Οι συγκρίσεις μεταξύ της παρατηρούμενης αφθονίας ορισμένων φυσικά εμφανιζόμενων ραδιενεργών ισοτόπων και των προϊόντων διάσπασής τους, χρησιμοποιώντας γνωστούς ρυθμούς διάσπασης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση χρονικών κλιμάκων από πριν τη γέννηση της Γης έως σήμερα. Για παράδειγμα, η μέτρηση της αναλογίας σταθερών και ραδιενεργών ισοτόπων σε μετεωρίτες μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για την ιστορία και την προέλευσή τους.

Οι τεχνικές ραδιομετρικής χρονολόγησης αναπτύχθηκαν από τον Bertram Boltwood το 1907, όταν ήταν ο πρώτος που καθόρισε την ηλικία των πετρωμάτων μετρώντας τα προϊόντα διάσπασης του ουρανίου σε μόλυβδο.

Σήμερα, η ραδιομετρική χρονολόγηση θεωρείται πολύ αξιόπιστη μέθοδος χρονολόγησης και η κύρια πηγή πληροφοριών για την απόλυτη ηλικία πετρωμάτων και άλλων γεωλογικών σχηματισμών, συμπεριλαμβανομένης της ηλικίας της ίδιας της Γης. Οι τεχνικές μπορούν να επεκταθούν για τη χρονολόγηση ευρέος φάσματος ανθρωπογενών υλικών. Επειδή τα ραδιενεργά στοιχεία έχουν διάφορες περιόδους ημίσειας ζωής, υπάρχουν πολυάριθμες διαφορετικές μέθοδοι που εφαρμόζονται σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες. Ανάμεσα στις πιο γνωστές τεχνικές συγκαταλέγονται η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα, η χρονολόγηση ουρανίου-μολύβδου και η χρονολόγηση καλίου-αργού.

Ο άνθρακας είναι το βασικό δομικό στοιχείο των οργανικών ενώσεων και επομένως αποτελεί ουσιαστικό τμήμα της ζωής στη Γη. Ο φυσικός άνθρακας περιέχει δύο σταθερά ισότοπα ¹²C (98,9%) και ¹³C (1,1%), καθώς και μια μικρή ποσότητα του ραδιοϊσοτόπου ¹⁴C (1,2 x 10^-12%) με περίοδο ημίσειας ζωής 5730 ετών. Το ¹⁴C παράγεται από κοσμικές ακτίνες στην ατμόσφαιρα και στη συνέχεια κατανέμεται στη φύση (93% στον ωκεανό, 5% στη βιόσφαιρα και 2% στην ατμόσφαιρα).

Ο άνθρακας (εννοώντας και τα τρία ισότοπα) απορροφάται από τους ζωντανούς οργανισμούς και ανανεώνεται συνεχώς κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους. Ωστόσο, όταν ένας οργανισμός πεθαίνει, αυτή η διαδικασία σταματά. Το ασταθές ¹⁴C διασπάται σε ¹⁴N μέσω βήτα διάσπασης (εκπομπή ηλεκτρονίου), και η περιεκτικότητα σε ¹⁴C μειώνεται εκθετικά με τον χρόνο. Μετρώντας πόσο ¹⁴C παραμένει αδιάσπαστο σε δεδομένη χρονική στιγμή, μπορεί κανείς να υπολογίσει πόσο καιρό πριν πέθανε ο οργανισμός.

Η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1950, με τον Willard Libby να λαμβάνει το βραβείο Nobel Χημείας 1960 για τη χρήση του ¹⁴C για τον προσδιορισμό ηλικίας στην αρχαιολογία, γεωλογία, γεωφυσική και πολλούς άλλους κλάδους της επιστήμης.

Ένα φασματόμετρο μάζας συνδεδεμένο με επιταχυντή χρησιμοποιείται για τη χρονολόγηση δειγμάτων που περιέχουν μόνο λίγα χιλιοστόγραμμα άνθρακα, μετρώντας την αναλογία ¹⁴C/¹²C (Εικόνα ευγενική προσφορά J. Forest, CNRS Photothèque).

Ωστόσο, η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα έχει τους περιορισμούς της. Ο άνθρακας απορροφάται μόνο από ζωντανούς οργανισμούς (ή μάλλον πράγματα που ήταν κάποτε ζωντανά) όπως ξύλο ή απολιθώματα, επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση πέτρας ή κεραμικής για παράδειγμα, και η μέθοδος είναι ακριβής μόνο για αντικείμενα ηλικίας μέχρι περίπου 60.000 ετών.

Για πολλά χρόνια θεωρούνταν ότι η περιεκτικότητα σε ¹⁴C στην ατμόσφαιρα ήταν σταθερή. Γνωρίζουμε τώρα ότι τα μαγνητικά πεδία της Γης και του Ήλιου αλλάζουν με τον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι η ροή των κοσμικών ακτίνων που προσπίπτουν στην ατμόσφαιρα ποικίλλει, και επομένως ποικίλλει και ο ρυθμός παραγωγής του ¹⁴C. Αυτό καθιστά αναγκαία τη βαθμονόμηση των ημερομηνιών ¹⁴C σύμφωνα με άλλες τεχνικές. Μια τέτοια τεχνική είναι η δενδροχρονολογία, ή χρονολόγηση δακτυλίων δέντρων.

Παραλλαγές δακτυλίων δέντρων: 1 - πρώτο έτος ανάπτυξης, 2 - εποχή βροχών (πλατύτερος δακτύλιος), 3 - ξηρή εποχή (στενότερος δακτύλιος), και 4 - ουλή από δασική πυρκαγιά.

Η δενδροχρονολογία περιλαμβάνει τη λήψη οριζόντιας τομής του κύριου κορμού ενός δέντρου και ανάλυση των ορατών δακτυλίων που προκαλούνται από τη φυσική φυτική ανάπτυξη. Αυτοί οι δακτύλιοι προκύπτουν από την αλλαγή ταχύτητας ανάπτυξης κατά τη διάρκεια των εποχών, με κάθε δακτύλιο να σηματοδοτεί συνήθως τη δίελευση ενός έτους στη ζωή του δέντρου. Αυτή η τεχνική λειτουργεί καλύτερα σε εύκρατα κλίματα όπου οι εποχές διαφέρουν πιο εμφανώς, και, προφανώς, μπορεί κανείς να χρονολογήσει μόνο μερικές εκατοντάδες χρόνια πίσω καθώς τα πολύ παλιά δέντρα είναι σπάνια.

Πολλές προϊστορικές σπηλαιογραφίες ηλικίας έως 30.000 ετών έχουν διερευνηθεί με ραδιοχρονολόγηση άνθρακα, επειδή τα χρησιμοποιούμενα υλικά είναι ως επί το πλείστον οργανικής προέλευσης.

Σπηλαιογραφίες χρονολογημένες με ¹⁴C. Εικόνα ευγενική προσφορά N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα μπορεί ακόμα να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση πιο ασυνήθιστων αρχαιολογικών ευρημάτων. Τον Σεπτέμβριο του 1991, δύο ορειβάτες ανακάλυψαν το σώμα ενός άνδρα που εξείχε μισό από τον πάγο σε ορεινή περιοχή των Άλπεων. Ο άνθρωπος του πάγου, που αργότερα έλαβε το παρατσούκλι Ότζι από την οροσειρά όπου βρέθηκε, μπορεί να πέθανε πριν από περισσότερα από 4000 χρόνια.

Λεπτομερείς μετρήσεις ¹⁴C πραγματοποιήθηκαν ανεξάρτητα από τέσσερα διαφορετικά ινστιτούτα σε οστά και ιστούς του Ότζι (στο Ίνσμπρουκ, Μπολτζάνο, Ζυρίχη και Οξφόρδη), σε εξοπλισμό και υλικά που φαίνεται να ανήκαν στον άνθρωπο του πάγου (στην Ουψάλα, Gif/Yvette και Βιέννη) και σε ιζήματα που συλλέχθηκαν από τον τόπο ανακάλυψης (στη Βιέννη). Η μη βαθμονομημένη ηλικία είναι 4550 χρόνια. Όταν μεταφράζεται σε βαθμονομημένη ηλικία με τη βοήθεια των καμπυλών της τεχνικής δακτυλίων δέντρων, ο Ότζι φαίνεται να είναι περίπου 650 χρόνια μεγαλύτερος. Άρα ο Ότζι πέθανε μεταξύ 3350 και 3100 π.Χ.

Η ανάλυση της σορού αποκάλυψε εκπληκτικές λεπτομέρειες για τη ζωή του. Η ανάλυση δημητριακών που βρέθηκαν στα έντερα καθώς και ανόργανων στοιχείων στα μαλλιά οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο Ότζι ερχόταν από τη Νότια Τυρόλη όταν παγιδεύτηκε από χιόνι και πάγο. Είχε φάει χυλό από σιτάρι εμμέρ (ένα είδος σιταριού), λαχανικά και κρέας λίγο πριν πεθάνει. Επιπλέον, αναλύοντας τα ισότοπα άνθρακα και οξυγόνου στα δόντια και τα οστά του ανθρώπου του πάγου, οι ερευνητές μπόρεσαν να διαφοροποιήσουν τη χώρα της πρώιμης παιδικής του ηλικίας από αυτή όπου έζησε αργότερα. Γνωρίζουμε επίσης ότι ήταν ένας 45χρονος άνδρας με σκούρα, κυματιστά μαλλιά ώς τους ώμους και γαλάζια μάτια. Ωστόσο, νεότερη ανάλυση γονιδιώματος προτείνει ότι ο Ότζι ήταν αρχικά από τη Σαρδηνία!

Η τεχνική των δακτυλίων δέντρων είναι χρήσιμη για τη βαθμονόμηση της μεθόδου ¹⁴C έως περίπου 11.000 χρόνια. Για ηλικίες μεταξύ 10.000 και 30.000 ετών, η τεχνική βαθμονόμησης που χρησιμοποιείται είναι η χρονολόγηση Ουρανίου-Θορίου ιζημάτων λιμνών και κοραλλιών.

Κατά τη διάρκεια της ζωής τους, τα κοράλλια απορροφούν το ουράνιο (με περίοδο ημίσειας ζωής 245,5 ετών) που υπάρχει στο θαλασσινό νερό, αλλά δεν απορροφούν το θόριο (²³⁰Th). Μετά τον θάνατο των κοραλλιών, το ουράνιο διασπάται σε ²³⁰Th, το οποίο συσσωρεύεται στον σκελετό τους. Η μέτρηση της αναλογίας U/Th μπορεί να δώσει ένδειξη της ηλικίας του κοραλλιού.

Ωστόσο, το θόριο είναι επίσης ραδιενεργό και διασπάται (περίοδος ημίσειας ζωής 75.380 χρόνια) σε άλλα στοιχεία μέσω μακράς αλυσίδας διάσπασης, καταλήγοντας τελικά σε μόλυβδο, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία χρονολόγησης λίγο πιο περίπλοκη. Η μέθοδος U-Th μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση αντικειμένων ηλικίας 10.000 έως 500.000 ετών.

Ωστόσο, η μέθοδος έχει ορισμένους περιορισμούς. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι ο μόλυβδος μπορεί να παραχθεί μέσω σύλληψης νετρονίων και μπορεί να μην προέρχεται από τη διάσπαση του ουρανίου. Αυτό θα άλλαζε τα αποτελέσματα της χρονολόγησης.

Κοράλλι που χρησιμοποιείται ως αναφορά για τη μέθοδο χρονολόγησης U-Th. Εικόνα ευγενική προσφορά J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Η θερμοφωταύγεια ανακαλύφθηκε από τον Sir Boyle το 1663. Πολλά κρυσταλλικά υλικά όπως ορισμένα ορυκτά έχουν αυτή την ιδιότητα εκπομπής φωτός όταν θερμαίνονται. Τριακόσια χρόνια μετά αυτή την ανακάλυψη, οι επιστήμονες έμαθαν πώς να εξηγούν αυτό το φαινόμενο. Όταν το υλικό εκτίθεται σε ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, τα ηλεκτρόνια στο υλικό κινούνται σε διεγερμένη κατάσταση. Σε ορισμένα ορυκτά, αυτή η ενέργεια στη συνέχεια παγιδεύεται στο εσωτερικό λόγω ελαττωμάτων στο κρυσταλλικό πλέγμα. Αλλά όταν ο κρύσταλλος θερμανθεί, τα ηλεκτρόνια μπορούν να πέσουν στα χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα, εκπέμποντας ένα φωτόνιο σε κάθε τέτοια μετάβαση.

Οι Pierre και Marie Curie παρατήρησαν ότι ορισμένα γυάλινα δοχεία στο εργαστήριό τους απέκτησαν έντονο χρώμα όταν χτυπήθηκαν από ακτινοβολία, και ότι αυτά τα χρώματα εξαφανίζονται με ταυτόχρονη εκπομπή φωτός όταν το υλικό θερμαίνεται.

Αποδείχθηκε ότι η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός είναι ευθέως ανάλογη με την ακτινοβολία που έχει λάβει το ορυκτό. Έτσι, η θερμοφωταύγεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση αντικειμένων που έχουν εκτεθεί σε κοσμικές ακτίνες ή σε ακτινοβολία από το έδαφος, καθώς οι δόσεις εξαρτώνται από την ηλικία του αντικειμένου.

Αυτή η τεχνική έχει πολλές εφαρμογές - όπως η χρονολόγηση θερμαμένου πυριτόλιθου, κεραμικής και αγγειοπλαστικής από προϊστορικές περιόδους. Τα παλαιότερα αντικείμενα που μπορούν να χρονολογηθούν με θερμοφωταύγεια είναι περίπου 250.000 ετών.

Πάνω: η ακτινοβολία ραδίου δίνει μπλε απόχρωση σε γυάλινο δοχείο από το εργαστήριο των Pierre και Marie Curie. Εικόνα ευγενική προσφορά C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Αριστερά: αγγειοπλαστική χρονολογημένη με θερμοφωταύγεια σε 7.000 έως 10.000 χρόνια. Εικόνα ευγενική προσφορά A. Chênè (CNRS Photothèque). Κάτω: Σκελετοί γυναίκας και παιδιού χρονολογημένοι με θερμοφωταύγεια σε 92.000 χρόνια. Εικόνα ευγενική προσφορά CEA – CNRS – CFR.

Όταν το ⁴⁰K διασπάται σε ⁴⁰Ar μέσα σε πέτρωμα, το αέριο ⁴⁰Ar παραμένει μέσα στο πέτρωμα και δεν μπορεί να διαφύγει εκτός αν θερμανθεί το ορυκτό. Η ποσότητα Ar σε ένα κομμάτι πετρώματος αποκαλύπτει έτσι τον χρόνο από την τελευταία ψύξη του.

Η μέθοδος K-Ar είναι κατάλληλη για τη μελέτη ηφαιστειακής δραστηριότητας, και δεδομένου ότι το ⁴⁰K έχει περίοδο ημίσειας ζωής 1,3 δισεκατομμυρίων ετών, η μέθοδος χρησιμοποιείται στη γεωχρονολόγηση για τη χρονολόγηση περιόδων που εκτείνονται από 10⁶ έως 10⁹ χρόνια πίσω. Το ραδιενεργό ⁴⁰K είναι κοινό σε μαρμαρυγίες, αστρίους και αμφίβολους, που έχουν αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες κλεισίματος (από 125°C για μαρμαρυγία έως 450°C για αμφίβολο).

Η μέθοδος K-Ar χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της διαδοχής γεωλογικών περιόδων στη Γη, για τον καθορισμό της ηλικίας της Γης σε περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και για τον εντοπισμό των απαρχών της ανθρωπότητας (στην Ανατολική Αφρική) πριν από περίπου 5 εκατομμύρια χρόνια. Η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση του ρυθμού αντιστροφής των μαγνητικών πόλων της Γης.

Το ⁸⁷Rb διασπάται σε ⁸⁷Sr με περίοδο ημίσειας ζωής περίπου 48 δισεκατομμυρίων ετών. Τα άλλα ισότοπα του Sr (A = 84, 86, 88) είναι σταθερά, επομένως το στρόντιο είναι χρήσιμος ανιχνευτής για την ηλικία και την περιεκτικότητα ρουβιδίου σε πετρώματα, και έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση σεληνιακών δειγμάτων. Η αναλογία ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr ποικίλλει από 0,703 σε νεαρά πετρώματα έως 0,750 στα παλαιότερα. Με τη μέθοδο ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr είναι δυνατόν να χρονολογηθούν υλικά ηλικίας μεταξύ 10 εκατομμυρίων και 10 δισεκατομμυρίων ετών.

Μια ενδιαφέρουσα ιστορία είναι πώς η χρονολόγηση Rb-Sr βοήθησε να προσδιοριστεί η καταγωγή του βασιλιά Yax K'uk Mo, ο οποίος ίδρυσε τη δυναστεία που κυβέρνησε τη Μαγιανή πόλη Copán (σήμερα στην Ονδούρα) για 400 χρόνια.

Τον 8ο αιώνα, ένα ταπεινό χωριό στη Μεσοαμερική με το όνομα Copán (στη σημερινή Ονδούρα) έγινε μια από τις πιο σημαντικές πόλεις των Μάγια. Αυτή η άνοδος σε σπουδαιότητα αποδίδεται σε μεγάλο βαθμό στον Yax K'uk Mo, ο οποίος έφθασε στο Copán το 427 μ.Χ.

Εκείνη την εποχή, η Τεοτιουακάν ήταν στο αποκορύφωμά της, η μεγαλύτερη πόλη στην προκολομβιανή Μεσοαμερική της κοιλάδας του Μεξικού. Πόλεις εκατοντάδες μίλια μακριά αντέγραφαν το στυλ των ναών της και υιοθέτησαν τους ίδιους θεούς. Τεχνίτες από το Copán απεικόνιζαν τον Yax K'uk Mo με στολίδια Τεοτιουακάν, προφανώς υποδηλώνοντας την καταγωγή και τη σχέση του βασιλιά με την Τεοτιουακάν. Η καταγωγή του Yax K' uk Mo παρέμεινε ασαφής μέχρι να πραγματοποιηθούν μετρήσεις των ισοτοπικών αναλογιών ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr και ¹⁸O / ¹⁶O στα δόντια και στα οστά των λειψάνων του στο Copán.

Η χερσόνησος Γιουκατάν όπου ο βασιλιάς Yax K'uk Mo έζησε και πέθανε αποτελείται κυρίως από θαλάσσια ιζήματα. Δείχνει ομαλή μεταβολή της αναλογίας ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (μεταξύ 0,7049 και 0,7089). Η κοιλάδα του Μεξικού αποτελείται από ηφαιστειακά πετρώματα, και εκεί η μεταβολή είναι μεγαλύτερη, ενώ στην Τεοτιουακάν η τιμή είναι χαμηλότερη (0,7046). Το σμάλτο των δοντιών παρέχει ανθεκτική επίστρωση για την οδοντίνη από κάτω. Και τα δύο περιέχουν ασβέστιο αλλά σχηματίστηκαν με πολύ διαφορετικό τρόπο. Το σμάλτο ορυκτοποιείται όταν ο οδόντας μεγαλώνει στην παιδική ηλικία, η οδοντίνη όπως τα οστά σχηματίζεται συνεχώς κατά τη διάρκεια της ζωής. Το στρόντιο είναι χημικά κοντά στο ασβέστιο και μπορεί να το αντικαταστήσει στο σμάλτο και την οδοντίνη των δοντιών και στα οστά. Το στρόντιο απορροφάται από τις τροφές, και η αναλογία ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr θα αντικατοπτρίζει τη φύση του τοπικού εδάφους. Έτσι το σμάλτο των δοντιών ενός ατόμου φέρει την ισοτοπική υπογραφή της τροφής και του νερού της χώρας της πρώιμης παιδικής του ηλικίας, ενώ οι ισοτοπικές αναλογίες στην οδοντίνη και στα οστά αντικατοπτρίζουν τους μεταγενέστερους τόπους διαμονής του. Στο 0,7084, η αναλογία ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr σε σμάλτο ληφθέν από ένα δόντι του Yax K'uk Mo αντιστοιχούσε στην τιμή στο Τικάλ, βόρεια του Copán.

Δεξιά: κεραμικό ειδώλιο του βασιλιά Yax K'uk Mo απεικονισμένου με στολίδια Τεοτιουακάν (Πνευματικά δικαιώματα American Institute of Physics 2004).

Αριστερά: μετρήσεις της αναλογίας ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr για διάφορες προκολομβιανές πόλεις στο Μεξικό και στη χερσόνησο Γιουκατάν (Πνευματικά δικαιώματα American Institute of Physics 2004).

Η ισοτοπική αναλογία ¹⁸O / ¹⁶O μπορεί να παρέχει έναν άλλο δείκτη τοποθεσίας. Το οξυγόνο εισέρχεται στο σώμα μέσω της υδροδότησης, και η βροχή από σύννεφα κοντά στον ωκεανό είναι πλουσιότερη σε ¹⁸O από τη βροχή από σύννεφα που έχουν ταξιδέψει μακριά στην ενδοχώρα.

Η ισοτοπική ανάλυση των αναλογιών στροντίου και οξυγόνου στο σμάλτο των δοντιών και στα οστά του βασιλιά Yax K'uk Mo δεν υποστήριξε καταγωγή από Τεοτιουακάν. Αντίθετα, συνήχθη το συμπέρασμα ότι πέρασε τα πρώτα του χρόνια κοντά στο Τικάλ και μετακόμισε αργότερα στο Copán.