endringer i polposisjoner (Laschamp-ekskursjonen). Det førte til at innholdet av ¹⁴C i atmosfæren nesten ble doblet, og forskjellen mellom C-14-år og kalenderår ble dermed nesten én halveringstid (5730 år).

Den andre viktige prosessen er utveksling av karbondioksid med havet. Havvannet inneholder mer enn 60 ganger så mye karbon som atmosfæren. Utvekslingen varierer særlig med istider. Stor utbredelse av sjøis forsinker utvekslingen. Dessuten er havsirkulasjonen tregere under istider, så mye ¹⁴C oppholder seg lenge i dyphavet, og der skjer da radioaktiv nedbryting.

Ved å datere hver eneste årring i trær er det også funnet store økninger av ¹⁴C i atmosfæren med en varighet på bare 1–3 år. Slike hendelser kalles gjerne Miyake-hendelser etter den japanske forskeren Fusa Miyake som først oppdaget dem. De mest kjente hendte i 774 og 993 evt., men det er også fire eldre som er kjent (660, 5259, 5410 og 7176 fvt.). Årsaken til Miyake-hendelser er mye omdiskutert. Sannsynligvis skyldes de energirike partikler produsert av solare bluss (på engelsk: flares). Miyake-hendelser kan for eksempel benyttes til presis datering av gjenstander.

Det er nå internasjonal enighet om at alle C-14-dateringer, og det er flere tusen i året, skal rapporteres slik:

• Laboratorienummeret for prøven
• Alderen skal være beregnet med en halveringstid på 5568 år og oppgis i C-14-år
• Alderen oppgis med 1950 etter vår tidsregning som 0-år. For eksempel når det oppgis at alderen er 8000 år før nåtid (engelsk before present = BP) betyr det det før 1950
• Den skal være korrigert for isotopisk fraksjonering
• Den skal ikke være korrigert for marin reservoaralder eller noe annet

Disse aldrene er da ikke det samme som virkelige år. Det er vanlig blant forskere å kalle dem for C-14-år. I forskning er det viktig å bruke betegnelsen C-14-år for å unngå forveksling med kalenderår. Fordelen er at her rapporteres presist alt som er målt i laboratoriet.

Deretter kan en kalibrere C-14-år til kalenderår som omtalt over. Det gjøres nesten alltid i rapporten fra laboratoriene. På norsk brukes da betegnelsen kalenderår, eller kalibrerte år – på engelsk calibrated, gjerne forkortet til cal.

CO₂ utveksles hele tiden mellom atmosfæren og havet. Havet får dermed kontinuerlig tilført den radioaktive ¹⁴C, men i havvannet skjer også radioaktiv nedbrytning av ¹⁴C. Siden havet har mer enn 60 ganger så mye CO₂ som atmosfæren, er ikke utvekslingen rask nok til at havet får like høyt innhold av ¹⁴C som atmosfæren. I tillegg er det mye havvann som forblir på dypt vann i flere hundre år, og den radioaktive nedbrytingen av ¹⁴C gjør at dette «gamle» vannet får en høy C-14 alder.

Dette gjør at det er lavere ¹⁴C-innhold i havet enn i atmosfæren, og når man daterer levende marine dyr og planter får de en tilsynelatende alder. Det er datert skjell som var samlet langs norskekysten før russiske prøvesprengninger av atombomber i atmosfæren i 1960-årene. Prøvesprengningene forstyrret ¹⁴C-innholdet. Disse skjellene ga tilsynelatende aldre på 410 år. Dette kalles marin reservoaralder. Denne varierer både geografisk og over tid. På steder i Antarktis der gammelt havvann kommer opp til overflaten, er det funnet marine reservoaraldre på 1200 år.

Når en kalibrerer C-14-år til kalenderår, blir det også korrigert for marine reservoaraldre. For de siste 12 000 år er ikke dette noe stort problem for norske prøver, men usikkerheten i alder kan bli noen titalls år større enn for datering av landplanter.

Ofte oppstår problemer ved datering av menneskebein. Har individet spist bare fisk og annen sjømat, skal det korrigeres for marin reservoaralder (i Norge cirka 400 år). Som oftest har sjømat bare utgjort en del av kosten, og da skal det bare korrigeres for denne andelen, noe som er vanskelig å bestemme. Dette samme forholdet gjelder også dyr, for eksempel skal fugl som bare spiser fisk korrigeres som marine organismer. Polarrev (fjellrev), som spiser både sjømat og reinsdyr, skal korrigeres med andel, som også er vanskelig å bestemme.

Karbon forekommer som tre isotoper: ¹²C som utgjør 98,9 prosent av karbon i atmosfæren, ¹³C som utgjør 1,1 prosent, og ¹⁴C som utgjør promiller. De to første er radioaktivt stabile.

Som nevnt over, oppfører de tre isotopene seg kjemisk likt, men på grunn av vektforskjellen er det noen forskjeller i fysiske prosesser. For eksempel tar planter opp mer av den lette ¹²C enn av de to andre. Denne prosessen kalles fraksjonering, og betyr at ¹²C blir anriket i forhold til ¹³C og ¹⁴C i planter. Ved utvekslingen mellom atmosfære og hav er det motsatt, der anrikes ¹⁴C.

Det korrigeres alltid for fraksjonering ved C-14-datering, så det er noe brukere ikke behøver å tenke på. Fraksjoneringsraten er dobbelt så høy for ¹³C som for ¹⁴C, og ved å måle innholdet av ¹³C, som er stabil, kan en korrigere for fraksjoneringen.

Fra oppdagelsen av metoden i 1940-årene og fram til omkring 1980 målte en innholdet av ¹⁴C ved å måle den radioaktive strålingen. En gammel prøve har mye lavere innhold av ¹⁴C enn lufta, og det er mange andre strålekilder omkring oss. For å måle så lav stråling som det var fra prøvene, fant en jern med lav eller ingen radioaktivitet og bygde et kammer som ble beskyttet av flere tonn med slikt jern. Prøven ble brent i et lite rør slik at det ble produsert karbondioksid. Denne gassen måtte så gjennom en omstendelig renseprosess før den endte i et lite rør som ble satt inn i «jernkammeret» hvor radioaktiviteten (betastrålingen) ble målt. Jo eldre prøven var, jo lavere var strålingen, og for prøver som var 40 000–55 000 år gamle, var strålingen like lav som bakgrunnen. Denne maksimale alder varierte litt mellom de ulike laboratoriene.

Nå gjøres praktisk talt all C-14-datering med akselerator. Den store forskjellen er at med akselerator teller en hvor mange ¹⁴C-atomer det er i prøven. Det gir større presisjon enn måling av den radioaktive strålingen. Den største fordelen med dette er at en kan datere svært små prøver, helt ned til et par milligram. En behøver derfor ikke ødelegge viktige funn. Også for akselerator er det en omfattende preparering av prøvene fram til en lager ren grafitt som settes inn i akseleratoren.

C-14-metoden gir aldri helt presis alder og det finnes prosesser som kan gi feil alder. En kan dele usikkerhetene i to grupper. Den første er hvor presist akseleratoren kan telle antall ¹⁴C-isotoper i prøven. Den andre gruppen er forurensninger med mer.

Oppdagelsen av metoden skapte interesse for C-14-datering over hele verden. I Europa ble det startet flere laboratorier. Først ute var København, mens Trondheim, sammen med et par andre, kan regnes som nummer tre.

Fysisk Institutt ved NTH i Trondheim startet byggingen av et C-14-laboratorium i 1952. Men, som alle andre laboratorier, hadde de problemer med å finne egnede materialer for å kunne måle så lave aktiviteter. Deres første dateringsliste ble publisert i 1959. Prøven med lavest nummer er T-37, en prøve av Osebergskipet som ga 1190 ± 60 C-14-år.

Etter hvert overtok Norges forskningsråd laboratoriet i Trondheim, og finansierte hele driften. Laboratoriet tok betalte oppdrag. I tillegg kunne norske studenter og forskere søke om å få utført dateringer gratis, eller for en mindre avgift. Dette hadde stor betydning for norsk forskning, og mange ser på det som et tap at ordningen falt bort noen år etter at NTNU overtok laboratoriet rundt år 2003.

C-14-laboratoriet er i dag en del av Nasjonallaboratoriene for datering ved Vitenskapsmuseet ved NTNU. Laboratoriet utførte over 20 000 dateringer ved måling av radioaktiviteten (proporsjonaltellere) i perioden 1959–2008. Praktisk talt alle dateringene var av norske prøver. Disse prøvene fikk betegnelsen T-, og den første var som nevnt T-37 av Osebergskipet og den siste var T-20177.

I 2008 begynte laboratoriet med akseleratordatering. I ett år drev de med de to systemene parallelt, men 29. november 2009 ble det gamle laboratoriet stengt. Nå dateres alle prøver med akselerator. Disse prøvene får betegnelsen TRa-.

I 2022 ble det utført over 9000 dateringer. Dette er fortsatt mest norske prøver, men norske forskere har også sendt noen tusen prøver til utenlandske laboratorier for datering.

• geologisk datering
• datering (arkeologi)
• karbon
• isotop

• Program for kalibrering, Calib20
• Program for kalibrering, OxCal
• Nasjonallaboratoriene for datering