Radiohiiliajoitus onhiilenisotooppien runsaussuhteiden mittaamiseen perustuva menetelmä, jolla pyritään määrittämään biologista alkuperää olevan näytteen tai biologisesta materiaalista valmistetun esineen ikä.
Hiilen radioaktiivista isotooppia C-14 (14C) muodostuu ilmakehäntypestäkosmisen säteilyn vaikutuksesta.[1] Ilmakehässä radiohiili yhdistyy happeen muodostaen hiilidioksidia, jokafotosynteesin kautta joutuueliöihin ja edelleenravintoketjujen kautta myös kasveja syöviineläimiin japetoeläimiin.Hiili-14 on radioaktiivinen aine ja senkonsentraatio ilmakehässä on suunnilleen vakio. Eläessään eliö saavuttaametabolisen tasapainon C-14:n suhteen. Eliön kuollessa radiohiilen saanti ilmakehästä tyrehtyy. Hiili-14:npuoliintumisaika on noin 5 700 vuotta[2], minkä vuoksi eliön kuoltua puolet siinä olleista radiohiiliatomeista hajoaa noin 5 700 vuodessa, jäljellä olevista puolet taas seuraavissa noin 5 700 vuodessa ja niin edelleen. Niinpä mittaamalla näytteessä jäljellä olevan radiohiilen osuus kaikesta hiilestä voidaan arvioida esineen ikä.
Radiohiiliajoitusta käytetään muun muassapaleontologiassa jaarkeologiassa. Kymmenen puoliintumisajan jälkeen, noin 60 000 vuoden kohdalla, radiohiiltä on hyvin vähän jäljellä, eikä sitä vanhempia näytteitä voida määrittää tällä menetelmällä.[3] Vertaamalla iältään tunnettuihin esineisiin on todettu, että radiohiilimääritys antaa liian nuoria ikiä hyvin vanhoille esineille.[2] Siksi on kehitetty kalibrointikäyriä tekemällä hiilimittauksia tunnetun ikäisistä lähteistä kuten vanhoista puista. Puiden vuosirenkaiden paksuus vaihtelee eri vuosina, mihin perustuvaavuosirengasanalyysia voidaan käyttää vertailuun, joten kalibroinnin avulla "radiohiilivuodet" saadaan muutettua todellisiksi aurinkovuosiksi.[2] Vanhoissa kirjoissa voidaan vielä puhua kalibroimattomista vuosista, nykyisin ajoitukset kalibroidaan lähes aina.[4][5]
Radiohiiliajoitusta kutsutaan myös nimillä radiohiilimenetelmä, hiili-14-menetelmä sekä C-14-menetelmä. Ennen radiohiilen määrä mitattiinsäteilymittarilla, nykyäänmassaspektrometrilla niin että saadaan tarkempi niin sanottuAMS-radiohiiliajoitus.
Radiohiilimenetelmän keksi Chicagon yliopiston professoriWillard Libby työryhmineen 1947–1949. Libby sai keksinnöstään kemian Nobelin palkinnon.[6]
Suomessa radiohiilinäytteiden määritystä AMS-menetelmällä tehdäänHelsingin yliopiston ajoituslaboratoriossa.[7]
Radiohiiliajoitus sopii kuolleiden, alkuaan eloperäisten aineiden ajoitukseen, esimerkkeinäpuu, hiiltyneet ainekset,luu, eläinten kuoret jakollageeni[9] sekä 1990-luvulta alkaen AMS-ajoituksellakeramiikka, jossa on pieniä määriä hiilipitoista kuonaa. Keramiikan ajoitus on tarkempaa kuin monien muiden näytteiden, koska keraaminen aines estää radiohiilen mahdollisen liukenemisen pois tai uuden saapumisen siihen. Radiohiilen määrän muutoksethan saattaisivat sotkea ajoituksen.
Radiohiiltä syntyy eniten 9–15 kilometrin korkeudessa kosmisenneutronisäteilyn osuessa typpiatomienytimiin.[9] Typpihän on ilman yleisin kaasu. Reaktio tapahtuu tällöin seuraavasti:
Syntynyt hiiliatomi liittyyhappimolekyyliin muodostaenhiilidioksidia CO2.[9] Ilmakehän hiilestä on radiohiiltä noinbiljoonasosa (0,000 000 000 1 %) atomien määrinä mitattuna.[3] Elämänsä aikana eläimet syövät hiili-14:ää sisältäviä kasveja, jotka ottavat sitä ilman hiilidioksidista. Koska radioaktiivinen hiili-14 hajoaa vakiovauhdilla ja organismin kuoleman jälkeen uutta hiili-14:ää ei kerry, biologisesta materiaalista valmistetun esineen ikä voidaan arvioida jäljellä olevan hiili-14:n perusteella.
Säteillessään radiohiili hajoaa takaisin typeksi siten, että 5 730 vuoden kuluttua noin puolet alkuperäisestä hiili-14:stä on jäljellä, 11 460 vuoden kuluttua neljäsosa jne. Hajoaminen tapahtuu seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:
Jos kappaleessa olevan radiohiiliatomien määrä tietyllä hetkellä onN0, on sen jäljellä oleva määrä ajant kuluttua
,
missät½ on radiohiilen puoliintumisaika. Samassa suhteessa pienenee myös näytteenaktiivisuus.
Jos eliöissä niiden elinaikana olevan radiohiilen osuus hiilestä on vakioN0 ja sen jäljellä oleva mitattu määrä onN, näytteen ikät voidaan määritellä yhtälöllä
Pitkään radiohiili mitattiin sen säteilemästäbetasäteilystägeigermittarilla, nykyään esimerkiksi suoraanmassaspektrometrin avulla eliAMS-tekniikalla. AMS-ajoitus vaatii vain 0,1 milligrammaa hiiltä, mutta perinteinen menetelmä noin yhden gramman. Libbyn aikoina tarvittiin jopa 100 grammaa hiiltä. Radiohiiliajoituksessa käytetään myös parannettuja säteilyn mittaukseen perustuvia menetelmiä GPC ja LPC, jotka vaativat noin 100 milligrammaa näytettä.[10]
Noin 40 000 vuotta vanhoissa esineissä radiohiilen määrä on jo niin alhainen, että sitä on vaikea mitata tai erottaa lähellä olevien uudempien materiaalien sisältämän radiohiilen aiheuttamista häiriöistä.[2]
Radiohiiliajoitusta kehitteliManhattan-atomipommiprojektissa mukana ollut amerikkalainen tutkijaWillard Libby 1940-luvun lopulla. Hänen kanssaan työskenteli kaksi opiskelijaa, James R. Arnold ja Ernest C. Anderson,Chicagon yliopiston metallurgisessa laboratoriossa. Libby sai keksinnöistään vuonna 1960kemian Nobelin palkinnon, joka on ainoa arkeologiaan liittyvä kemian Nobelin palkinto.[11]. 1950-luvulla kehitettiin parannetut menetelmät, jotka perustuivat kaasumaisten ja nesteytettyjen näytteiden analyysiin. Useimmat radiohiiliajoitukset tehdään nykyään näillä menetelmillä.[3] 1960-luvun lopulla tuloksia alettiin korjata elikalibroida muiden tarkempien ajoitusmenetelmien kuten vuosirenkaiden ajoituksista laadituilla taulukoilla.
Kehittyneempi AMS-ajoitus keksittiin 1977. Sinä vuonna tekivät ensimmäiset ajoitukset massaspektrometrilla Rochesterin/Toronton tutkijaryhmä ja General Ionex Corporation ja pian Simon Fraserin ja McMasterin yliopistot.[3]
Kalibrointi muuttaa radiohiilivuodet kalenterivuosiksi
Radiohiiliajoituksen korjaus- eli kalibrointikäyrä.
Radiohiili-iät lasketaan vuodesta 1950 lukien, ei mittausvuodesta lukien, jotta vältyttäisiin väärinkäsityksiltä.
Radiohiiliajoitus ei suoraan anna esineen ikää. Yleensä radiohiilivuodet ovat liian nuoria esineen todelliseen ikään verrattuna. Noin 2 600 vuotta vanhemmat esineet voivat olla ehkä 500–1 000 vuotta vanhempia.
Radiohiiliajoitusta verrataan yleensä muun muassavuosirengasajoituksella saatuun ikään.[4] Muita vertailutietoja saadaan jäätiköistä, syvämeren kerrostumista ja järvien ja lampienlustosavikerrostumista.[5] Joidenkin pieneliöiden vuodenaikainen vaihtelu näkyy näissä kerrostumissa vaikkapa tummina ja vaaleina raitoina.Etelämanterella jaGrönlannissa on jäätikön uumenissa vanhaa jäätä, jonka vuodenaikaiset vaihtelut näkyvät melko syvälle porattaessa. Lopulta hyvin syvällä jää pakkautuu niin tiiviiksi, että ne katoavat. Myöskoralleissa näkyy vuodenaikaisia vaihteluja. Mitkään näistä eivät anna varmaa vertailutietoa hyvin vanhojen ikien osalta.
Kalibrointikäyrässä näkyy tasanne 11 000–10 000 radiohiilivuotta sitten, jolloinnuorempi dryaskausi muutti valtameren kiertoa. Vuosirengassarjat ulottuvat nykyään Keski-Euroopassa 12 400 vuoden päähän. Radiohiiliajoitusta on laajennettu ulottumaan 45 000 vuoden taakse tutkimalla eräässäBahamasaarten luolassa oleviatippukiviä.
Eri menetelmällä saatavien vertailutietojen pohjalta on kehitelty erilaisia korjaus- ja kalibrointikaavoja ja taulukoita. Tunnettuja kalibrointijärjestelmiä ovat OxCal ja CalPal. Tarkkakalibrointi ei ulotu koko radiohiilimenetelmän kattaman aika-alueen, 60 000 vuoden, alueelle. Kalibrointi ei aina anna luotettavaa arvoa, koska muun muassa tulivuorenpurkaus voi sotkea ajoitusta.
Radiohiiliajoitusten merkintä on kirjavaa. Täsmällisintä olisi ilmoittaa, onko radiohiili-ikä kalibroitu vai kalibroimaton, ja millä menetelmällä on kalibroitu, jos on kalibroitu. Täsmällisyyttä lisää iänmäärityksen virheraja ja todennäköisyys, esimerkiksi ±100 vuotta todennäköisyydellä 68 %. Kalibroidun iän toinen nimitys on "kalenterivuodet", vaikka ne eivät täysin todellisia vuosia useimmiten vastaakaan. 1960-luvulla vuosirengaskalibroinnin epätarkkuus oli pahimmillaan jopa 700 vuotta.
Usein ilmaistaan vainBP taiBP cal. kalibroimattomille ja kalenterivuosille.
Niinpä radiohiilivuodet eli kalibroimattomat hiili-14-vuodet merkitään englanninkielisissä lähteissä ja suomalaisissakin teksteissä lyhenteelläBP. BP tarkoittaa englanniksiBeforePresent, vuotta ennen nykyhetkeä. Merkitään myös "radiohiilivuotta sitten"rcbp,rcybp taircya. Joskus käytetään myös merkintöjäC-14BP uncal ,14C yr BP). Kalibroinneista saatavat kalenterivuodet tai kalibroidut radiohiilivuodet ovat englanniksi esimerkiksiC-14 BP cal. taical. BP.
Jos merkitään kalibroidut vuodet läntisen ajanlaskun mukaan, käytetään monesti merkintää calBC tai BCE[12], mikä saadaan vähentämällä esineen iästä 1 950 tai 2 000 vuotta[12] Toinen monien arkeologien käyttämä tapa on käyttää kalibroitujen, ajanlaskumme alkua edeltävien vuosilukujen yhteydessä lyhennettäeKr. taieaa. (engl.BC), kalibroimattomien ajoitusten yhteydessä vastaavaa lyhennettä pienillä kirjaimilla, siis ekr. (engl.bc).[2] Käytäntö on kuitenkin vakiintumaton, sillä monissa kirjoissa ja artikkeleissa lyhennettä BC käytetään myös kalibroimattomista vuosiluvuista.[2]
Radiohiiliajoituksessa oleva epätarkkuus näkyy monesti sillä saaduissa tuloksissa. Usein merkitään vaikkapa 1 000 ± 100 BP eli 1 000 radiohiilivuotta plus miinus 100 vuotta. Tämä tarkoittaa yleisimmin, että esineen ikä poikkeaa 68 % elinormaalijakaumassa 1 % σ verran.
Niinpä esimerkiksi 5 000 BP on Groningenin yliopiston Cal25-kalibroinnin mukaan[12][13] 5 000 ± 100 BP, toisin sanoen 5 920–3 700 kalenterivuotta vanha, keskimäärin 5 800 calBP. Tällöin näyte on ajanlaskumme mukaan ajalta 3 920–3 700 eaa.[12].
Libbyn ryhmä oli ensimmäinen, joka määritti radiohiilenpuoliintumisajan mittauksistaan. Koska aika on pitkä ja tutkimuksia on tehty vasta lyhyen aikaa, siihen liittyi epävarmuutta. Vertailu muinaisen Egyptin näytteisiin osoitti kuitenkin että virhe oli varsin pieni. Libbyn käyttämää arvoa 5 568 ± 30, niin sanottua Libbyn puoliintumisaikaa käytettiin pitkään. Myöhemmin huomattiin sen olevan 3 % liian pieni, ja nykyisin käytetään uutta arviota 5 730 ± 40 vuotta, jota kutsutaan Cambridgen puoliintumisajaksi.[3]
Ilmakehässä olevan radiohiilen suhteellinen osuus vaihtelee. Radioaktiivista hiiltä ei synny ilmakehässä vakiovauhdilla, koskakosmisen neutronisäteilyn määrä vaihtelee.Ydinkokeet lisäsivät varsinkin 1950-luvulla ja 1960-luvulla radiohiilen määrää. Tämä vaikeuttaa vain ydinkokeiden jälkeen syntyneiden näytteiden ajoitusta, mutta virhettä on käytetty luomaan huonoa mainetta kaikille radiohiiliajoituksille.[14]Toisaaltafossiilisten polttoaineiden käyttö on vähentänyt radiohiilen suhteellista osuutta ilmakehässä olevasta hiilestä. Niiden käytöstähän ilmakehään tulee lisäähiilidioksidia, mutta näiden aineiden suuren iän vuoksi niissä oleva radiohiili on käytännöllisesti katsoen hajonnut loppuun eikä sen määrä ilmakehässä sen vuoksi lisäänny vastaavassa suhteessa. Nämä muuttavat myös13C isotoopin määrää, joten epävarmuuden suuruutta voidaan arvioida.
Esimerkiksi viime jääkauden loppuvaiheen Alleröd-kaudennuoremman dryaskauden ajoituksia pidetään monesti joillain paikoilla liian vanhoina. Muun muassa nuoremman dryaskauden IGAN-708-ajoitus on 13 010 ± 400 vuotta,[15] Tämä selitetään runsaasti kuollutta eloperäistä ainesta sisältävän "kovan"karbonaatin esiintymisenä pohjavedessä. Tämä liuottaa radiohiiltä eliöiden jäänteistä ja näin kasvattaa radiohiili-ikiä.[16] On myös väitetty radiohiilikellon pysähtyneen nuoremmalla dryaskaudella. Tällöin hiilidioksidin osapaineen kasvu olisi pienentänyt radiohiilen kasautumista ja johtanut radiohiilikellon pysähtymiseen tai hidastumiseen.[17]
↑Susan Trumbore: Radiocarbon Geochronology. Quaternary Geochronology: Methods and Applications (Osana julkaisua AGU Reference Shelf Series, Volume 4.), 2000, s. 41–60. American Geophysical Union. (englanniksi)
↑abcdefJared Diamond: Tykit, taudit ja teräs – ihmisen yhteiskuntien kohtalot, s. 102–104. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Terra Cognita, 2003. ISBN 952-5202-56-9
↑"Rutter&Velichko 1997"Quaternary of northern eurasia: Late pleistocene and holocene landscapes, stratigraphy and environments, Nat W. Rutter, editor-in-chief, Guest editors A. A. Velichko et al, Vols 41/42 July/August 1997,ISSN 1040-6182. s. 69
