Hvis man vil lære, hvordan klimaet og havstrømmene har ændret sig, bliver man nødt til at kende alderen på det materiale, som man arbejder med. Der findes flere forskellige måder, hvorpå man kan bestemme aldre på; men den mest anvendte daterings-metode på materiale med aldre op til ca. 45.000 år er kulstof-14 metoden.

Kernereaktionen
Se formlerne med dannelse og henfald af kulstof-14
http://www.satelliteeye.dk/vg3-data/kemi.jpg

n= Neutron (fra kosmisk indstråling)
N= Kvælstof (mest almindelige element i Jordens atmosfære)
C= Kulstof
e- = Elektron
p= Proton
Ve=anti-neutrino

Hvis du vil vide mere om 14C metoden så se: http://en.wikipedia.org/wiki/Radiocarbon_dating

Kulstof (Carbon) findes som tre forskellige ’typer’ også kaldet ’isotoper’. Kulstof er defineret ved at have 6 positivt ladede protoner i cellekernen samt 6 negativt ladede elektroner. Men stoffet kan have 6, 7 eller 8 neutroner, der er neutrale i ladning. De tre forskellige isotoper benævnes ¹²C (6 protoner + 6 neutroner = 12), ¹³C (6 protoner + 7 neutroner = 13) og ¹⁴C (6 protoner + 8 neutroner = 14). Mængden af neutroner bestemmer kulstof-atomets masse, hvor ¹⁴C er den tungeste og ¹²C den letteste. ¹²C og ¹³C er stabile, mens ¹⁴C er ustabilt (radioaktivt), og findes i kulstof-kredsløbet, fordi den konstant dannes i Jordens øvre atmosfære. ¹⁴C udgør i dag 0,00000000012% af kulstof.

Byg evt. dit eget atom på: http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/atom/

Halveringstiden for et radioaktivt isotop som ¹⁴C er angiver den tid det tager for at halvdelen af den mængde kulstof, der oprindeligt fandtes i en prøve, er halveret. Når der er gået to halveringstider, vil ¼ af kulstof-14 være tilbage, ved 3 halveringstider resterer 1/8 osv.

Da det altid kun er halvdelen af den til en hver tid forhåndenværende mængde af det radioaktive materiale, der vil være henfaldet, følger det radioaktive henfald en eksponentiel henfaldskurve. På et tidspunkt bliver ¹⁴C mængden så lille, at den ikke længere kan detekteres. Halveringstiden for ¹⁴C er bestemt til 5730 år, men af historiske grunde anvendes en halveringstid på 5568 år ved ¹⁴C dateringer.

Ved kulstof-14 metoden udnytter man, at der hele tiden dannes nyt kulstof-14 (også betegnet ¹⁴C) i atmosfæren, at ¹⁴C er radioaktivt, og derfor hele tiden henfalder, samt at kulstof indgår i alle levende organismer. Når man beregner alderen skal man dog tage hensyn til en række faktorer som anhænger af, hvilket materiale der skal aldersbestemmes.

¹⁴C er en radioaktiv variant (isotop) af kulstof (se Figur 9 og 10), som dannes højt oppe i atmosfæren, når kosmisk stråling fra verdensrummet vekselvirker med atmosfærens kvælstofatomer. De dannede ¹⁴C atomer iltes til kuldioxid (CO₂), som på kort tid opblandes jævnt i hele atmosfæren. Ved fotosyntese optages CO₂ af planterne, og dermed optages også noget af den radioaktive ¹⁴C. Herefter vandrer ¹⁴C videre via fødekæden fra planter over i dyr og mennesker. Alle levende organismer indeholder derfor små mængder af ¹⁴C. Når en organisme er levende optager den ligeså meget ¹⁴C som der henfalder og dens 14C indhold er derfor konstant og i ligevægt med atmosfærens ¹⁴C indhold. Optagelsen af 14C stopper, når organismerne dør, hvorefter indholdet af ¹⁴C langsomt vil aftage i takt med, at ¹⁴C-atomerne henfalder til kvælstof-atomer. Derved mindskes mængden af ¹⁴C gradvist – jo færre ¹⁴C atomer jo ældre er organismen.

For at kunne beregne en alder skal man dels kende prøvens oprindelige indhold af ¹⁴C og dels måle prøvens nuværende indhold af ¹⁴C. Ud fra halveringstiden for ¹⁴C kan prøvens alder så beregnes. Halveringstiden angiver den tid det tager for at halvdelen af den mængde ¹⁴C, der oprindeligt fandtes i en prøve, er halveret (set i forhold til mængden af almindeligt, stabilt kulstof). Når der er gået to halveringstider, vil ¼ af ¹⁴C være tilbage, ved 3 halveringstider resterer 1/8 osv (se Figur 11 og 12). Halveringstiden for ¹⁴C er bestemt til 5730 år, men af praktiske grunde anvendes den oprindeligt bestemte halveringstid på 5568 år ved beregning af ¹⁴C-alderen.

Da mængden af ¹⁴C falder over tid, bliver det sværere og sværere at måle det resterende indhold, jo ældre prøven er. I de fleste tilfælde kan man derfor kun måle sikre aldre op til ca. 45.000 år, selvom man i sjældne tilfælde og under optimale forhold kan måle aldre op til 50-60.000 år.

Da ¹⁴C metoden blev foreslået og testet af W.F. Libby i årene 1947–1951 antog man, at indholdet af ¹⁴C i atmosfæren i fortiden svarede til nutidens indhold. Altså, at atmosfærens ¹⁴C-indhold er konstant og uforanderligt. Senere har det vist sig ikke at være tilfældet, bl.a. fordi styrken af Jordens og Solens magnetfelter varierer gennem tid. Dette har stor indflydelse på dannelsen af ¹⁴C, da et højt magnetfelt afskærmer den kosmiske stråling og dermed mindsker produktionen af ¹⁴C atomer i atmosfæren. For at kende fortidens ¹⁴C indhold har man derfor konstrueret en kalibreringskurve ved at måle indholdet af ¹⁴C i serier af træ-ringe tilbage i tiden. Da træer får deres ¹⁴C via fotosyntese afspejler deres indhold af ¹⁴C atmosfærens indhold. Man kan således tælle årene i træ-ringe og ved samtidigt at datere dem med ¹⁴C metoden kender man forskellen i ¹⁴C alderen og den virkelige alder som funktion af den virkelige alder (kalenderår). På denne måde har man konstrueret en ¹⁴C kalibreringskurve, som dækker de sidste ca. 12.500 år. Længere tilbage i tiden er man nødsaget til at anvende ¹⁴C indholdet fra koraller som er U/Th aldersbestemt, en metode som er uafhængig af kulstofkredsløbet. Man kan med rimelig sikkerhed korrigere alderen over de sidste 26.000 år og med større usikkerhed op til 50.000 år tilbage (se Figur 13).

For havets organismer er det ikke tilsvarende ligetil at lave en aldersbestemmelse. Dette skyldes, at nutidigt overfladevand opblandes med gammelt vand fra dybhavet, hvor ¹⁴C-atomer er meget fåtallige. Dermed er havvand en blanding af nutidigt og gammelt kulstof, og vandet har en tilsyneladende gammel alder på ca. 400 år. Populært kan man sige, at hvis man med ¹⁴C metoden daterer nulevende fisk, vil de have en tilsyneladende alder på 400 år. Den tilsyneladende ’alder’ for organismer, der i dag lever på dybhavets bund, kan i nogle tilfælde være så høj som 1500-3000 år. Dette fænomen kaldes ’reservoireffekt’. Derfor skal man kende havets ’tilsyneladende alder’ eller reservoiralder og korrigere for den før man foretager en kalibrering.

I ferske vande er problemstillingen langt mere kompleks, og der kan ikke angives nogen bestemt reservoiralder. Det skyldes, at søer i de fleste tilfælde fødes af grundvand, som kan være gammelt. Denne effekt forstærkes i områder, hvor undergrunden er kalk. Dette er ikke mindst tilfældet i Danmark og på Skt. Croix, hvor undergrunden har en høj forekomst af fossilt kalk. Den fossile kalk er "uendelig" gammel, dvs. flere millioner år og indeholder derfor ingen ¹⁴C atomer, i sammenligning med halveringstiden af ¹⁴C som "kun" er 5730 år. Ferskvands-reservoiralderen er således meget varierende i tid og meget forskellig fra område til område.

Der findes gratis, web-baserede computerprogrammer, hvor man kan foretage kalibrering af ¹⁴C aldre. Ved kalibrering af ¹⁴C prøver, skal man huske at vælge enten den atmosfæriske kurve, som bruges ved sø-, land-, og is-data eller den marine kurve, som bruges ved prøver fra havet.

Online programmer til kalibrering af kulstof-14 prøver

http://c14.arch.ox.ac.uk/embed.php?File=oxcal.html (avanceret; kræver login, der dog let kan fås gennem denne hjemmeside).
http://radiocarbon.ldeo.columbia.edu/research/radcarbcal.htm (meget brugervenligt, men viser ikke usikkerhederne på kalibreringerne så godt).

Online information om kulstof-14:
http://www.radiocarbon.org/
http://www.c14dating.com/

Populærvidenskabelige artikler om kulstof-14:
Olsen, J., Heinemeier, J., Fischer, A., Benikke, P., 2008. Fødekæder og isotoper. Aktuel Naturvidenskab.

Man kan besøge AMS 14C Daterings Centret på Aarhus Universitet. Her forskes der i 14C metoden, og der foretages årligt mange dateringer: http://owww.phys.au.dk/tilbud/pages/ams/home.htm