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Methoden der Altersbestimmung
Struktur:
Das tatsächliche Alter der Erde (Das Alter der Erde beträgt 4,54 ± 0,05 Milliarden Jahre Diese Datierung basiert auf Beweisen aus der radiometrischen Altersbestimmung von Meteoritenmaterial und entspricht dem radiometrischen Alter der ältesten bekannten terrestrischen und lunaren Proben) und die Dauer der Zeiteinheiten konnte nur geschätzt werden. Eine Berechnung von Lord Kelvin (William Thomson, 1. Baron Kelvin, war ein schottisch-irischer Mathematiker und Ingenieur, der 1824 in Belfast geboren wurde) 1862 ergab ein Erdalter von 20 bis 40 Millionen Jahren. Nach der Entdeckung der Radioaktivität wurden radiometrische Methoden zur Altersbestimmung entwickelt, die es ermöglichten, die relative geologische Zeiteinteilung absolut zu datieren. Nikolaus Steno formulierte 1669 das Grundgesetz der Stratigraphie:”Mit ungestörten Schichtenfolgen liegen jüngere Schichten auf älteren. Eine andere Regel besagt, dass sich das Leben auf der Erde in einem einzigen Sinn entwickelt hat, dass sich die Formen nicht wiederholen. Basierend auf diesen Prinzipien war es möglich, die Abfolge der Fossilien und Schichten zu erfassen, zu Profilen zusammenzusetzen und über größere Räume zu vergleichen. Dies führte schließlich zu einer weltweiten Aufteilung der Erdgeschichte in vier große Zeitalter, da
s Präkambrium, das Paläozoikum (Das Paläozoikum, “alt” und zoe, “Leben”, wa
s “altes Leben” bedeutet) ist die früheste von drei geologischen Epochen des Phanerozoikums, von), Mesozoikum (Die Mesozoikum-Ära ist ein geologisches Zeitintervall von etwa) und Känozoikum (Die Känozoikum-Ära ist die aktuelle und jüngste der drei Phanerozoikum-Ära, die der Mesozoikum-Ära folgt und den Zeitraum von vor 66 Millionen Jahren bis heute umfasst), und weitere Unterteilung in Systeme oder Perioden.
Es ist in der Archäologie, Bau- und Kunstgeschichte weit verbreitet. Im Zusammenhang mit Klima - und Umweltfragen leistet die Dendrochronologie (Dendrochronologie ist die wissenschaftliche Methode der jahresgenauen Datierung von Baumringen zur Analyse der atmosphärischen Bedingungen in verschiedenen Epochen der Geschichte) einen wertvollen Beitrag in zahlreichen Bereichen der Geowissenschaften (Fluss-, Küsten-, Gletscher- und Vulkanforschung). Über die chronologischen Aspekte hinaus haben diese Studien gemeinsam, dass sie mit Hilfe der in den Jahresringen gespeicherten Informationen Umwelteinflüsse unterschiedlichster Art erkennen und interpretieren. In semi-ariden sowie in gemäßigten und borealen Klimazonen wächst der Wald unter gleichen klimatischen und standortbedingten Bedingungen jährlich ähnlich stark. Die einzelnen Jahresringmuster – die Abfolgen von schmalen und breiten Jahresringen – können visuell verglichen und zeitlich zugeordnet werden. Nach der Messung der Jahrringbreiten werden sie zum visuellen Vergleich in Kurven umgerechnet. Statistische Berechnungen mit Hilfe spezieller Korrelationsprogramme unterstützen dieses Verfahren. Durch die Mittelwertbildung der Jahrringreihe im Brückenverfahren können lange Jahrringchronologien aufgebaut werden, die wiederum als Grundlage für die Datierung weiterer Hölzer zur Verfügung stehen. . So können Sedimente, Ereignisse und klimatische Bedingungen der letzten 3000 bis 4000 Jahre genau datiert werden.
2.2. Warven-Analyse : Eine der ältesten Methoden zur absoluten Altersbestimmung, die Warven-Analyse , wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von schwedischen Wissenschaftlern entwickelt. Ein Warve ist eine Sedimentschicht, die sich innerhalb eines Jahres in einem stehenden Gewässer angesiedelt hat. Um das Alter des Pleistozäns zu bestimmen (das Pleistozän ist die geologische Epoche, die vor etwa 2.588.000 bis 11.700 Jahren dauerte und die jüngste Periode der wiederholten Vergletscherungen der Welt umfasste), wurden Warven gezählt und verglichen.
Diese Prozesse basieren auf dem Phänomen der Lumineszenz, das in vielen anorganischen Kristallen wie Quarz und Feldspat vorkommt. Solche Kristalle sind nicht streng periodisch und haben eine bestimmte Anzahl von Gitterfehlern. Die Kristalle werden permanent von der natürlichen radioaktiven Strahlung der Erdatmosphäre bestrahlt (die Erdatmosphäre ist die Gasschicht, die den Planeten Erde umgibt und von der Erdgravitation zurückgehalten wird), was zur Ionisation führt (Ionisation ist der Prozess , bei dem ein Atom oder ein Molekül eine negative oder positive Ladung erhält, indem es Elektronen gewinnt oder verliert, um Ionen zu bilden, oft in Verbindung mit anderen chemischen Veränderungen) der Atome im Kristall. Die resultierenden freien Ladungsträger (In der Physik ist ein Ladungsträger ein Teilchen, das sich frei bewegen kann und eine elektrische Ladung trägt, insbesondere die Teilchen, die elektrische Ladungen in elektrischen Leitern tragen), zum Beispiel die Elektronen, diffundieren im Kristall. Während die meisten Elektronen rekombiniert werden, bleiben andere in den Kristallfehlern gefangen und verbleiben dort, bis sie durch externe Stimulation – im Falle der Thermolumineszenz durch Erhitzen der Probe – in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und dadurch eine charakteristische Lumineszenz abgeben. Bei der Thermolumineszenz (Thermolumineszenz ist eine Form der Lumineszenz, die bei bestimmten kristallinen Materialien, wie z.B. einigen Mineralien, auftritt, wenn zuvor absorbierte Energie aus elektromagnetischer Strahlung oder anderer ionisierender Strahlung bei Erwärmung des Materials als Licht wieder abgegeben wird) Methode, kann die Produktionszeit einer Keramik bestimmt werden, da die hohen Temperaturen im Ofen dafür sorgen, dass die bis zu diesem Zeitpunkt in den Defekten eingeschlossenen Elektronen unter Lumineszenzemission wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und somit die Lumineszenzuhr der gebrannten Tonmasse auf Null gesetzt wird. Wird eine solche Keramik nach einer bestimmten Zeit wieder erwärmt, hängt die Intensität und die spektrale Verteilung des emittierten Lichts von der seither absorbierten Strahlendosis ab und ist somit ein Maß für das Alter der Probe. Um einen antiken Gegenstand richtig datieren zu können, müssen die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung am Fundort über einen längeren Zeitraum mit Hilfe von Dosimetern bestimmt werden, da Schwankungen der Strahlung zu einer falschen Datierung führen. Der Bestimmungsfehler kann jedoch immer noch bis zu 25 Prozent betragen. Das Lumineszenzphänomen kann jedoch nicht nur durch Erwärmung, sondern auch durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgelöst werden. So hat das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ein Lumineszenzverfahren entwickelt, das die Lumineszenz durch Bestrahlung mit Infrarotlicht misst und Auskunft darüber gibt, wie lange eine Probe vor Sonnenlicht geschützt war. Das Prinzip der Thermolumineszenzdatierung (Thermolumineszenzdatierung ist die Bestimmung der Zeit, die verstrichen ist, seit Material mit kristallinen Mineralien entweder erhitzt oder dem Sonnenlicht ausgesetzt wurde) (TL (Thallium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Tl und der Ordnungszahl 81) – Datierung) basiert auf der Speicherung von Informationen über die absorbierte Energie ionisierender Strahlung (ionisierende Strahlung ist Strahlung, die genügend Energie trägt, um Elektronen von Atomen oder Molekülen zu befreien und sie dadurch zu ionisieren) in anorganischen Kristallen (e).g. Quarz oder Feldspat), die in allen Keramiken enthalten sind.
Eine weitere wichtige absolute Datierung (Absolute Datierung ist der Prozess der Altersbestimmung nach einer bestimmten Chronologie in Archäologie und Geologie) Methode ist biologischen Ursprungs und beruht auf der Tatsache, dass die im lebenden Gewebe vorhandene linksdrehende L-Aminosäure nach dem Tod des Organismus durch Umlagerung zweier Molekülgruppen allmählich in die rechtsdrehende D-Form übergeht. Ist die Geschwindigkeit des als Racemisierung bezeichneten Transformationsprozesses (in der Chemie ist Racemisierung die Umwandlung eines enantiomerenreinen Gemisches in ein Gemisch, in dem mehr als eines der Enantiomere vorhanden ist) bekannt, lässt das Verhältnis der Aminosäureformen im toten Organismus Rückschlüsse auf seinen Todeszeitpunkt zu. Die Aminosäure-Racemisierung, kurz auch Proteinuhr genannt, eignet sich für die Datierung von bis zu 100.000 Jahre alten Knochenresten. Das Problem bei dieser Methode ist jedoch die Temperaturabhängigkeit, die zu einem großen Fehler in der Datierung führen kann. Daher sollte die Aminosäure-Racemisierung (Aminosäure-Datierung ist eine Datierungstechnik, mit der das Alter einer Probe in der Paläobiologie, Molekularpaläontologie, Archäologie, Forensik, Taphonomie, Sedimentgeologie und anderen Bereichen geschätzt wird) nur auf organischem Material durchgeführt werden, das stabilen klimatischen Bedingungen ausgesetzt war. Andere Methoden physikalischen Ursprungs, wie die Spaltspur-, Alpha-Rückprall- und Magnetdatierungsverfahren, die eine Datierung noch weiter in die Vergangenheit ermöglichen, werden bisher vor allem in der Geologie und Kosmologie eingesetzt und sind daher in diesem Zusammenhang nicht näher beschrieben.
Im Gegensatz zu Lumineszenzmethoden erkennt der ESR nur die Defekte mit einem ungepaarten Elektron – also die Radikale. Sie haben paramagnetische (Paramagnetismus ist eine Form des Magnetismus , bei der bestimmte Materialien durch ein von außen angelegtes Magnetfeld angezogen werden und innere, induzierte Magnetfelder in Richtung des angelegten Magnetfeldes bilden) Eigenschaften. Der Zustand der Magnetisierung (Im klassischen Elektromagnetismus ist die Magnetisierung oder magnetische Polarisation das Vektorfeld, das die Dichte der permanenten oder induzierten magnetischen Dipolmomente in einem magnetischen Material ausdrückt), das zum Beispiel in Quarz (Quarz ist ein Mineral, das aus Silizium und Sauerstoffatomen in einem kontinuierlichen Rahmen aus SiO4-Silizium-Sauerstoff-Tetraeder besteht, wobei jeder Sauerstoff zwischen zwei Tetraeder geteilt wird, was eine allgemeine chemische Formel von SiO2 ergibt) – Kristalle, Schalen und Zahnschmelz, wird durch Bestrahlung von Mikrowellen gemessen. Im Gegensatz zu den Lumineszenzmethoden wird die durch die radioaktive Bestrahlung hervorgerufene elektronische Zustandsänderung nicht mehr umgekehrt, sondern nur noch geringfügig verändert, so dass die Probe mehrfach gemessen werden kann. Um ein ausreichend starkes ESR-Signal für die Datierung zu erhalten, muss der archäologische Fund mindestens 10.000 Jahre alt sein. Die Obergrenze liegt bei einigen Millionen Jahren, mit einem Fehler von bis zu 30 Prozent bei den Altersangaben. Auch bei der ESR-Datierung muss die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung (in der Physik ist Strahlung die Emission oder Transmission von Energie in Form von Wellen oder Teilchen durch den Raum oder durch ein materielles Medium) verursacht durch die Veränderung des Kristalls gemessen werden.
Grundlage aller Datierungsmethoden ist der Zerfall radioaktiver Isotope. Das Verhältnis zwischen einem instabilen Ausgangselement (Elternelement) und dem entsprechenden stabilen Endprodukt (Tochterelement) wird gemessen. Dieser Zerfall erfolgt häufig über andere radioaktive Zwischenelemente. Grundsätzlich gilt, je älter ein Sample ist, desto mehr des Elternelements wurde in das Tochterelement umgewandelt.
In der Natur kommt Kohlenstoff in Form von 3 Isotopen vor – 12C, 13C, die beide stabil sind, und 14C, das instabil oder radioaktiv ist. Diese Isotope (Isotope sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden) kommen in der Natur in unterschiedlichen Mengen vor: 12C = 98,89%, 13C (Carbon-13 ist ein natürliches, stabiles Isotop aus Kohlenstoff mit einem Kern aus sechs Protonen und sieben Neutronen) = 1,11% und 14C = 0,00000000000001%. So ist ein 14C (Kohlenstoff-14, 14C oder Radiokohlenstoff, ist ein radioaktives Isotop von Kohlenstoff mit einem Atomkern mit 6 Protonen und 8 Neutronen) Atom (Ein Atom ist die kleinste Einheit der gewöhnlichen Materie, die die Eigenschaften eines chemischen Elements hat) in der Natur hat 1.000.000.000.000.000.000.000.000 12C (Kohlenstoff-12 ist der häufigere Kohlenstoff der beiden stabilen Isotope, die 98 beträgt.93% des Elements Kohlenstoff; seine Fülle ist auf den Triple-Alpha-Prozess zurückzuführen, durch den es in Sternen entsteht) Atome. Die Radiokohlenstoffmethode (Radiokohlenstoffdatierung ist eine Methode zur Bestimmung des Alters eines Objekts, das organisches Material enthält, unter Verwendung der Eigenschaften von Radiokohlenstoff, einem radioaktiven Isotop von Kohlenstoff) basiert auf der Zerfallsrate von radioaktivem 14C, das in der oberen Atmosphäre durch den Einfluss von Neutronen in der kosmischen Strahlung (kosmische Strahlung ist hochenergetische Strahlung, die hauptsächlich außerhalb des Sonnensystems entsteht) auf 14N (Stickstoff (Stickstoff (Stickstoff ist ein chemisches Element mit Symbol N und Ordnungszahl 7)). Sobald Pflanzen oder Tiere sterben, wird kein weiterer Kohlenstoff mehr aufgenommen und kein weiterer radioaktiver Kohlenstoff, der bereits aufgenommene Kohlenstoff zerfällt stetig. Libby, Anderson und Arnold (1949) entdeckten, dass dieser Verfall mit einer konstanten Rate auftritt. Sie fanden heraus, dass nach 5568 Jahren die Hälfte der 14C der ursprünglichen Probe zerfällt und nach weiteren 5568 Jahren nur noch ein Viertel vorhanden sein wird. Diese 5568 Jahre nennt man Halbwertszeit (5568 ± 30). Nach zehn Halbwertszeiten ist der 14C-Gehalt bereits sehr niedrig. Somit ist eine Datierung von Proben mit einem Alter über 50.000 Jahren kaum noch möglich. Der Zerfall von 14C folgt dieser Gleichung. Diese Messung der zerfallenden 14C-Atome hat mehrere Nachteile: Große Probenmengen werden benötigt (mehrere 100g Kohlenstoff). Die Messzeiten liegen oft bei einer Probe über eine Woche. Bei Verwendung eines modernen AMS-Systems (Accelerator Mass Spectroscopy (Accelerator mass spectrometry unterscheidet sich von anderen Formen der Massenspektrometrie dadurch, dass es Ionen vor der Massenanalyse auf außerordentlich hohe kinetische Energien beschleunigt)) wird der Zerfall nicht gemessen, sondern die Gesamtzahl der 14C-Atome in der Probe ist gleich 12C und 13C. Die Vorteile dieser Methode sind:
2.5.3 Kalium-Argon-Methode: Mit dem Zerfall von radioaktivem Kalium-40 zu Argon-40 und Kalzium-40 Gestein mit einem Alter von 200 bis 800 Millionen Jahren (mit Argon (Argon ist ein chemisches Element mit Symbol Ar und Ordnungszahl 18)) oder ein bis zwei Milliarden Jahre (mit Kalzium) können datiert werden. Kalium-40 (Kalium-40 ist ein radioaktives Kaliumisotop mit einer sehr langen Halbwertszeit von 1.251 Jahre) ist weit verbreitet in gängigen Gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmer (Die Glimmergruppe der Schichtsilikatmineralien umfasst mehrere eng verwandte Materialien mit nahezu perfekter Basalspaltung), Feldspat (Feldspat ist eine Gruppe von Gesteinsbildenden Tektosilikatmineralien, die etwa 40% der kontinentalen Erdkruste ausmachen) und Hornblende (Hornblende ist eine komplexe Inosilikatreihe von Mineralien) ). Der Austritt von Argon ist problematisch, wenn das Gestein Temperaturen über 125 °C ausgesetzt war, da dies das Messergebnis verfälscht.
Es basiert auf dem Zerfall von Rubidium (Rubidium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Rb und der Ordnungszahl 37) -87 bis Strontium-87 und wird häufig zur Überprüfung der Kalium-Argon-Datierung (Kalium-Argon-Datierung, abgekürzt K-Ar-Datierung) verwendet, ist eine radiometrische Datierungsmethode in der Geochronologie und Archäologie), da Strontium (Strontium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Sr und der Ordnungszahl 38) sich bei niedrigen Temperaturen nicht verflüchtigt, wie es bei Argon der Fall ist.
Das Uran (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92) im Meerwasser zerfällt zu Thorium-230, das in den Sedimenten auf dem Meeresgrund abgelagert wird. Thorium-230 ist ein Mitglied der Zerfallsreihe (in der Nuklearwissenschaft bezieht sich die Zerfallskette auf den radioaktiven Zerfall verschiedener diskreter radioaktiver Zerfallsprodukte als verkettete Reihe von Transformationen) von Uran-238; sie hat eine Halbwertszeit von 80.000 Jahren. Protactinium (Protactinium oder Protoactinium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Pa und der Ordnungszahl 91) -231, abgeleitet von Uran-235, hat eine Halbwertszeit von 34300 Jahren.
2.5.6. Führungsmethoden: In diesem Fall wird das Alter durch spektrometrische Bestimmung des gesamten Bleigehalts und der Aktivität der Alpha-Milch (Uran-Thorium-Gehalt) von Zirkonium (Zirkonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Zr und der Ordnungszahl 40), Monazit (Monazit ist ein rotbraunes Phosphatmineral mit Seltenerdmetallen) oder xenotischen Konzentraten bestimmt. Die Uran-Blei-Methode basiert auf dem radioaktiven Zerfall von Uran-238 in Blei 206 und Uran-235 in Blei 207, und die Zerfallsraten für Thorium (Thorium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Th und der Ordnungszahl 90) -232 in Blei 208 erlauben es, drei unabhängige Altersgruppen für dieselbe Probe zu erhalten. Die ermittelten Verhältnisse von Blei 66 und Blei 207 können in das sogenannte Blei-Blei-Alter umgerechnet werden. Die Methode wird am häufigsten für Proben aus dem Präkambrium verwendet (das Präkambrium ist die früheste Periode der Erdgeschichte , die vor dem aktuellen Phanerozoikum liegt). Als Nebenprodukt der Uran-Therium-Blei-Altersbestimmung kann ein zusätzliches Uran-Uran-Alter aus dem Verhältnis Uran-235 (Uran-235 ist ein Isotop von Uran, das etwa 0,72% des natürlichen Urans ausmacht) zu Uran-238 (Uran-238 ist das häufigste in der Natur vorkommende Isotop von Uran, das über 99% ausmacht) berechnet werden.