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1. Entwicklung von relativen und absoluten Methoden
2. Absolute Altersbestimmungsmethoden
2.1. Dendrochronologie
2.2. Warvenanalyse
2.3. Altersbestimmung durch Thermolumineszenz
2.4. Aminosäureracemisierung
2.5. Radiometrische Altersbestimmung
2.5.1 Elektronen-Spin-Resonanz-Methode
2.5.2. Kohlenstoff-14-Methode
2.5.3. Kalium-Argon-Methode
2.5.4. Rubidium-Strontium-Methode
2.5.5. Methoden mit Thorium 230
2.5.6. Methoden mit Blei
1.Entwicklung von relativen und absoluten Methoden:
Mit den verfügbaren Methoden konnte die Geologie noch im 19. Jahrhundert nur eine relative Zeitskala aufstellen. Das tatsächliche Alter der Erde und die Dauer der Zeiteinheiten konnten nur abgeschätzt werden. Eine Berechnung z. B. Lord Kelvins von 1862 ergab ein Erdalter von 20 bis 40 Millionen Jahren. Nach der Entdeckung der Radioaktivität wurden radiometrische Methoden zur Altersbestimmung entwickelt, die es erlaubten, die relative geologische Zeiteinteilung absolut zu datieren.
Nikolaus Steno formulierte 1669 das Grundgesetz der Stratigraphie: Bei ungestörten Schichtfolgen liegen jüngere Schichten auf älteren. Eine andere Regel besagt, dass sich das Leben auf der Erde "einsinnig" entwickelt hat, dass sich die Formen nicht wiederholen. Auf der Grundlage dieser Prinzipien war es möglich, die Abfolge der Fossilien und Schichten aufzuzeichnen, in Profilen zusammenzustellen und über größere Räume zu vergleichen. Daraus ergab sich schließlich eine weltweite Einteilung der Erdgeschichte in vier große Zeitalter, Präkambrium, Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum, und die weitere Untergliederung in Systeme oder Perioden.
2.Absolute Altersbestimmungsmethoden:
2.1.Dendrochronologie
Die Dendrochronologie (Dendron = Baum, Chronos = Zeit, Logos = Kunde - dem altgriechischen entnommen) stellt eine präzise, jahrgenaue Datierungsmethode dar, die über den Vergleich der Jahrringfolgen die zeitliche Zuordnung von Hölzern ermöglicht. Sie findet eine breite Anwendung in der Archäologie, Bau- und Kunstgeschichte. In Verbindung mit Klima- und Umweltfragen leistet die Dendrochronologie in zahlreichen Teilgebieten der Geowissenschaften ( Fluß-, Küsten-, Gletscher- und Vulkanforschung) einen wertvollen Beitrag. Über die chronologischen Aspekte hinaus sind diesen Untersuchungen gemeinsam, daß sie, mit Hilfe der in den Jahrringen gespeicherten Informationen, Umwelteinflüsse verschiedenster Art erkennen und interpretieren.
Gehölze weisen unter identischen Klima- und Standortbedingungen sowohl in semiariden, als auch in gemäßigten und borealen Klimazonen einen ähnlichen Jahreszuwachs auf. Die individuellen Jahrringmuster - die Abfolgen von engen und breiten Jahrringen- können optisch miteinander verglichen und zeitlich zugeordnet werden. Nach einer Vermessung der Jahrringbreiten werden sie für den visuellen Vergleich in Kurven umgesetzt. Statistische Berechnungen, mit Hilfe spezieller Korrelationsprogramme, unterstützen dieses Vorgehen. Durch Mittelung der Jahrringserien im Überbrückungsverfahren können lange Jahrringchronologien aufgebaut werden, die dann wiederum als Grundlagen für die Datierung weiterer Hölzer zur Verfügung stehen. .
Damit sind Sedimente, Ereignisse und klimatische Bedingungen der vergangenen 3 000 bis 4 000 Jahre exakt zu datieren.
2.2.Warvenanalyse:
Eine der ältesten Methoden zur absoluten Altersbestimmung, die Warvenanalyse, wurde von schwedischen Wissenschaftlern zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt. Eine Warve ist eine Sedimentschicht, die sich innerhalb eines Jahres in einem stehenden Gewässer abgesetzt hat. Um das Alter der eiszeitlichen Ablagerungen aus dem Pleistozän zu bestimmen, wurden Warven gezählt und miteinander verglichen.
2.3.Altersbestimmung durch Thermolumineszenz:
Die Lumineszenzdatierung wird in der Archäologie vor allem bei Keramiken oder bei Fundstücken eingesetzt, deren Alter oberhalb der Radiokarbongrenze von etwa 50 000 Jahren liegt. Diese Verfahren beruhen auf einer Leuchterscheinung, der so genannten Lumineszenz, die in vielen anorganischen Kristallen wie Quarz und Feldspat auftritt. Solche Kristalle sind grundsätzlich nicht streng periodisch aufgebaut und besitzen eine bestimmte Anzahl von Gitterbaufehlern - die Defekte.
Durch die in der Erdatmosphäre vorkommende natürliche radioaktive Strahlung werden die Kristalle permanent bestrahlt, was zur Ionisation der Atome im Kristall führt. Die dadurch entstandenen freien Ladungsträger, beispielsweise die Elektronen, diffundieren im Kristall. Während ein Großteil der Elektronen rekombiniert, werden andere in den Kristalldefekten gefangen und verbleiben dort solange, bis sie durch eine Stimulation von außen - im Fall der Thermolumineszenz durch Erwärmung der Probe - in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und dabei eine charakteristische Lumineszenz emittieren.
Mit der Thermolumineszenz-Methode lässt sich so etwa der Herstellungszeitpunkt einer Keramik ermitteln, denn die im Brennofen herrschenden hohen Temperaturen sorgen dafür, dass die bis zu diesem Zeitpunkt in den Defekten gefangenen Elektronen unter Lumineszenzaussendung in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, und dadurch - bildlich gesprochen - die Lumineszenz-Uhr der gebrannten Tonmasse auf Null gesetzt wird.
Wird eine solche Keramik nach einer bestimmten Zeit wieder erhitzt, so hängt die Intensität und die spektrale Verteilung des dann emittierten Lichts von der seitdem absorbierten Strahlungsdosis ab und ist somit ein Maß für das Alter der Probe. Um ein antikes Objekt korrekt datieren zu können, muss die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung am Fundort mit Hilfe von Dosimetern über einen längeren Zeitraum bestimmt werden, da Schwankungen der Strahlung zu einer fehlerbehafteten Datierung führen. Der Bestimmungsfehler kann allerdings trotzdem bei bis zu 25 Prozent liegen.
Die Lumineszenzerscheinung kann aber nicht nur durch Erhitzen, sondern auch durch Einstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgelöst werden. So wurde am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg eine Lumineszenzmethode entwickelt, welche die durch eine Bestrahlung mit infrarotem Licht hervorgerufene Lumineszenz misst und darüber Aufschluss gibt, wie lange eine Probe vom Sonnenlicht abgeschirmt war.
Das Prinzip der Thermolumineszenzdatierung (TL - Datierung) basiert auf der Speicherung von Informationen über die absorbierte Energie ionisierender Strahlung in anorganischen Kristallen (z.B. Quarz oder Feldspat), welche in allen Keramiken enthalten sind.
2.4.Aminosäureracemisierung:
Eine andere wichtige absolute Datierungsmethode ist biologischen Ursprungs und beruht darauf, dass die im lebenden Gewebe vorhandene linksdrehende L-Aminosäure nach dem Absterben des Organismus durch Umlagerung zweier Molekülgruppen allmählich in die rechtsdrehende D-Form übergeht. Ist die Geschwindigkeit des als Racemisierung bezeichneten Umwandlungsprozesses bekannt, so lässt das Verhältnis der Aminosäure-Formen im abgestorbenen Organismus Rückschlüsse auf seinen Todeszeitpunkt zu.
Die Aminosäureracemisierung, auch kurz Eiweißuhr genannt, eignet sich zur Datierung von bis zu 100 000 Jahre alten Knochenresten. Problematisch bei dieser Methode ist allerdings ihre Temperaturabhängigkeit, die zu einem großen Fehler in der Datierung führen kann. Deshalb sollte die Aminosäureracemisierung nur an organischem Material durchgeführt werden, das stabilen klimatischen Bedingungen ausgesetzt war.
Andere Methoden physikalischen Ursprungs, wie die Spaltspur-, die Alpha-Rückstoß- und die magnetische Datierungsmethode, die eine noch weiter in die Vergangenheit reichende Datierung ermöglichen, werden hauptsächlich in der Geologie und der Kosmologie zur Datierung von Sedimenten, Gesteinen und Meteoriten eingesetzt und deshalb in diesem Zusammenhang nicht detaillierter beschrieben.
2.5.Radiometrische Altersbestimmung:
2.5.1.Die Elektronen-Spin-Resonanz-Methode:
Wie die Lumineszenz-Datierung so basiert auch das Verfahren der Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) auf einer durch die radioaktive Strahlung hervorgerufenen Ansammlung von Elektronen in den Defekten eines Kristallgitters. Im Gegensatz zu den Lumineszenzmethoden detektiert die ESR dabei lediglich die Fehlstellen mit einem ungepaarten Elektron - also die Radikale. Sie besitzen paramagnetische Eigenschaften.
Der Magnetisierungszustand, der beispielsweise in Quarzen, Muscheln und im Zahnschmelz auftritt, wird durch Einstrahlung von Mikrowellen vermessen. Dabei wird nun im Gegensatz zu den Lumineszenzmethoden die durch die radioaktive Einstrahlung hervorgerufene elektronische Zustandsänderung nicht rückgängig gemacht, sondern nur leicht geändert, sodass sich die Probe mehrmals vermessen lässt. Um für eine Datierung ein ausreichend starkes ESR-Signal zu erhalten, muss das archäologische Fundstück mindestens 10 000 Jahre alt sein. Die Obergrenze liegt bei einigen Millionen Jahren, wobei die Altersangabe einen Fehler von bis zu 30 Prozent aufweisen kann. Auch im Fall der ESR-Datierung muss die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung vermessen werden, welche die Veränderung im Kristall hervorgerufen hat.
2.5.2.Kohlenstoff-14-Methode:
Die radiometrischen Datierungsmethoden werden seit etwa 50 Jahren angewendet. Grundlage aller Datierungsmethoden ist der Zerfall radioaktiver Isotope. Man misst das Verhältnis zwischen einem instabilen Ausgangselement (Mutterelement) und dem dazugehörigen stabilen Endprodukt (Tochterelement). Dieser Zerfall verläuft oft über weitere radioaktive Zwischenelemente. Prinzipiell gilt: je älter eine Probe ist, um so mehr vom Mutterelement wurde ins 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 Isotopen kommen in der Natur in unterschiedlichen Mengen vor: 12C = 98.89%, 13C = 1.11% und 14C = 0.0000000001%. Somit kommt ein 14C-Atom in der Natur auf 1.000.000.000.000 12C-Atome. Die Radiocarbon-Methode basiert auf der Zerfallsrate des radioaktiven 14C, das in der oberen Atmosphäre durch den Einfluss von Neutronen in der Höhenstrahlung auf 14N (Stickstoff) gebildet wird. Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus: 14N + n => 14C + p (n bedeutet ein Neutron und p ein Proton)
Pflanzen und Tiere nehmen während ihres Lebens 14C auf und stehen damit im physikalischen Gleichgewicht mit der Atmosphäre, das bedeutet, dass das Verhältnis von stabilem zu instabilem Kohlenstoff annähernd gleich bleibt. Sobald Pflanze oder Tier sterben, wird kein weiterer Kohlenstoff aufgenommen und auch kein weiterer radioaktiver Kohlenstoff, der bereits aufgenommene zerfällt nun stetig. Libby, Anderson und Arnold (1949) entdeckten, dass dieser Zerfall in einer konstanten Rate erfolgt. Sie fanden heraus, dass nach 5568 Jahren die Hälfte des 14C der ursprünglichen Probe zerfallen und dass nach weiteren 5568 Jahren nur mehr ein Viertel vorhanden sein wird. Diese 5568 Jahre bezeichnet man als Halbwertszeit (5568 ± 30). Nach zehn Halbwertszeiten ist der Gehalt von 14C bereits sehr gering geworden. Somit sind Datierungen von Proben mit einem Alter über 50000 Jahren kaum mehr durchführbar.
Der Zerfall von 14C erfolgt nach folgender Gleichung. 14C => 14N + ® (® ist dabei ein Beta-Teilchen oder Elektron)
Da die Anzahl der produzierten Beta-Partikel genau der Zahl der zerfallenden 14C-Atome entspricht, kann man ihre Zählung dazu heranziehen, auf die 14C-Konzentration in der Probe zurückzuschließen.
Diese Messung der zerfallenden 14C-Atome hat mehrere Nachteile:
· Es werden große Probenmengen benötigt (mehrere 100g Kohlenstoff).
· Die Messzeiten dauern oft für eine Probe über eine Woche.
Bei Verwendung einer modernen AMS (Accelerator Mass Spectroscopy) -Anlage wird nicht der Zerfall gemessen sondern die Gesamtzahl von 14C-Atomen in der Probe gleich im Verhältnis zu 12C und 13C.
Die Vorteil dieser Methode sind:
· kleine Probemengen im 1-10 mg Bereich
· Die Meßzeiten liegen im Bereich von einer halben bis ganzen Stunde.
2.5.3. Kalium-Argon-Methode:
Mit dem Zerfall von radioaktivem Kalium-40 zu Argon-40 und Calcium-40 können Gesteine mit einem Alter von 200 bis 800 Mio. Jahren (mit Argon) bzw. von eins bis zwei Milliarden Jahren
(mit Calcium) datiert werden. Kalium-40 kommt weit verbreitet in häufigen gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor. Problematisch ist das Entweichen von Argon, wenn das Gestein Temperaturen über 125 °C ausgesetzt war, denn dadurch wird das Messergebnis verfälscht.
2.5.4. Rubidium-Strontium-Methode:
Mit dieser zuverlässigen Methode können die ältesteb Gesteine datiert werden. Sie basiert auf dem Zerfall von Rubidium-87 zu Strontium-87 und wird häufig auch dafür eingesetzt, um Kalium-Argon-Datierungen zu überprüfen, da sich Strontium bei geringer Erwärmung nicht verflüchtigt, wie es beim Argon der Fall ist.
2.5.5. Methoden mit Thorium 230:
Thorium-Methoden eignen sich zur Datierung von Meeressedimenten. Das Uran im Meerwasser zerfällt zu Thorium-230, das sich in die Sedimente auf dem Meeresgrund einlagert.
Thorium-230 ist ein Glied der Zerfallsreihe von Uran-238; es besitzt eine Halbwertszeit von 80000 Jahren. Protactinium-231, das von Uran-235 abge-leitet ist, hat eine Halbwertszeit von 34300 Jahren.
2.5.6. Methoden mit Blei:
Das Alterwird in diesem Fall bestimmt, indem man den Gesamtbleigehalt und die Aktivität der Alphateilch (Uran-Thorium-Gehalt) von Zirkon-, Monazit- oder Xenotimkonzentraten spektrometrisch bestimmt. Die Uran-Blei-Methode basiert auf dem radioaktiven Zerfall von Uran-238 in Blei-206 und von Uran-235 in Blei-207. Mit den Zerfallsgeschwindigkeiten für Thorium-232 bis Blei-208 kann man drei voneinander unabhängige Altersangaben für die gleiche Probe erhalten. Die ermittelten Blei-206- und Blei-207-Verhältnisse können in das so genannte Blei-Blei-Alter umgewandelt werden. Die Methode wird am häufigsten für Proben aus dem Präkambrium benutzt. Als Nebenprodukt der Uran-Thorium-Blei-Altersbestimmung kann zusätzlich ein Uran-Uran-Alter, das aus dem Verhältnis Uran-235 zu Uran-238 abgeleitet wird, berechnet werden.
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