Forschung | Kulturelle Räume | Geisteswissenschaft | Naturwissenschaft & Mathematik

Das Rauschen aus den Daten holen

Kieler Forschungsteam hilft bei Neubestimmung der Radiokarbon-Eichkurve

Die Radiokarbondatierung ist die Standardprozedur wenn es darum geht, das Alter von beispielsweise archäologischen Funden wie Knochen zu bestimmen. Auch zurückliegende Klimaereignisse lassen sich damit datieren. Bei besonders alten Proben waren die Ergebnisse bislang oft ungenau und es gab große zeitliche Abweichungen von teils mehreren tausend Jahren. Ein internationales Projekt unter Beteiligung von Forschenden der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat die Eichkurven für die Radiokarbondatierung in der Nördlichen und Südlichen Hemisphäre und im Ozean neu berechnet und die zeitliche Schwankungen erheblich reduziert. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Radiocarbon veröffentlicht.

Durch die kosmische Strahlung bildet sich in der Atmosphäre das Kohlenstoffisotop 14C. Pflanzen nehmen es über die Fotosynthese auf, Menschen und Tiere über die Nahrungskette. Da sich die Halbwertszeit des Isotops von 5.730 Jahren relativ genau bestimmen lässt und der Zerfallsprozess gleichförmig verläuft, eignet sich die Bestimmung des Gehalts von 14C für die Altersbestimmung sehr gut. Das gelingt für Fundstücke, die bis zu 60.000 Jahre alt sind. Der 14C-Gehalt in der Atmosphäre ist allerdings nicht immer gleich hoch gewesen, und damit variierte auch sein Anteil in den Organismen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern arbeiten stetig daran, diese Störvariable zu entfernen und die Radiokarbon-Kalibrierungskurve (oder auch Eichkurve genannt) genauer zu bestimmen. Zur exakten Altersbestimmung wird die Kalibrierungskurve als Referenz herangezogen. Wird in einer Probe der 14C-Wert beispielsweise auf das Jahr 5300 v. Chr. datiert, entspricht dies der linearen Halbwertszeit des Isotops. Um die atmosphärischen Einflüsse in die Datierung mit einzubeziehen, vergleichen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert mit der Kalibrierungskurve und können die Probe so einem konkreten Zeitraum in der Erdgeschichte zuordnen.

Kieler Forschende lieferten Daten zur Ozeanoberfläche

Eine Forschungsgruppe mit 42 Forschenden aus 39 Instituten in 14 Ländern hat über sieben Jahre mehr als 15.000 Radiokarbon-Eichmessungen ausgewertet, die bis zu 60.000 Jahre alt waren. Daraus haben sie neue, viel genauere Eichkurven für die Nord- und Süd-Halbkugel (IntCal20 und SHCal20) und für die Ozeane (Marine20) erstellt. Dazu kombinierten sie Daten von Baumringen, Stalagmiten, sowie Korallen und Sedimentkernen aus Seen und Ozeanen mit neuen statistischen Methoden. „Der technische Fortschritt und eine viel geringere erforderliche Probenmenge hat dabei die Beprobung stark vereinfacht“, sagt Professor Pieter M. Grootes von der Johanna-Mestorf-Akademie und dem Institut für Ökosystemforschung an der CAU. Frühere Proben aus Baumstämmen mussten beispielsweise über zehn bis 20 Jahresringe umfassen, um ausreichend Holz, also Kohlenstoff, zu liefern. Die neueste Technik braucht tausendfach weniger Material für die Auswertung, es kann aus einem Jahresring datiert werden. „Für die Eichkurven nimmt man weiterhin bevorzugt Bäume die hunderte Jahre alt sind, damit man die Jahresringzählung als Eichung für die 14C-Messungen benutzen kann. So können wir mittlerweile schon bis 14.000 Jahre zurückgehen“, ergänzt Grootes. Für den Zeitraum davor müsse man auf andere unabhängig datierbare Archive, wie die erwähnten Stalagmiten, Korallen oder ozeanische Sedimentkernen, umsteigen.

Pieter M. Grootes und Professor Michael Sarnthein vom Institut für Geowissenschaften, ebenfalls CAU, haben Daten zum 14C-Gehalt im Paläo-Ozean – damit sind die ozeanischen Wassermassen in ihrer erdgeschichtlichen Betrachtung gemeint – beigesteuert und ausgewertet. Damit haben sie dazu beigetragen, die Umwelteinflüsse auf den ozeanischen 14C-Gehalt besser zu verstehen und damit die Einbindung der ozeanischen 14C-Archive in den atmosphärischen Eichkurven zu verbessern. „Wir holen das Rauschen aus den Daten“, so beschreibt Grootes das Grundprinzip der neuen Ergebnisse. „Die vorherigen Eichkurven aus dem Jahr 2013 behandelten die schnelleren Schwankungen als Rauschen und waren deshalb stark geglättet. Damit gingen wichtige Informationen bezüglich dekadischer Schwankungen im atmosphärischen 14C-Gehalt und solare Ereignisse, die eine jahresgenaue Kalibrierung erlauben, verloren. So wurde die Kalibrierung generell weniger genau.“ Die neue statistische Verarbeitung der Eichdaten trenne die kurz- und längerfristigen natürlichen Schwankungen im atmosphärischen 14C-Gehalt vom statistischen „Rauschen“ der 14C-Messergebnisse. „Wir können nun viel besser verstehen, wie sich die Ozeanoberfläche im Verhältnis zur Atmosphäre verhält. Bislang fußten die Kurven teilweise auf Annahmen, jetzt haben wir zunehmend belastbare Daten“, erklärt Pieter M. Grootes.

„Uns hilft die Neubestimmung etwa dabei, zeitliche Abläufe zu ordnen. Im Sonderforschungsbereich 1266 TransformationsDimensionen untersuchen wir beispielsweise einen Shutdown um 3100 vor Christus. Wenn wir nun Krisenereignisse auf zehn bis 20 Jahre genau einordnen können, ist es möglich, die Ursachen besser zeitlich zu differenzieren und zu bestimmen“, erklärt Johannes Müller, Professor am Institut für Ur-und Frühgeschichte an der CAU und Sprecher des SFB 1266 die Vorteile der Neubestimmung.

Originalpublikationen:

Reimer, P., Austin, W., Bard, E., Bayliss, A., Blackwell, P., Bronk Ramsey, C., ... Talamo, S. (2020). The IntCal20 Northern Hemisphere Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 CAL kBP). Radiocarbon, 1-33. DOI-Nummer:10.1017/RDC.2020.41.

Heaton, T., Köhler, P., Butzin, M., Bard, E., Reimer, R., Austin, W., … Skinner, L. (2020). Marine20 – The Marine Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55,000 CAL BP). Radiocarbon, 1-42. DOI-Nummer:10.1017/RDC.2020.68.

Hogg, A., Heaton, T., Hua, Q., Palmer, J., Turney, C., Southon, J., .... Wacker, L. (2020). SHCal20 Southern Hemisphere Calibration, 0–55,000 Years CAL BP. Radiocarbon, 1-20. DOI-Nummer:10.1017/RDC.2020.59.

Kontakt:

Prof. Dr. Pieter Grootes
Johanna-Mestorf-Akademie
Leibniz Labor
 0431/880-1229
pgrootes@ecology.uni-kiel.de

Grafik mit zwei Kurven
© Sahra Talamo

Überschneidung zwischen der Existenz von Neandertalern und Home Sapiens: Im Vergleich die sieben Jahre alte Kurve IntCal13 und die neue Kurve IntCal20.

Nahaufnahme von Baumringen
© P. Brewer, University of Arizona

Bristlecone-Kiefernringe aus der Thera-Periode (zweites Jahrtausend v. Chr.). Mehrere replizierte Messungen von Radiokohlenstoff in einzelnen Ringen von alten Bäumen wie diesem decken jetzt den Zeitraum 1700-1500 v. Chr. in der Eichkurve IntCal20 ab.

Steingrab in der Natur.
© Sara Jagiolla, Institut UFG

Die Verbesserung der 14C-Eichkurve hat direkte Auswirkungen auf die Genauigkeit der Datierung archäologischer Befunde. So können jetzt unter anderem auch Errichtungsphasen von Großsteingräbern – wie hier der Brutkamp in Albersdorf – deren Geschichte im Kieler Sonderforschungsbereich „TransformationsDimensionen prähistorischer und archaischer Gesellschaften“ untersucht werden, wesentlich besser datiert werden. Beispielsweise auf das Jahr 3360 v. Chr. plus/minus zehn Jahre.

Foto eines Analysegerätes.
© Ionplus

Blick in die Ionenquelle eines AMS-Systems. Die zu analysierenden Proben werden in der Messposition von der linken Seite eingeführt. Der bewegliche Teil ist der Ionisator, der Cäsium-Ionen erzeugt, die das Probenmaterial zersetzen, um einen Ionenstrahl der verschiedenen Kohlenstoffisotope 12C, 13C und 14C zu erzeugen.

Christin Beeck
Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation