26. Februar 2011, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Wie alt ist die Erde, Ötzi oder ein Baumstamm?

Errungenschaften der Technik

Ein Milligramm Holz reicht: Damit lässt sich das Alter bestimmen. (Bild: Keystone)

Lucien F. Trueb

Geologen, Archäologen, Paläontologen und Prähistoriker hatten vor 1949 einen wichtigen gemeinsamen Nenner. Sie kannten zwar die chronologischen Abfolgen ihrer Untersuchungsobjekte, doch deren Alter war völlig unbekannt. Dass man heute in den meisten naturwissenschaftlichen Disziplinen realistische Altersangaben machen kann, haben wir dem amerikanischen Chemiker und Nobelpreisträger Willard Frank Libby (1908 bis 1980) zu verdanken. Libby entwickelte 1949 die Radiokarbonmethode, um das Alter kohlenstoffhaltiger Proben wie Holz oder Mumien zu bestimmen.

Der Sonnenwind

Um Libbys Methode zu verstehen, muss man wissen, dass die Sonne uns neben Licht und Wärme auch den sogenannten «Sonnenwind» liefert. Er besteht vorwiegend aus stark beschleunigten Protonen, also Kernen des Wasserstoffatoms. Sie richten kein Unheil an, denn schon in grosser Höhe kollidieren sie mit den Kernen von Gasatomen der Atmosphäre, was zur Freisetzung von elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen führen kann. Wird ein solches Neutron vom Kern eines Stickstoffatoms aufgenommen, so entsteht ein Kohlenstoff-14-Kern mit 6 Protonen und 8 Neutronen; zudem wird ein Proton freigesetzt.

Kohlenstoff-14 hat dieselben chemischen Eigenschaften wie gewöhnlicher Kohlenstoff-12 (mit 6 Protonen und 6 Neutronen), ist aber instabil, das heisst radioaktiv. Die Hälfte einer gegebenen Zahl von Kohlenstoff-14-Atomen zerfällt innerhalb von 5730 Jahren; diesen Zeitraum bezeichnet man als Halbwertszeit. Weil die Intensität des Sonnenwinds langfristig in erster Näherung konstant ist, entsteht pro Jahr immer etwa dieselbe Menge Kohlenstoff-14, während stets dieselbe Menge zerfällt. So stellt sich ein Gleichgewicht ein, wobei auf tausend Milliarden Atome von Kohlenstoff-12 ein Atom Kohlenstoff-14 kommt.

Beim Tod entsteht eine Uhr

Früher oder später werden die Kohlenstoff-14-Atome genau wie ihr stabiles Pendant Kohlenstoff-12 zu Kohlendioxid oxidiert und gelangen an die Erdoberfläche, wo sie im Rahmen der Fotosynthese von Pflanzen aufgenommen und zur Synthese von Zucker verwendet werden. Dies hat zur Folge, dass lebende Pflanzen und die davon abgeleitete Nahrungskette bis hin zu den Raubtieren und zum Menschen stets dieselbe oben erwähnte Konzentration an radioaktivem Kohlenstoff-14 enthalten.

Mit dem Tod des Organismus nimmt die Neuaufnahme von Kohlenstoff ein abruptes Ende. Nun beginnt die Kohlenstoff-Uhr zu ticken: Die Zahl der Zerfälle pro Sekunde entspricht der Restmenge von Kohlenstoff-14, was exakte Rückschlüsse auf das Alter der untersuchten Probe ermöglicht. Libby brauchte noch fast ein Kilogramm Probematerial (beispielsweise Holz), um ein Radiokarbonalter zu erhalten. Heute reicht ein Milligramm, wenn mit der massenspektroskopischen Methode gearbeitet wird.

Das Alter von Gesteinen

Obwohl Libbys Radiokarbondatierung sich auf kohlenstoffhaltige Proben beschränkte, die nicht älter sind als 50 000 Jahre, öffnete sie die Schleusen für die Entwicklung von über 40 grundsätzlich ähnlichen, aber viel weiter zurückreichenden Methoden zur Altersbestimmung. Dank der Konzentrationsmessung von radioaktiven Isotopen mit sehr langer Halbwertszeit und ihren Zerfallsprodukten konnten nun endlich die Geologen das Alter von Gesteinen bestimmen. Die Methoden zur Altersbestimmung geologischer Proben reichen von der Uran-235-Blei-Datierung (Halbwertszeit 704 Millionen Jahre) über die Thorium-232-Blei-Datierung (Halbwertszeit 14 Milliarden Jahre) bis zur Samarium-147-Neodym-Datierung (Halbwertszeit 106 Milliarden Jahre).

4,55 Milliarden Jahre alt

Das Vorgehen ist im Prinzip stets dasselbe: In der untersuchten Probe wird entweder die Radioaktivität oder die verbleibende Menge des interessierenden radioaktiven Isotops gemessen. Die betreffende geologische Uhr begann bei der Entstehung der Probe oder bei einer Nullstellung wie einem Schmelzprozess oder der Kollision mit einem Meteoriten zu ticken. Auf diese Weise wurde zum Beispiel das Alter der Erde auf 4,55 Milliarden Jahre bestimmt.

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