Der C-14 Meerwasser Effekt

  • In der Atmosphäre werden ständig Kohlenstoff-14 oder Radiokohlenstoff gebildet.
  • Theoretisch ist die C-14 Konzentration C-13 in der Atmosphäre wegen des Gleichgewichts zwischen den Meeren und der Biosphäre gleich.
  • Aufgrund des Meerwasser Effekts ist der C-14-Gehalt von terrestrischen Organismen nicht gleich dem Gehalt von marinen Organismen.
  • Meerwasser Effekt Korrekturfaktoren wurden für unterschiedliche Ozeane der Welt aufgenommen und in einer Datenbank erfasst.
  • Muschelschalen wurden am Häufigsten einer C-14 Datierung unterzogen.
Shells

Die Grundlage der C14-Datierung beruht auf der Annahme, dass es ein konstantes Niveau von Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre gibt und C-14 deshalb durch dieses Gleichgewicht in allen lebenden Organismen gefunden werden kann. C-14 ist ein natürlich vorkommendes Isotop des Elements Kohlenstoff und wird als Radiokohlenstoff bezeichnet, weil es instabil und schwach radioaktiv ist.

Ein weiteres Merkmal von C-14 ist, dass es kontinuierlich in der oberen Atmosphäre als Produkt der Reaktion von Neutronen durch kosmische Strahlung und Stickstoff-Atomen gebildet wird. Diese Kohlenstoff-14-Atome reagieren dann sofort mit dem in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoff zu Kohlendioxid. Kohlendioxid, das aus C-14 gebildet wurde, ist nicht von Kohlendioxid zu unterscheiden, das aus den anderen C-Isotopen gebildet wurde; folglich ist der Weg von Kohlenstoff-14 in den Ozean, Pflanzen und anderer Organismen der gleiche wie der von C-12 und C-13.

Es wird auch angenommen, dass es ein Gleichgewicht zwischen der Bildung von Kohlenstoff-14 und seinem Zerfall gibt, folglich gibt es zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit bis zur Gegenwart ein konstantes Niveau von Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre.

Diese Annahmen sind allerdings nicht ganz korrekt. Es gibt mehrere zu berücksichtigende Faktoren, weil sie die globale Konzentration von Kohlenstoff-14 beeinflussen und daher auch die Konzentration jeder Probe, die auf C-14 datiert werden soll.

Globaler Kohlenstoffkreislauf

Die Atmosphäre, Ozeane und Biosphäre sind C-14 Reservoirs mit unterschiedlichen Konzentrationen. Radiokohlenstoff, der in der Atmosphäre gebildet wird, löst sich in den Ozeanen in Form von Kohlendioxid und gleichzeitig wird dieses Kohlendioxid von den Pflanzen durch Photosynthese assimiliert und gelangt in die Nahrungskette. Auf diese Weise nehmen terrestrische Organismen C-14 auf.

Meeresorganismen und diejenigen, die sie konsumieren, nehmen Kohlenstoff-14 aus dem Austausch von Kohlenstoff 14 (in Form von Kohlendioxid) in der Atmosphäre und des Ozeans oder anderer Gewässer auf. Allerdings entspricht der Kohlenstoff-14-Gehalt an der Oberfläche nicht dem Gehalt aus der Tiefsee, daher haben nicht alle Meeresorganismen den gleichen C-14 Gehalt.

Meerwasser Effekt

Es gibt viele Faktoren, die für die Messung des C-14 Anteils einer zu analysierenden Probe berücksichtigt werden müssen. Einer dieser Faktoren ist der C14-Gehalt der pflanzlichen oder tierischen Quelle. Auch wann und unter welchen Umständen diese Quelle gelebt hat ist ein wichtiger Faktor.

Dies gilt vor allem beim Vergleich von Proben aus terrestrischen Organismen und solchen, die Radiokarbon aus der Meeresumwelt assimilierten. Auch wenn die Organismen gleich alt wären, hätten sie nicht den gleichen C-14 Gehalt und würden folglich ein unterschiedliches C-14 Alter aufweisen.

Ozeane sind große C-14 Reservoirs. Die Oberflächen der Ozeane und andere Gewässer haben zwei C-14 Quellen – atmosphärisches Kohlendioxid und die Tiefsee. Das Tiefseewasser in den Ozeanen erhält Kohlenstoff-14 durch die Mischung mit den Oberflächengewässern, aber auch durch den radioaktiven Zerfall, der bereits in der Tiefsee stattfindet. Studien zeigen, dass der Ausgleich von Kohlendioxid (mit C-14) im Oberflächenwasser ca. 10 Jahre dauert. Wie lange ein Ausgleich von Kohlendioxid in der Tiefsee dauert, bleibt weiter unbekannt.

C-14 Daten eines terrestrischen und eines marinen Organismus des gleichen Alters weisen etwa eine Differenz von 400 C-14 Jahren auf. Terrestrische Organismen, wie Bäume, nehmen C-14 primär durch atmosphärisches Kohlendioxid auf, während marine Organismen dies nicht tun. Proben von marinen Organismen wie Muscheln, Walen und Robben erscheinen daher viel älter.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist, dass die Auswirkung des Meerwasser Effekts nicht in jedem Gebiet gleich ist. Die Vermischung von Tiefseewasser mit Oberflächenwasser ist ein Phänomen, das man als Tiefenwasseraufstieg bezeichnet. Dieses Phänomen ist vom Breitengrad abhängig und tritt vorwiegend im Bereich des Äquators auf. Die Beschaffung der Küste, lokales Klima, Passatwinde und die Topographie des Ozeanbodens können ebenfalls den Auftrieb beeinflussen.

Laut einer Studie von J. Mangerud aus dem Jahre 1972 sind globale Veränderung des C-14 Meerwasser Effekts im Schalenkarbonat nachweisbar, wegen der unvollständigen Vermischung von auftreibendem Wasser des „alten” anorganischen Karbonats aus den Tiefen des Ozeans, wo lange Verweilzeiten von mehr als 1.000 Jahren eine Erschöpfung der Kohlenstoff-14-Aktivität durch radioaktiven Zerfall verursacht, was zu einem sehr alt erscheinenden C-14 Alter führt.

Wie ermittelt man Meerwasser Effekte?

Es gibt drei Methoden zur Bestimmung regionaler Unterschiede bei Meerwasser Effekten. Diese wurden von Sean Ulm in einem Bericht vom Dezember 2006 aufgeführt:

  • C-14 Datierung von marinen Arten, die vor 1955 gesammelt wurden und dessen Alter bekannt sind;
  • C-14 Datierung von Schalen/Kohle gepaart mit Stichproben aus archäologischen Kontexten mit hoher Integrität, von denen man ausgeht, dass diese zeitgleich stattfanden; und
  • C-14 Datierung von Uran-Thorium (Thorium-230 und Uran-234) und/oder gepaart mit einer Datierung von lebenden Korallen oder lange lebenden Muscheln mit gut zu erkennenden Jahreswachstumsbändern.

Meerwasser Effekt Korrektur

Terrestrische und marine Proben können ohne Berücksichtigung des Meerwasser Effektes nicht verglichen oder verknüpft werden. Die Korrekturfaktoren für verschiedene Ozeane der Welt können in einer Online-Datenbank namens Marine Reservoir Correction Database gefunden werden. Diese Datenbank wurde zum Teil durch das Institut für Ägäische Vorgeschichte finanziert.

Die tatsächliche Korrektur ändert sich je nach Gebiet aufgrund von Komplexitäten in der Meereszirkulation. Die Datenbank wird auch für den Einsatz von C-14 Kalibrierprogrammen wie CALIB (Stuiver und Reimer, 1993) oder OxCal (Bronk Ramsey 1995) verwendet und basiert auf dem marinen Kalibrierungs-Datensatz von 2013.

Lokalisierte Reservoir Korrektur (Delta±R)

Der Delta±R Wert wird nur für marine Karbonate verwendet.

Abhängig vom Alter der Karbonate, wird eine Korrektur von 200 bis 500 Jahre (globale marine Reservoir Korrektur) automatisch auf alle Karbonate angewendet. Diese automatische Korrektur bedeutet, dass das Radiokarbon Datum rezenter wird, da es 200-500 Jahre braucht, bis heutiges Kohlendioxid in der Atmosphäre in die Wassersäule des Ozeans eingebaut und verteilt (ausgeglichen) wird.

Eine Delta±R Korrektur wird auf eine Probe angewendet, die mit Hilfe der globalen marinen Reservoir Korrektur korrigiert wurde. Der durch den Klienten bereitgestellte Wert wird vom bereits korrigierten Alter subtrahiert oder addiert (je nachdem, ob es sich um einen Delta-R oder Delta+R Wert handelt). Hinweis: Ein negativer Delta-R Wert wird die Datierung älter machen (vorausgesetzt Süßwasser Verdünnung basierend auf dem globalen Meeresdurchschnitt).

Die unten angeführten Probenberichte zeigen den Unterschied zwischen einem Radiokarbon Datum von 1000 +/- 30BP mit einem Delta R Wert von 0+/-0 (d.h. nur mit globaler mariner Reservoir Korrektur) und einem Radiokarbon Datum von 1000 +/- 30BP mit einem Delta R Wert von 222+/-35 inklusive globaler mariner Reservoir Korrektur.

calibration

Hard Water Effect

Süßwassersysteme, die durch Kalkstein fließen oder von Quellen gespeist werden, die altes Wasser enthalten, ergeben eventuell fälschlich alte AMS Kohlenstoff-Daten. Der gelöste anorganische Kohlenstoff (Dissolved Inorganic Carbon, kurz DIC), der von Spezies zur Schalenbildung verwendet wird oder Ablagerungen durch Carbonat-Verdichtung, werden aufgrund des DIC aus dem Kalkstein älter erscheinen, als der tatsächliche Entstehungszeitraum. Wenn die Auswirkungen auf Kalkstein zurückzuführen sind, bezeichnet man dies als “Hard Water Effect”. Aquatische Systeme, die ausschließlich durch altes Wasser gespeist werden, weisen altes DIC aus besagtem Wasser auf, sodass der gleiche Effekt zu beobachten ist. Beide Phänomene können als “Reservoir Effekt” klassifiziert werden.

Die beste Option, um die Reservoir-Verschiebung zu eruieren, ist die organischen Materialien, auf die der Effekt keine Auswirkungen hat, im Zusammenhang mit den Schalentieren zu analysieren. Meist werden Holzkohle- oder Samendaten, die in engem Zusammenhang mit den Karbonaten stehen, verwendet, um das Karbon-14 Alter zu vergleichen und mittels der Differenz werden die Daten der Schalentiere korrigiert.

Falls keine Verschiebung bekannt ist, empfiehlt das Labor Literaturrecherchen und eine Eruierung der geologischen Systeme, die das Wasser vor Ort beeinflussen.

C-14 Datierung von Muschelschalen

Von allen Schalenarten, die in den vergangenen Jahren C-14 datiert wurden, sind Muschelschalen die am häufigsten getestete Art. Diese Schalen bestehen sowohl aus organischen, als auch aus anorganischen Komponenten. Die organische Komponente ist das Conchiolin und es macht nur einen kleinen Teil der ganzen Probe aus. Deshalb werden C-14 Messungen für gewöhnlich an der anorganischen Komponente, dem Kalzium Karbonat, vorgenommen.

Die C-14 Datierung von Schalen bringt viele Probleme mit sich. Karbonate sind leicht löslich und interagieren chemisch mit ihrer Umgebung, daher können präzise C-14 Datierungsbefunde nicht garantiert werden. Die Befunde sollten zusätzlich den Meerwasser – und den Hartwassereffekt einbeziehen.