Grundlagen der C14-Methode

Isotope von Elementen haben nahezu identische chemische Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch durch die Anzahl der Neutronen im Atomkern und damit in ihrer Masse.

Von Kohlenstoff existieren insgesamt drei unterschiedliche Isotope. Die Isotope unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen, während die für die chemischen Eigenschaften entscheidenden Elektronen- und damit auch der Protonenzahl jeweils gleich ist.

Die Isotopenhäufigkeitsverteilung stellt sich wie folgt dar:

Das für die Radiokarbonmethode entscheidende ¹⁴C-Radionuklid entsteht in den oberen Schichten der Erdatmosphäre. Hierbei handelt es sich um hochenergetische Teilchenstrahlung, bestehend aus Heliumkernen, Protonen und Elektronen, die mit den gasförmigen Bestandteilen der Atmosphäre zusammentreffen und hierbei eine Vielzahl chemischer und physikalischer Reaktionsketten anstoßen. Bei diesem Prozess entstehen auch niederenergetische Neutronen, die bei Wechselwirkung mit Kernen des Stickstoffs unter Freisetzung eines Protons zur Entstehung von ¹⁴C-Kernen führen.

Durch die Bildung dies neuen Elementes zerfällt die Stickstoffverbindung. Das freie ¹⁴C-Radionuklid reagiert anschließend mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid (¹⁴CO₂) und gelangt nach atmosphärischer Durchmischung in bodennahe Luftschichten. Dort steht das ¹⁴CO₂ unter anderem für die Photosynthese von Pflanzen als Reaktionspartner zur Verfügung und kann auf diese Weise in den Biomassekreislauf übertreten.

Mit einer Halbwertszeit von ca. 5730 Jahren zerfällt das ¹⁴C-Radionuklid in einem b-Zerfall wieder zu Stickstoff und unter Freisetzung eines Elektrons und eines Energiequantums:    

Die Neubildung erfolgt seit vielen Millionen Jahren in Annähernd gleichmäßigem Umgang. Die Konzentration des ¹⁴C-Radionuklids in der Atmosphäre ist dennoch sehr gering. Auf etwa 1,2 x 10¹² „normale“ ¹²C-Atome (eine Billiarde) kommt nur ein einziges ¹⁴C-Atom.

Die Radiokarbonmethode oder C14-Methode wurde bislang überwiegend zur Datierung von archäologischen Funden genutzt. Mit Einführung des Emissionshandels wurde die Methode für die Charakterisierung von Biomasse, Abfällen und Ersatzbrennstoffproben adaptiert und wird erfolgreich zur Bestimmung des biogenen Kohlenstoffanteils eingesetzt. Gleichermaßen funktioniert auch die Bestimmung der Reinheit von Naturstoffen und die Bestimmung des biobasierten Kohlenstoffanteils in Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen. Allerdings müssen hierbei in besonderem Maße störende Einflussfaktoren und spezifische Randbedingungen berücksichtigt werden.

Für die Richtigkeit der C14-Methode ist neben der angewendeten Messtechnik auch die Konstanz der ¹⁴C-Konzentration in der umgebenden Umwelt maßgeblich. Trotz der Einflüsse von Warm- und Kaltzeiten auf die Photosynthese, variierender Sonnenaktivitäten und des sich stetig ändernden Erdmagnetfelds auf die Erzeugung neuer ¹⁴C-Radionuklide, kann die Konzentration in der Atmosphäre für die letzten 50.000 Jahre vor dem Jahr 1800 als ungefähr konstant angesehen werden. Mit Hilfe von Kalibrierkurven (IntCal20), die aus der Messung einer Vielzahl von gesicherten Probenarten und unter Einbeziehung einer große Anzahl von AMS-Laboratorien gewonnen wurden, lassen sich die Ergebnisse der C14-Messung für die exakte Altersbestimmung von Artefakten > 500 Jahre korrigieren.

Erst mit der Industrialisierung und der damit verbundenen Nutzung fossiler Rohstoffe in großem Umfang und besonders mit der Phase oberirdischer Atomwaffenversuche zu Beginn der 1950er Jahre änderte sich die ¹⁴C-Konzentration der Atmosphäre sehr stark. Die jeweiligen Einflüsse müssen bei der Berechnung des biobasierten Anteils von Proben zwingend berücksichtigt werden.

Ab 1945 wurden oberirdische Atomwaffentest durchgeführt, die mit der Freisetzung von Neutronen auch zu einem deutlichen Anstieg der ¹⁴C-Konzentration in der Atmosphäre führten und das langjährige Gleichgewicht zwischen Entstehung, Zerfall und Einbindung und Freisetzung in relativ kurzer Zeit zerstörten. Die Tests wurden weltweit zwar in den 70‘ er und 80’er Jahren des letzten Jahrhunderts nahezu eingestellt, wegen der Halbwertszeit von 5.715 Jahren ist die Stoffmenge, also die Gesamtzahl der ¹⁴C-Atom aber noch über viele Jahrtausende in der Biosphäre erhöht. Erst in ca. 38.000 Jahren wird die durch Atomwaffentests in die Atmosphäre eingetragene Menge an Radiokohlenstoff durch Zerfall auf 1 % des Wertes abgeschmolzen sein.

In den oberen Schichten der Erdkruste lagern große Mengen fossilen Kohlenstoffs in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas, die seit Beginn der Industrialisierung Anfang des 19. Jahrhunderts und seit dieser Zeit in zunehmendem Maße gefördert und zur Energieerzeugung eingesetzt werden. Das bei der Verbrennung der fossilen Kohlenstoffquellen in großen Mengen entstehende CO₂ ist frei von ¹⁴C-Kohlenstoff. Während die Gesamtmenge an Kohlenstoff in der Biosphäre insgesamt deutlich ansteigt, sinkt der relative Anteil des ¹⁴C-Isotpes gegenüber den beiden anderen Kohlenstoffisotopen ¹²C und ¹³C. Diese Konzentrationsverringerung entspricht einer Verdünnung und wird nach seinem Entdecker als ‚Suess-Effekt‘ bezeichnet.

Mit schwankender Sonnenaktivität und durch starke Sonneneruptionen (Sonnenfackeln) ändert sich auch die Stärke des Sonnenwindes, der in Form einer Ionenstrahlung (Heliumkerne, Protonen und Elektronen) in die äußere Atmosphäre eindringt und zur Bildung von ¹⁴C-Isotopen führt. Die Sonnenaktivität ändert sich mit mehren sich überlagernden Zyklen von ca. 11, 22, 85, 195, 1.470 und 2.400 Jahren.

Einflüsse auf die ¹⁴C-Produktion hat daneben auch das Erdmagnetfeld, das nicht konstant ist, sondern ständigen Änderungen in Hinblick auf die Stärke und Orientierung bis hin zur Umpolung (Vertauschung von Nord- und Südpolen) unterworfen ist. Je nach Stärke des Erdmagnetfeldes dringt die Ionenstrahlung in unterschiedlichem Maße in die Atmosphäre ein und beeinflusst damit die Bildung von ¹⁴C-Nukliden.