Datering - en resa i tiden
Hur vet man egentligen hur gamla saker är? På mynt och i böcker står årtalen tydligt tryckta.
Kungalängder kan följas många århundraden bakåt. Men den prydligt datummärkta historien är kort.
Före vår moderna epok passerade en ocean av tidsåldrar som länge var helt okända. Men det mesta kan faktiskt åldersbestämmas, från en 1800-tals timmerstuga till en meteorit från jordens ungdom för miljarder år sedan. Metoderna som den moderna forskningen använder för att åldersbestämma allt från istider till sjöstrider överlappar varandra som en stafett ner i tidsdjupen.
Följ med på en resa bakåt i tiden…
Forskningsingenjör Hans Linderson visar upp ett kraftigt stycke trä som ser ut som en bit grovt timmer. Det han vill visa är några märken i träet.
– Titta här, säger han. Det är någon som har huggit här med en smal yxa, helt utan mening, ser det ut som, bara på måfå. Och det gjordes av någon på 1200-talet.
Att räkna årsringar på gamla träd låter kanske inte som världens mest spännande forskning. Men fråga Hans Linderson.
Han förestår det Dendrokronologiska laboratoriet i Lund, en nationell forskningsresurs. Det är här allt trä av vetenskapligt intresse förr eller senare hamnar, eller åtminstone bitar av det. Och för dem som kan läsa i träet berättar det många historier. Just den här eftermiddagen sitter han med några avsågade bitar svartnade plankor och sin dator.
– De här är från bordläggningen av ett vrak från vattnet utanför Kastellholmen i Stockholm. Jag har just konstaterat att de avverkades under vintern 1677-78, någonstans i sydöstra Finland, möjligen Karelen. Med tanke på att det är just efter att den svenska flottan gjort stora förluster, av regalskeppet Kronan till exempel, så kan man ju tänka sig att man snabbt ville bygga upp en ny flotta, och att det här är spår efter det, säger Hans Linderson.
Att det gick knackigt för de svenska sjöstridskrafterna vid den här tiden, det vet många. Men att ange exakt tid och plats för var skeppstimret växte, det är svårare.
På Dendrokronologiska laboratoriet gör man det genom att söka efter ett matchande ringmönster till plankorna i alla de databaser över årsringsserier som finns. Det är ungefär som att leta i ett fingeravtrycksregister. Årstidernas växlingar ger karakteristiska mönster, där ringarnas avstånd från varandra kan ge ett unikt spår för varje enskilt år av tillväxt. Sedan läggs serie till serie, och regioner jämförs med varandra.
I Sverige finns det sammanhängande dokumenterade serier av årsringar som leder 7 400 år tillbaka i tiden. I Tyskland och Schweiz har man hittat träd som bevarats under jord sedan istidens slut, och som ger serier som leder 14 000 år bakåt. Men sedan tar det slut. För att nå ännu längre tillbaka behövs andra verktyg.
Kol-14-metoden bygger på att allt levande, djur och växter, tar upp kolatomer under sin livscykel. Men alla kolatomer är inte lika. Genom den kosmiska strålning som bombarderar oss från solen produceras högt uppe i atmosfären hela tiden små mängder radioaktiva varianter av kol med två extra neutroner – kol-14. Den tyngre varianten, eller isotopen, är inte stabil. Den förändras genom radioaktivt sönderfall under årtusendena till kväve.
Den så kallade halveringstiden för kol-14 är 5 730 år. Det innebär att på den tiden har hälften av en bestämd mängd kol-14 förvandlats till vanligt kväve.
När en växt eller ett djur dör slutar den att ta upp kol, eller kolhaltiga ämnen från omgivningen. Därmed tillförs inget nytt kol-14, utan halten kommer att minska kontinuerligt i förhållande till mängden vanligt kol.
Kan man mäta det här förhållandet så går det också att räkna ut hur längesedan organismen slutade ta upp näring. Till exempel när ett träd i en byggnad avverkades, när ullen i ett tyg klipptes eller när en benbit var en del av ett levande djur.
Men det är inte bara att mäta. Resultaten måste kalibreras, det vill säga justeras så att det stämmer med den verkliga halten av kol-14 i atmosfären under varje epok. Eftersom det radioaktiva kolet skapas genom kosmisk strålning så bildas det mer när solens utbrott får den kosmiska strålningen att öka.
Det mesta av kolet tas upp av vattnet i världshaven, så variationer i havsströmmarna, och klimatförändringar påverkar också värdena eftersom det gör att havens förmåga att ta upp luftens kol förändras.
Den bästa kalibreringen som finns är årsringar i trä, så länge de är tillräckligt gamla. Trä innehåller kol, och ger samtidigt ett exakt årtal. Perfekt för att ställa in kol-14-klockan. Men det finns alltså bara årsserier ner till 14 000 år, och i den serien finns en lucka på 3-400 år.
Men i mars 2008 publicerades en artikel i Nature Geoscience där man lyckades täcka in den här luckan med en annan radioaktiv isotop, beryllium-10, och som på köpet gav oss en tydligare bild av de dramatiska klimatförändringarna vid istidens slut.
Borrkärnor från Grönlands inlandsis förvaras i stora arkiv i Köpenhamn. Där ligger tiden frusen i islager på islager, ända till tre kilometers djup – vilket motsvarar en resa på 100 000 år. Varje lager kan tidsbestämmas genom sin halt av beryllium-10, en isotop som precis som kol-14 skapas av den kosmiska strålningen, och långsamt seglar ner på jordytan, men som är ännu mer sällsynt, och har en halveringstid på cirka 1,5 miljoner år.
Prover från isen i Köpenhamn kördes i acceleratormasspektrometern i Uppsala, och de sällsynta berylliumisotoperna räknades. Resultat: berylliumklockan i isen stämmer inte med kolklockan upptäckte forskarna. Något var fel.
– Vi räknade in antagandet att strömmarna i havet plötsligt försvagades kraftigt, säger en av författarna till artikeln, Raimund Muscheler, geolog vid Lunds Universitet. Och då stämmer allt mycket bättre. De djupa strömmarna förändrades när stora mängder smältvatten forsade ut i havet i norr, och gjorde att betydligt mindre kol-14 togs upp av vattnet.
Det här gör att kol-14-klockan ”går fel” under en kort dramatisk period. Det var just här, för mellan cirka 12 700 och 11 600 år sedan som norra halvklotet var med om en skrämmande snabb nedisning. Den långa istidens snö och kyla hade lagrat upp jättelika glaciärer nära Arktis som långsamt smälte när temperaturerna steg.
Enorma issjöar bildades i det som idag är Nordamerikas prärier och Östersjön, och en dag bröt smältvattnet igenom alla vallar och vräktes ut i havet i ofattbara mängder.
Det iskalla sötvattnet störde havets naturliga rytm och fick de varma strömmarna från söder till norr att nästan stanna upp. Temperaturerna störtdök igen, och isen lade sig än en gång över norra halvklotet.
Men kol-14-analys i alla ära; efter 50 000 år fungerar den inte längre. Då har aktiviteten klingat av för mycket. Bäst fungerar det från 1700-talet och ner till cirka 12 000 före vår tid. Efter 30 000 år börjar den bli opålitlig.
När det gäller att sätta årtal på människans tidiga utveckling krävs andra metoder. Homo sapiens tog de första stegen i sin utveckling i Afrika långt tidigare än för 50 000 år sedan. Så vad gör man då?
Ett svar är termoluminiscens. Principen är att många material kan fånga in energi från omgivningens radioaktiva bakgrundsstrålning.
Det här gäller till exempel vissa mineral eller keramik. En gammal krukskärva ligger kanske begravd i sanden, som är svagt radioaktiv. Då och då fastnar energi i form av en elektron någonstans i en ojämnhet inuti skärvans atomära struktur, och långsamt, långsamt lagras energin upp i det lilla fragmentet.
Om nu krukskärvan hettas upp till 500 grader, då avgår den lagrade energin i form av ljus. Det avgivna ljusets intensitet är ett mått på hur mycket energi som fastnat, det vill säga hur längesedan den senast var upphettad – i krukskärvans fall, när den brändes från lera till keramik. Metoden kan också användas på stenar som bränts i samband med matlagning, till exempel.
Det finns olika åsikter om var och när människan blev den intelligenta, språk- och symbolvirtuos som hon är idag. De äldsta spåren av människan som skapande konstnär var länge de europeiska grottmålningarna från Spanien och Frankrike, som är runt 35 000 år gamla. För övrigt har arkeologerna mest hittat flinta och ben, i form av knivar, spetsar och andra verktyg. Inga målningar, dekorationer eller leksaker, varken i vårt afrikanska urhem eller någon annanstans.
Alltså inte förrän våra föregångare började måla väggarna i Europas grottor.
Men idag finns de. Ett sådant fynd är några bitar av ockra med ingraverade mönster av linjer, som hittades i Blombosgrottan i Sydafrika av Christopher Henshilwood och hans kolleger i början av 2000-talet.
Ockra är en röd järnoxid som använts som färgämne över hela jorden sedan årtusenden. De här bitarna var dekorerade med en rad ristningar, tydligt gjorda med avsikt. Inget liknande hade hittats tidigare och allt tydde på att detta var ett av de allra äldsta konstnärliga uttryck som vi känner till. Men hur gamla var de?
I samma jordlager hittades små korn av kvartskristaller som legat vid grottans eldstad. Med två slags luminiscenstekniker mättes energiinnehållet i form av ljus i sandkornen. Resultatet kontrollerades mot andra delar av grottan och andra skikt vid utgrävningen. Men man måste också veta exakt hur mycket strålning sanden tagit emot under årtusendena.
24 dosimetrar grävdes ner och låg kvar på samma plats där man tagit sandkornen, under ett års tid. Slutresultatet visade på en ålder mellan 70 och 80 000 år.
Människan som konstnär och symbolmakare blev i ett slag dubbelt så gammal som tidigare.
Men det finns en tidsgräns för hur länge en kristall kan hålla kvar de extra elektroner som möjliggör den här dateringen.
Efter ett par hundratusen år börjar alltför många osäkerheter krypa in i beräkningarna. Nästa steg kan vara att förlita sig på paleomagnetism.
Jordens magnetfält varierar inte bara i styrka, det kan helt ändra riktning, polerna byter plats.
Under de senaste 100 miljoner åren har det skett åtskilliga gånger, men det sker oregelbundet. I genomsnitt har det hänt ungefär en gång på 200 000 år, och senast hände det för knappt 800 000 år sedan. När det händer så syns växlingarna bland annat i sediment och vulkaniska bergarter.
Järnatomerna orienterar sig efter magnetfältet och visar den magnetiska riktningen i varje skikt. Följden av växlingar finns daterade med hjälp av radioaktiva isotoper, och de bildar mönster som namngivits och lagts i databaser ungefär som trädens årsringar. Men där träden ger ett exakt årtal har magnetmönstret en upplösning på 1 000-tals år.
Ett av de allra senaste stora fynden av uråldriga människor i Europa är några käkben och tänder från en grotta i norra Spanien som kallas Sima del Elefante. I mars i år utropade de spanska forskarna stolt att de hittat den hittills äldsta europén, 1,1 till 1,2 miljoner år gammal. Nu handlar det inte om Homo sapiens längre utan en annan, hittills obestämd föregångare av högre ålder.
För att hitta det paleomagnetiska mönstret av svängningar i jordens polaritet undersökte man den svaga magnetismen i de lager som ligger över och under benfyndet.
Det visade att tänderna hamnat på plats antingen i ett intervall som kallas Jaramillo, från 990 000-1 070 000 år sedan. Eller också hör det hemma i ett spann som går under namnet Cobb Mountain, med en ålder på drygt 1,2 miljoner år.
Vilket av dem ska man då tro på? Med hjälp av de pålitliga radioisotoperna går det att ställa in skärpan lite bättre. Sönderfallet av bland annat Beryllium-10 placerar fyndet någonstans i trakterna av 1,22 miljoner års ålder.
Nu har vi tagit oss drygt en miljon år tillbaka i tiden. Det är mer än vi riktigt kan förstå med vårt vardagliga perspektiv på tidens gång. Men ännu har vi bara doppat tårna i tidens hav. Ska man ta sig vidare ner härifrån så behöver man kunna mäta halterna av de mer långlivade radioaktiva ämnena i naturen.
Uran sönderfaller långsamt till bly genom att avge radioaktivitet i en känd process. Det är grunden för den äldsta radiometriska dateringen vi har, och är numera en av de mest exakt kalibrerade.
Mineralet zirkon innehåller uran i sin kristallstruktur, men det tar inte upp något bly. Allt bly som finns i zirkonet härstammar alltså från radioaktivt uran som förvandlats. Med kunskap om takten i förvandlingen – halveringstiden – så kan man räkna ut mineralets ålder genom att jämföra mängderna uran och bly. Uran/bly-klockan används utan problem för att datera berg som är från en miljon till flera miljarder år gamla.
Den som först insåg att man kunde använda uranets radioaktiva sönderfall som en tidmätare var amerikanen Bertram Boltwood. 1907 uppmätte han åldern på gamla stenar till mer än två miljarder år, och bevisade att jorden var betydligt äldre än de flesta hade anat. Sedan dess har mätningarna förfinats en hel del.
Argon/argon-metoden bygger egentligen på att en isotop av grundämnet kalium förvandlas till ädelgasen argon med en halveringstid på 1,25 miljarder år. Man behöver alltså berg som innehåller kaliumhaltiga mineral. Stenen bestrålas så att allt kalium förvandlas till en isotop av argon (därav namnet), och sedan mäts förhållandet mellan de två isotoperna argon 38 och argon 39. Argonklockan är en metod där man daterar jordlagren kring ett fynd, snarare än fyndet självt. Men det räcker ofta långt. Till exempel fick 1994 den lilla förmänniskan Lucy, Australopithecus afarensis, en ålder på 3,2 miljoner år.
Tack vare den långa halveringstiden går det också att använda argon/argon-klockan till att åldersbestämma de allra äldsta bergarterna på jorden, de som är över fyra miljarder år.
Nya dateringstekniker behöver ofta flera år på sig för att etableras, och för att man ska få erfarenhet om var fallgroparna och felkällorna ligger. Argon-argon är en metod som 1997 fick en skjuts framåt när några forskare vid Berkeley lyckades datera Pompejis förstörelse på sju år när.
Nu vet ju alla som är intresserade av vulkaner, eller av antiken, att Vesuvius utbrott skedde den 24 augusti år 79. Det kan man läsa hos Plinius den yngre. Men just det faktum att det finns ett facit till händelsen gör att man kan testa och exakt kalibrera en dateringsmetod.
Att pricka in händelsen med en felmarginal på fem procent är ganska bra. Men bara ganska. Det är som att pricka in meteoritnedslaget som utrotade dinosaurierna till 63 miljoner år sedan med en felmarginal på drygt tre miljoner år.
Tre miljoner år är en lång tid, och precision är ofta en fråga om perspektiv. Det som var sensationellt med Pompeji-dateringen var att den också fungerade så nära i tiden.
Men radioisotoper kan inte bara ta oss långt bakåt i tiden. De öppnar perspektiven ut mot vintergatan.
Grundämnet hafnium har en isotop, hafnium-182, med halveringstid på cirka nio miljoner år. Allt hafnium-182 som en gång fanns på jorden har hunnit falla sönder till wolfram-182, en stabil isotop. Men ändå kan vi hitta spår av hafnium-182, till exempel i sediment på havsbottnen. Var kommer det ifrån?
– Det måste härstamma från ganska närbelägna supernovor, som har exploderat någon gång under jordens historia, säger Dag Hanstorp, fysiker i Göteborg. Det gör att om vi kan mäta mängden och halterna av isotopen så kan vi också se storleken, tidpunkten och ursprunget för utbrottet.
I Göteborg arbetar fysikerna med att förfina metoderna för att skilja hafnium från wolfram i mätningarna.
Om de lyckas så har de skapat ett nytt sätt att mäta tidens gång i vårt kosmiska grannskap. Och visat hur modern dateringsteknik hänger samman från stormaktsidens krig till supernovor i vår galax.
Det finns en uppsjö av avancerade tekniker för att bestämma åldern på gamla bergarter eller föremål. Några exempel:
Elektronspinnresonans är en metod som påminner om termoluminiscens (se artikeln), men som kan upprepas flera gånger på samma objekt. Den mäter det svaga magnetfält som uppkommer i vissa kristaller med tiden på grund av bakgrundsstrålningen. Den är relativt ny, men används till exempel på tänder eller snäckskal, upp till en miljon års ålder.
Aminosyreracemisering fungerar genom att aminosyrorna som bygger upp alla proteiner i alla levande varelser har en viss tredimensionell struktur. De är alla ”vänstervridna”. Efter döden kommer en viss mängd av dem att spegelvändas och få motsatt symmetri, att bli ”högervridna”, tills det finns lika mycket av båda sorterna. Fungerar från 5 000 till 100 000 års ålder, men har inbyggda osäkerheter när det gäller hur snabbt processen går. Kan användas på allt organiskt material. (Se artikeln "Höger eller vänster...")
Fissionsspårsmätning Om något mineral på en fyndplats innehåller uran finns det fissionsspår i det. De kommer från den spontana fission, halvering av atomkärnan, som sker långsamt och slumpmässigt i uranet. Varje fission ger ett spår i mineralet, och spåren kan räknas genom att man helt enkelt tittar i ett mikroskop. Används ofta för att bekräfta andra dateringsmetoder, till exempel argon/argon.