Wyznaczanie wieku skał za pomocą izotopu węgla promieniotwórczego C14

Badania nad wiekiem skał rozpoczęły się w XVII wieku. Pierwsze badania przeprowadził duński lekarz i badacz Niels Stensen, stwierdził, że skały osadowe – te powstające pod wodą – są tym młodsze, im wyżej leżą. To odkrycie doprowadziło do rozpoznania w ciągu XIX wieku, następstwa warstw na całym świecie, a w rezultacie – ustalenia wieku względnego skał. Nauka zajmująca się określeniem wieku skał nosi nazwę geochronologii. Dopiero jednak w początkach XX wieku badacze amerykańscy i angielscy odkryli, że pewne pierwiastki promieniotwórcze mogą być użyte jako zegary rejestrujące różne zdarzenia na przestrzeni dziejów geologicznych. Atomy tych pierwiastków ulegają rozpadowi, tworząc inne pierwiastki.

Dziewięć ciężkich pierwiastków, powstających w sposób naturalny, w tym rad i uran, jest promieniotwórczych. Takie są też niektóre izotopy pierwiastków lekkich, na przykład rubidu i strontu.

Substancje promieniotwórcze ulegają rozpadowi ze znaną prędkością. Jednostką stosowaną do jego pomiaru jest tzw. okres połowicznego rozpadu (zaniku), czas, w którym rozpada się połowa wyjściowej ilości substancji promieniotwórczej.

Najbardziej znaną metodą jest datowanie węglem promieniotwórczym, która służy do określania wieku wszelkich substancji organicznych – pochodzących z żyjących obecnie lub kiedyś organizmów, w którym utrwalił się stosunek izotopów węgla C14 do C12, jaki istniał w ówczesnej atmosferze. Czas połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 5570 lat.

Choć okres połowicznego rozpadu radiowęgla jest nieznaczący w geologicznej skali czasu, izotop ten jest stale obecny na Ziemi. Jest tak dzięki promieniowaniu kosmicznemu, które oddziałują z atomami atmosfery, produkując C14 z atomów azotu. Jest to tzw. produkcja kosmogenna. Średnio rzecz biorąc, całkowita produkcja radiowęgla na Ziemi równoważy jego ubytek powodowany rozpadem, i koncentracja C14 pozostaje stała.

Wytworzone atomy C14 uczestniczą w cyklu geochemicznym węgla. Między innymi cyrkulują w atmosferze, głównie związane w cząsteczkach dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla może być asymilowany przez rośliny i wchodzi w skład związków organicznych. Może również rozpuszczać się w wodzie i cyrkulować wraz z wodą oceaniczną. Ponieważ transport z atmosfery w głębiny oceanu trwa setki lat, koncentracja C14 w głębokim oceanie jest wyraźnie niższa niż w atmosferze.

Dzięki asymilacji z atmosfery, koncentracja C14 w żyjących organizmach lądowych jest stała. Po obumarciu organizmu, ubytek C14 spowodowany rozpadem promieniotwórczym nie jest dłużej równoważony przez asymilację, i ilość C14 zaczyna maleć.

Porównanie stosunków 14C/12C w próbce obumarłej materii organicznej i w atmosferze pozwala na określenie wieku radiowęglowego. Ma on sens czasu, jaki upłynął od momentu obumarcia organizmu do chwili pomiaru.

Tej metody użyto w 1988 roku na przykład do określenia wieku Całunu Turyńskiego, uważanego za płótno, w które owinięte było ciało Chrystusa.

Precyzyjne datowania 14C próbek o dokładnie znanym wieku kalendarzowym umożliwiły skonstruowanie krzywej kalibracyjnej 14C (pozwalającej porównanie wyników otrzymanych innymi metodami). Pozwala ona na odczytanie wieku kalendarzowego, jeżeli znany jest wiek radiowęglowy. Tak odczytany wiek wyrażany jest w latach "cal BP"(before present - oznacza to wiek liczony wstecz od roku 1950), "cal BC"(before Christ - należy liczyć wieki przed Chrystusem) lub "cal AD"(Anno domini – oznacza to bieżący wiek). Niestety, wynik kalibracji nie zawsze jest jednoznaczny i nie zawsze zgodny z prawdą.

W ostatnich latach zwrócono uwagę na powtarzające się nieścisłości w oznaczeniach wiekowych i niezgodność wyników radiowęglowych z uzyskanymi przy zastosowaniu innych metod. Okazało się, że przyczynił się do tego wzrost udziału 12C w atmosferze, spowodowany spalaniem starego węgla (praktycznie pozbawionego już nietrwałego izotopu 14C) pod postacią ropy naftowej, węgla kamiennego i brunatnego oraz gazu ziemnego.

Jednak metoda węglowa nie pozwala na datowanie skał nieorganicznych; w tym celu posłużono się innymi technikami. Należą do nich – rozpad promieniotwórczego izotopu potasu, który przekształca się w promieniotwórczy argon; rozpad promieniotwórczego izotopu rubidu, który przekształca się w promieniotwórczy stront oraz rozpad uranu prowadzący do powstania toru i ołowiu.

Metoda wykorzystująca radioaktywność substancji umożliwia geologom ustalenie bezwzględnego wieku skał oraz czasu trwania er, okresów i epok geologicznych. Wyniki badań są jednak stale korygowane wraz z kolejnymi odkryciami nowych próbek minerałów radioaktywnych. Nowe metody wskazują na to, że wiek Ziemi sięga tysięcy milionów, a nie jedynie milionów lat.