As comparações entre a abundância observada de certos isótopos radioativos naturalmente presentes e os seus produtos de decaimento, utilizando taxas de decaimento conhecidas, podem ser usadas para medir escalas de tempo que variam de antes do nascimento da Terra até ao presente. Por exemplo, medir a proporção de isótopos estáveis e radioativos em meteoritos pode dar-nos informações sobre a sua história e proveniência.

As técnicas de datação radiométrica foram desenvolvidas por Bertram Boltwood em 1907, quando foi o primeiro a estabelecer a idade das rochas medindo os produtos de decaimento do urânio em chumbo.

Hoje, a datação radiométrica é considerada um método de datação muito fiável e a principal fonte de informação sobre a idade absoluta das rochas e de outras características geológicas, incluindo a idade da própria Terra. As técnicas podem ser alargadas para datar uma ampla gama de materiais de origem humana. Como os elementos radioativos têm várias vidas médias, existem numerosos métodos diferentes que se aplicam a diferentes escalas de tempo. Entre as técnicas mais conhecidas estão a datação por radiocarbono, a datação urânio-chumbo e a datação potássio-árgon.

O carbono é o bloco fundamental dos compostos orgânicos e é, portanto, uma parte essencial da vida na Terra. O carbono natural contém dois isótopos estáveis ¹²C (98,9%) e ¹³C (1,1%), mais uma quantidade ínfima do radioisótopo ¹⁴C (1,2 x 10^-12%) com uma vida média de 5730 anos. O ¹⁴C é produzido por raios cósmicos na atmosfera e depois distribuído na natureza (93% no oceano, 5% na biosfera e 2% na atmosfera).

O carbono (ou seja, todos os três isótopos) é absorvido pelos organismos vivos e continuamente reabastecido durante o seu ciclo de vida. No entanto, quando um organismo morre, este processo pára. O ¹⁴C instável decai em ¹⁴N por decaimento beta (emissão de eletrão), e o teor de ¹⁴C diminui exponencialmente com o tempo. Medindo quanto ¹⁴C permanece não decaído num dado momento, pode-se calcular há quanto tempo o organismo morreu.

A datação por radiocarbono foi desenvolvida nos anos 1950, com Willard Libby a receber o Prémio Nobel de Química de 1960 pelo uso do ¹⁴C para determinar a idade em arqueologia, geologia, geofísica e muitos outros ramos da ciência.

Um espetrómetro de massa acoplado a um acelerador é utilizado para datar amostras contendo apenas alguns miligramas de carbono, medindo a proporção ¹⁴C/¹²C (Imagem cedida por J. Forest, CNRS Photothèque).

A datação por radiocarbono tem, no entanto, as suas limitações. O carbono é absorvido apenas por organismos vivos (ou melhor, coisas que estavam vivas nalgum momento) como madeira ou fósseis, pelo que não pode ser usado para datar pedra ou cerâmica, por exemplo, e o método é preciso apenas para objetos com até cerca de 60.000 anos.

Durante muitos anos assumiu-se que o teor de ¹⁴C na atmosfera era constante. Sabemos agora que os campos magnéticos da Terra e do Sol estão a mudar ao longo do tempo. Isso significa que o fluxo de raios cósmicos que atinge a atmosfera varia, e portanto a taxa de produção de ¹⁴C também. Isso torna necessário calibrar as datas de ¹⁴C de acordo com outras técnicas. Uma dessas técnicas é a dendrocronologia, ou datação por anéis de crescimento das árvores.

Variações nos anéis de crescimento: 1 - primeiro ano de crescimento, 2 - estação chuvosa (anel mais largo), 3 - estação seca (anel mais estreito), e 4 - uma cicatriz de um incêndio florestal.

A dendrocronologia envolve a obtenção de uma secção transversal horizontal do tronco principal de uma árvore e a análise dos anéis visíveis causados pelo crescimento natural da planta. Estes anéis resultam da mudança na velocidade de crescimento ao longo das estações do ano, com cada anel a marcar geralmente a passagem de um ano na vida da árvore. Esta técnica funciona melhor em climas temperados onde as estações diferem mais acentuadamente, e, obviamente, só se pode datar alguns centenas de anos atrás, pois árvores muito velhas são raras.

Muitas pinturas rupestres pré-históricas com datas até 30.000 anos atrás foram investigadas usando datação por radiocarbono, porque os materiais utilizados são na sua maioria de origem orgânica.

Pinturas rupestres datadas com ¹⁴C. Imagem cedida por N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

A datação por radiocarbono pode mesmo ser usada para datar achados arqueológicos mais incomuns. Em setembro de 1991 dois excursionistas descobriram o corpo de um homem que saía a meio do gelo numa região montanhosa dos Alpes. O homem dos gelos, mais tarde apelidado de Ötzi segundo a cadeia montanhosa onde foi encontrado, pode ter morrido há mais de 4000 anos.

Medições detalhadas de ¹⁴C foram realizadas independentemente por quatro institutos diferentes em ossos e tecidos de Ötzi (em Innsbruck, Bolzano, Zurique e Oxford), em equipamentos e materiais aparentemente pertencentes ao homem dos gelos (em Uppsala, Gif/Yvette e Viena) e em sedimentos recolhidos do local de descoberta (em Viena). A idade não calibrada é de 4550 anos. Quando traduzida para idade calibrada com a ajuda das curvas da técnica de anéis de crescimento, Ötzi parece ter cerca de 650 anos a mais. Assim, Ötzi morreu entre 3350 e 3100 a.C.

A análise do cadáver revelou detalhes surpreendentes sobre a sua vida. A análise de cereais encontrados nas entranhas, bem como de minerais no cabelo, levou à conclusão de que Ötzi vinha do Tirol do Sul quando ficou preso na neve e no gelo. Tinha comido papa de espelta (um tipo de trigo), vegetais e carne pouco antes da sua morte. Além disso, analisando os isótopos de carbono e oxigénio nos dentes e ossos do homem dos gelos, os investigadores foram capazes de diferenciar o país da sua infância precoce do país onde viveu mais tarde. Sabemos também que era um homem de 45 anos com cabelo escuro, ondulado, comprido até aos ombros e olhos azuis. No entanto, análises genómicas mais recentes sugerem que Ötzi era originalmente da Sardenha!

A técnica dos anéis de crescimento é útil para calibrar o método do ¹⁴C até cerca de 11.000 anos. Para idades entre 10.000 e 30.000 anos, a técnica de calibração utilizada é a datação Urânio-Tório de sedimentos lacustres e coral.

Durante a sua vida, os corais absorvem o urânio (com uma vida média de 245,5 anos) presente na água do mar, mas não absorvem o tório (²³⁰Th). Após a morte dos corais, o urânio decai em ²³⁰Th, que se acumula no seu esqueleto. A medição da proporção U/Th pode dar uma indicação da idade do coral.

No entanto, o tório é também radioativo e decai (vida média 75.380 anos) noutros elementos através de uma longa cadeia de decaimento, terminando finalmente com chumbo, o que torna o processo de datação um pouco mais complicado. O método U-Th pode ser usado para datar objetos com idades entre 10.000 e 500.000 anos.

No entanto, o método tem algumas limitações. Estudos recentes mostraram que o chumbo pode ser produzido através da captura de neutrões e pode não ter tido origem no decaimento do urânio. Isso alteraria os resultados da datação.

Coral usado como referência para o método de datação U-Th. Imagem cedida por J. Lecomte (CNRS Photothèque).

A termoluminescência foi descoberta por Sir Boyle em 1663. Muitos materiais cristalinos como alguns minerais têm esta propriedade de emitir luz quando aquecidos. Trezentos anos após esta descoberta, os cientistas aprenderam a explicar este efeito. Quando o material é exposto a radiação de alta energia, os eletrões no material movem-se para um estado excitado. Em alguns minerais, esta energia fica então aprisionada no interior devido a defeitos no cristalino. Mas quando o cristal é aquecido, os eletrões podem cair para as camadas de energia mais baixas, emitindo um fotão em cada transição.

Pierre e Marie Curie notaram que alguns recipientes de vidro no seu laboratório adquiriam uma cor intensa quando atingidos por radiação, e que estas cores desaparecem com emissão simultânea de luz quando o material é aquecido.

Foi demonstrado que a intensidade da luz emitida é diretamente proporcional à radiação que o mineral recebeu. Assim, a termoluminescência pode ser usada para datar objetos que foram expostos a raios cósmicos ou à radiação do solo, uma vez que as doses dependem da idade do objeto.

Esta técnica tem muitas aplicações - como a datação de sílex aquecido, olaria e cerâmica de períodos pré-históricos. Os mais antigos artefactos que podem ser datados por termoluminescência têm cerca de 250.000 anos.

Acima: a radiação do rádio confere um tom azul a um recipiente de vidro do laboratório de Pierre e Marie Curie. Imagem cedida por C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Esquerda: olaria datada por termoluminescência com 7.000 a 10.000 anos. Imagem cedida por A. Chênè (CNRS Photothèque). Abaixo: Esqueletos de uma mulher e de uma criança datados por termoluminescência com 92.000 anos. Imagem cedida por CEA – CNRS – CFR.

Quando o ⁴⁰K decai em ⁴⁰Ar dentro da rocha, o ⁴⁰Ar gasoso permanece dentro da rocha e não pode escapar a menos que o mineral seja aquecido. A quantidade de Ar num pedaço de rocha revela assim o tempo desde o seu último arrefecimento.

O método K-Ar é bem adequado para estudar a atividade vulcânica, e dado que o ⁴⁰K tem uma vida média de 1,3 mil milhões de anos, o método é usado na geocronologia para datar períodos que vão de 10⁶ a 10⁹ anos atrás. O ⁴⁰K radioativo é comum em micas, feldspatos e hornblende, que têm temperaturas de fecho bastante baixas (de 125°C para mica a 450°C para hornblende).

O método K-Ar foi usado para determinar a sucessão de períodos geológicos na Terra, para fixar a idade da Terra em cerca de 4,5 mil milhões de anos e para localizar os inícios da humanidade (na África Oriental) há cerca de 5 milhões de anos. O método também é empregado para medir a taxa de reversão dos polos magnéticos da Terra.

O ⁸⁷Rb decai em ⁸⁷Sr com uma vida média de cerca de 48 mil milhões de anos. Os outros isótopos de Sr (A = 84, 86, 88) são estáveis, pelo que o estrôncio é um traçador útil para a idade e o teor de rubídio nas rochas, e também foi usado para datar amostras lunares. A proporção ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varia de 0,703 nas rochas jovens a 0,750 nas mais antigas. Com o método ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr é possível datar materiais com idades entre 10 milhões e 10 mil milhões de anos.

Uma história interessante é como a datação Rb-Sr ajudou a determinar a origem do rei Yax K'uk Mo, que fundou a dinastia que governou a cidade Maia de Copán (atualmente em Honduras) durante 400 anos.

No século VIII, uma aldeia modesta na Mesoamérica com o nome de Copán (situada no atual Honduras) tornou-se uma das mais importantes cidades Maias. Esta ascensão em importância é fortemente atribuída a Yax K'uk Mo, que chegou a Copán no ano 427.

Na época, Teotihuacan estava no seu auge, a maior cidade na Mesoamérica pré-colombiana do vale do México. Cidades a centenas de milhas de distância copiavam o estilo dos seus templos e adotavam os mesmos deuses. Os artesãos de Copán representavam Yax K'uk Mo com adornos Teotihuacan, aparentemente indicando as origens e a associação do rei com Teotihuacan. As origens de Yax K' uk Mo permaneceram vagas até que foram realizadas medições das proporções isotópicas ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr e ¹⁸O / ¹⁶O nos dentes e ossos dos seus restos em Copán.

A península de Yucatan onde o rei Yax K'uk Mo viveu e morreu é composta principalmente por sedimentos marinhos. Mostra uma variação suave da proporção ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (entre 0,7049 e 0,7089). O vale do México é composto por rochas vulcânicas, e aí a variação é maior, enquanto em Teotihuacan o valor é mais baixo (0,7046). O esmalte dentário fornece um revestimento duradouro para a dentina por baixo. Ambos contêm cálcio, mas foram formados de formas muito diferentes. O esmalte mineraliza quando o dente cresce na infância, a dentina como os ossos forma-se continuamente durante a vida. O estrôncio é quimicamente próximo do cálcio e pode substituí-lo no esmalte e dentina dos dentes e nos ossos. O estrôncio é absorvido a partir dos alimentos, e a proporção ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr refletirá a natureza do solo local. Assim, o esmalte dentário de uma pessoa porta a assinatura isotópica dos alimentos e da água do país da sua infância precoce, enquanto as proporções isotópicas na dentina e nos ossos refletem os seus percursos posteriores. Em 0,7084, a proporção ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr no esmalte retirado de um dente de Yax K'uk Mo correspondia ao valor em Tikal, ao norte de Copán.

Direita: figura de cerâmica do rei Yax K'uk Mo representado com adornos Teotihuacan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Esquerda: medições da proporção ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr para várias cidades pré-colombianas no México e na península de Yucatan (Copyright American Institute of Physics 2004).

A proporção isotópica ¹⁸O / ¹⁶O pode fornecer outro indicador de localização. O oxigénio entra no corpo através do abastecimento de água, e a chuva de nuvens perto do oceano é mais rica em ¹⁸O do que a chuva de nuvens que viajou para o interior.

A análise isotópica das proporções de estrôncio e oxigénio no esmalte dentário e nos ossos do rei Yax K'uk Mo não apoiou uma origem em Teotihuacan. Em vez disso, concluiu-se que ele passou os seus primeiros anos perto de Tikal e se mudou mais tarde para Copán.