Tiettyjen luonnollisesti esiintyvien radioaktiivisten isotooppien havaitun runsauden ja niiden hajoamistuotteiden vertailuja käyttäen tunnettuja hajoamisnopeuksia voidaan käyttää mittaamaan aikaskaaloja ennen Maan syntyä nykypäivään. Esimerkiksi stabiilisten ja radioaktiivisten isotooppien suhteen mittaaminen meteoriiteista voi antaa tietoa niiden historiasta ja alkuperästä.

Radiometriset ajoitusmenetelmät kehitti Bertram Boltwood vuonna 1907, kun hän ensimmäisenä määritti kivien iän mittaamalla uraanin hajoamistuotteita lyijyksi.

Nykyään radiometrinen ajoitus on erittäin luotettava ajoitusmenetelmä ja tärkein tietolähde kivien ja muiden geologisten piirteiden absoluuttisesta iästä, mukaan lukien itse Maan ikä. Menetelmiä voidaan laajentaa ajoittamaan myös laajaa valikoimaa keinotekoisia materiaaleja. Koska radioaktiivisilla aineilla on erilaisia puoliintumisaikoja, on olemassa lukuisia erilaisia menetelmiä, jotka soveltuvat eri aikaskaaloille. Tunnetuimpia menetelmiä ovat radioaktiivinen hiiliajoitus, uraani-lyijy-ajoitus ja kalium-argon-ajoitus.

Hiili on orgaanisten yhdisteiden perusrakennuspala ja siten olennainen osa maapallon elämää. Luonnollinen hiili sisältää kaksi stabiilia isotooppia ¹²C (98,9 %) ja ¹³C (1,1 %), sekä pienen määrän radioaktiivista isotooppia ¹⁴C (1,2 x 10^-12 %) puoliintumisajalla 5730 vuotta. ¹⁴C tuotetaan kosmisen säteilyn vaikutuksesta ilmakehässä ja jakautuu sitten luonnossa (93 % merissä, 5 % biosfäärissä ja 2 % ilmakehässä).

Hiiltä (kaikkia kolmea isotooppia) ottavat elävät organismit ja sitä täydennetään jatkuvasti niiden elinkaaren aikana. Kun organismi kuitenkin kuolee, tämä prosessi pysähtyy. Epästabiili ¹⁴C hajoaa ¹⁴N:ksi beetahajoamisen kautta (elektroniemissio), ja ¹⁴C-pitoisuus vähenee eksponentiaalisesti ajan myötä. Mittaamalla kuinka paljon ¹⁴C on jäljellä hajottamattomana tiettynä hetkenä, voidaan laskea kuinka kauan sitten organismi on kuollut.

Radioaktiivinen hiiliajoitus kehitettiin 1950-luvulla, ja Willard Libby sai vuoden 1960 Nobel-palkinnon kemiasta ¹⁴C:n käytöstä iän määrittämiseen arkeologiassa, geologiassa, geofysiikassa ja monilla muilla tieteenaloilla.

Kiihdyttimeen kytkettyä massaspektrometria käytetään ajoittamaan näytteitä, jotka sisältävät vain muutaman milligramman hiiltä, mittaamalla suhdetta ¹⁴C/¹²C (Kuvan lähde: J. Forest, CNRS Photothèque).

Radioaktiivisella hiiliajoituksella on kuitenkin rajoituksensa. Hiiltä ottavat vain elävät organismit (tai pikemminkin asiat, jotka ovat joskus eläneet), kuten puu tai fossiileja, joten sitä ei voida käyttää kiven tai keramiikan ajoittamiseen, ja menetelmä on tarkka vain noin 60 000 vuoden ikäisille kohteille.

Monien vuosien ajan oletettiin, että ¹⁴C-pitoisuus ilmakehässä oli vakio. Nyt tiedämme, että Maan ja auringon magneettiset kentät muuttuvat ajan myötä. Tämä tarkoittaa, että ilmakehään osuvien kosmisten säteiden vuon vaihtelee, ja siksi myös ¹⁴C:n tuotantonopeus vaihtelee. Se tekee tarpeelliseksi kalibroida ¹⁴C-päivämäärät muiden menetelmien mukaan. Yksi tällainen menetelmä on dendrokronologia eli vuosilustoajoitus.

Vuosilustovariaaatiot: 1 - ensimmäinen kasvuvuosi, 2 - sadekausi (leveämpi vuosilusto), 3 - kuiva kausi (kapeampi vuosilusto), ja 4 - arpi metsäpalosta.

Dendrokronologiassa otetaan vaakaleikkaus puun päärungosta ja analysoidaan luonnollisesta kasviskasvusta aiheutuvia näkyviä vuosilustonja. Nämä lustot syntyvät vuodenaikojen kasvunopeuden muutoksista, ja jokainen lusto merkitsee yleensä yhden vuoden kulumista puun elämässä. Tämä tekniikka toimii parhaiten lauhkeissa ilmastoissa, joissa vuodenajat eroavat selkeämmin, ja ilmeisesti voidaan ajoittaa vain muutamia satoja vuosia taaksepäin, koska hyvin vanhat puut ovat harvinaisia.

Monia jopa 30 000 vuotta vanhoja esihistoriallisia luolamaalauksia on tutkittu radioaktiivisella hiiliajoituksella, koska käytetyt materiaalit ovat useimmiten orgaanista alkuperää.

¹⁴C:llä ajoitettuja luolamaalauksia. Kuvan lähde: N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Radioaktiivista hiiliajoitusta voidaan käyttää jopa epätavallisempien arkeologisten löytöjen ajoittamiseen. Syyskuussa 1991 kaksi vaeltajaa löysi miehen ruumiin, joka törrötti puoliksi jäästä Alppien vuoristoisella alueella. Jäämies, myöhemmin lempinimellä Ötzi sen vuorijonon mukaan, josta hänet löydettiin, saattoi kuolla yli 4000 vuotta sitten.

Yksityiskohtaisia ¹⁴C-mittauksia tehtiin itsenäisesti neljässä eri laitoksessa Ötzin luista ja kudoksista (Innsbruckissa, Bolzanossa, Zürichissä ja Oxfordissa), jäämieheelle ilmeisesti kuuluneesta varusteista ja materiaaleista (Uppsalassa, Gif/Yvettessä ja Wienissä) ja löytöpaikalta kerätyistä sedimenteistä (Wienissä). Kalibroimaton ikä on 4550 vuotta. Kun se muunnetaan kalibroituun ikään vuosilusto-tekniikkakäyrien avulla, Ötzi näyttää olevan noin 650 vuotta vanhempi. Joten Ötzi kuoli 3350 ja 3100 eKr. välillä.

Ruumiin analyysi paljasti hämmästyttäviä yksityiskohtia hänen elämästään. Suolistosta löydettyjen viljojen sekä hiuksissa olevien mineraalien analyysi johti siihen johtopäätökseen, että Ötzi oli tulossa Etelä-Tirolista joutuessaan lumen ja jään vangiksi. Hän oli syönyt puuroa einkornjauhoista (eräänlainen vehnä), vihanneksia ja lihaa vähän ennen kuolemaansa. Lisäksi analysoimalla jäämehen hampaiden ja luiden hiili- ja happi-isotooppeja tutkijat pystyivät erottamaan hänen varhaisen lapsuutensa maan siitä, missä hän asui myöhemmin. Tiedämme myös, että hän oli 45-vuotias mies, jolla oli olkapäähän ulottuvat tummat, aaltoilevat hiukset ja siniset silmät. Kuitenkin uudempi genomanalyysi viittaa siihen, että Ötzi oli alun perin Sardiniasta!

Vuosilusto-tekniikka on hyödyllinen ¹⁴C-menetelmän kalibroinnissa noin 11 000 vuoteen asti. 10 000–30 000 vuoden ikäisille käytetään kalibrointimenetelmänä järvisedimenttien ja korallin uraani-torium-ajoitusta.

Elämänsä aikana korallit ottavat merivedessä olevan uraanin (puoliintumisaika 245,5 vuotta), mutta ne eivät ota toriumia (²³⁰Th). Korallien kuoleman jälkeen uraani hajoaa ²³⁰Th:ksi, joka kerääntyy niiden luurankoon. U/Th-suhteen mittaaminen voi antaa viitteen korallin iästä.

Torium on kuitenkin myös radioaktiivinen ja hajoaa (puoliintumisaika 75 380 vuotta) muiksi aineiksi pitkän hajoamisketjun kautta, joka päättyy lopulta lyijyyn, mikä tekee ajoitusprosessista hieman monimutkaisemman. U-Th-menetelmää voidaan käyttää 10 000–500 000 vuotta vanhojen kohteiden ajoittamiseen.

Menetelmällä on kuitenkin joitakin rajoituksia. Uudemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että lyijyä voidaan tuottaa neutronikaappauksella eikä se välttämättä ole peräisin uraanin hajoamisesta. Tämä muuttaisi ajoitustuloksia.

U-Th-ajoitusmenetelmän viitteenä käytetty koralli. Kuvan lähde: J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Sir Boyle löysi termoluminesenssin vuonna 1663. Monilla kiteisillä materiaaleilla, kuten joillakin mineraaleilla, on tämä ominaisuus emittoida valoa kuumennettaessa. Kolmesataa vuotta tämän löydön jälkeen tiedemiehet oppivat selittämään tämän ilmiön. Kun materiaali altistuu suurienergiselle säteilylle, materiaalin elektronit siirtyvät virittyneeseen tilaan. Joissakin mineraaleissa tämä energia jää sitten loukkuun kiderakenteen virheiden vuoksi. Mutta kun kidettä kuumennetaan, elektronit voivat pudota alemmille energiakuorille emittoiden fotonin jokaisessa tällaisessa siirtymässä.

Pierre ja Marie Curie huomasivat, että jotkin laboratorioidensa lasiastiat saivat intensiivisen värin altistuessaan säteilylle, ja että nämä värit katoavat samanaikaisesti valon emittoinnin kanssa kun materiaalia kuumennetaan.

Osoitettiin, että emittoidun valon intensiteetti on suoraan verrannollinen mineraalin vastaanottamaan säteilyyn. Siten termoluminesenssia voidaan käyttää ajoittamaan kohteita, jotka ovat altistuneet kosmiselle säteilylle tai maansäteilylle, koska annokset riippuvat kohteen iästä.

Tällä tekniikalla on monia sovelluksia - kuten kuumennetun piilaatan, esihistoriallisten ajanjaksojen saviastioiden ja keramiikan ajoittaminen. Vanhimmat termoluminesenssilla ajoitettavat artefaktit ovat noin 250 000 vuotta vanhoja.

Yllä: radiumin säteily antaa Pierre ja Marie Curien laboratorion lasiastialle sinisen sävyn. Kuvan lähde: C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Vasemmalla: saviastia, jonka termoluminesenssi on ajoittanut 7 000–10 000 vuoden ikäiseksi. Kuvan lähde: A. Chênè (CNRS Photothèque). Alla: Naisen ja lapsen luustot, jotka termoluminesenssi on ajoittanut 92 000 vuotta vanhoiksi. Kuvan lähde: CEA – CNRS – CFR.

Kun ⁴⁰K hajoaa ⁴⁰Ar:ksi kivessä, kaasumainen ⁴⁰Ar jää kiveen eikä pääse pakenemaan ellei mineraalia kuumenneta. Argin määrä kivikappaleessa paljastaa siten ajan sen viimeisestä jäähtymisestä.

K-Ar-menetelmä sopii hyvin vulkaanisen toiminnan tutkimiseen, ja koska ⁴⁰K:n puoliintumisaika on 1,3 miljardia vuotta, menetelmää käytetään geokronologiassa ajoittamaan ajanjaksoja 10⁶–10⁹ vuotta taaksepäin. Radioaktiivinen ⁴⁰K on yleinen kiilteissä, maasälvässä ja sarvivälkkeessä, joilla on melko alhaiset sulkeutumislämpötilat (125 °C:sta kiilteelle 450 °C:een sarvivälkkeelle).

K-Ar-menetelmää on käytetty määrittämään geologisten jaksojen peräkkäisyys Maassa, vahvistamaan Maan iäksi noin 4,5 miljardia vuotta ja paikantamaan ihmiskunnan alku (Itä-Afrikassa) noin 5 miljoonaa vuotta sitten. Menetelmää käytetään myös Maan magneettisten napojen kääntymisnopeuden mittaamiseen.

⁸⁷Rb hajoaa ⁸⁷Sr:ksi puoliintumisajalla noin 48 miljardia vuotta. Muut Sr-isotoopit (A = 84, 86, 88) ovat stabiileja, joten strontium on hyödyllinen merkkiaine kivien iän ja rubidiumpitoisuuden tutkimiseen, ja sitä on myös käytetty kuunäytteiden ajoittamiseen. Suhde ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr vaihtelee 0,703:sta nuorissa kivissä 0,750:een vanhimmissa. ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-menetelmällä on mahdollista ajoittaa 10 miljoonan ja 10 miljardin vuoden ikäisiä materiaaleja.

Mielenkiintoinen tarina on se, kuinka Rb-Sr-ajoitus auttoi määrittämään kuningas Yax K'uk Mon alkuperän, joka perusti dynastian, joka hallitsi Mayakaupunkia Copánia (nykypäivän Hondurasissa) 400 vuotta.

8. vuosisadalla Mesoamerikan vaatimaton kylä nimeltä Copán (nykyisen Hondurasin alueella) nousi yhdeksi tärkeimmistä Mayakaupungeista. Tämä merkittävyyden kasvu liittyy vahvasti Yax K'uk Moon, joka saapui Copániin vuonna 427.

Tuolloin Teotihuacan oli huipullaan, suurin kaupunki pre-kolumbiaanisessa Mesoamerikassa Meksikon laaksossa. Satojen kilometrien päässä olevat kaupungit kopioivat sen temppelien tyylin ja omaksuivat samat jumalat. Copánin käsityöläiset kuvasivat Yax K'uk Mon Teotihuacanin tunnusmerkeillä, ilmeisesti osoittaen kuninkaan alkuperän ja yhteyden Teotihuacaniin. Yax K' uk Mon alkuperä pysyi epäselvänä kunnes hänen jäännöstensä hampaiden ja luiden isotooppisuhteiden ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr ja ¹⁸O / ¹⁶O mittaukset Copánissa tehtiin.

Yucatánin niemimaa, jossa kuningas Yax K'uk Mo eli ja kuoli, koostuu pääasiassa meripohjasedimenteistä. Se osoittaa tasaisen vaihtelun suhteessa ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (0,7049 ja 0,7089 välillä). Meksikon laakso koostuu vulkaanisista kivistä, ja siellä vaihtelu on suurempaa, kun taas Teotihuacanissa arvo on pienempi (0,7046). Kiilteen enamel tarjoaa kestävän pinnoitteen sen alla olevalle dentiinille. Molemmat sisältävät kalsiumia mutta ne muodostuivat hyvin eri tavoin. Emali mineralisoituu kun hammas kasvaa lapsuudessa, dentiini muodostuu kuin luut jatkuvasti elämän aikana. Strontium on kemiallisesti lähellä kalsiumia ja voi korvata sen hampaiden emaleissa ja dentiinissä sekä luissa. Strontium imeytyy ruoasta, ja suhde ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr heijastaa paikallisen maaperän luonnetta. Näin ihmisen hammasemali kantaa varhaisen lapsuuden maan ruoan ja veden isotooppista allekirjoitusta, kun taas dentiinin ja luiden isotooppisuhteet heijastavat myöhempää oleskelupaikkaa. Arvolla 0,7084 suhde ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr Yax K'uk Mon hampaan emaleista vastasi Tikaalin arvoa, Copánin pohjoispuolella.

Oikealla: keramiikkafiguuri kuningas Yax K'uk Mosta kuvattuna Teotihuacanin tunnusmerkeillä (Copyright American Institute of Physics 2004).

Vasemmalla: suhteen ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr mittauksia eri pre-kolumbiaanisissa kaupungeissa Meksikossa ja Yucatánin niemimaalla (Copyright American Institute of Physics 2004).

Isotooppinen suhde ¹⁸O / ¹⁶O voi antaa toisen sijaintiindikaattorin. Happi pääsee elimistöön vesijärjestelmän kautta, ja valtameren läheisyydessä olevien pilvien sade on rikkaampi ¹⁸O:ssa kuin pilvien sade, jotka ovat matkustaneet kauas sisämaahan.

Kuningas Yax K'uk Mon hammasemaalien ja luiden strontium- ja happi-isotooppisuhteiden isotooppianalyysi ei tukenut Teotihuacanin alkuperää. Sen sijaan pääteltiin, että hän vietti varhaiset vuotensa lähellä Tikalia ja muutti myöhemmin Copániin.