Slika 8: Periodi poluraspada jedinih radionuklida koji se danas nalaze u prirodi a čiji izvor nije više prisutan, iznose milijardu godina ili su duži, što znači da ti izotopi postoje još od vremena nastanka Zemlje. Izotopi s vremenom poluraspada kraćim od toga, više ne postoje u stenama izuzev ukoliko se njihove zalihe ne obnove iz nekog spoljnog izvora.Iščezli izotop Period Poluraspada
(u godinama) Plutonijum-244
82 miliona Jod-129
16 miliona Paladijum-107
6.5 miliona Mangan-53
3.7 miliona Gvožde-60
1.5 miliona Aluminijum-26
700,000 Kalcijum-41 130,000Tabela 2: Roditeljski izotopi za koje postoje čvrsti dokazi da su jednom obitavali u meteorskim stenama, ali su se od tada potpuno radioaktivno raspali.Kosmički radionuklidi: ugljenik-14, berilijum-10, hlor-36
Periodi poluraspada poslednjih pet radiometrijskih sistema pobrojanih u Tabeli 1, znatno su kraći od ostalih. Za razliku od radioaktivnih izotopa o kojima je bilo reči ranije, zalihe ovih izotopa konstantno se obnavljaju, i to na dva moguća načina. Uran-234 i torijum-230 obnavljaju se spororaspadajućim uranom-238. O njima ćemo govoriti u sledećem odeljku. Preostala tri sistema iz tabele 1, ugljenik-14, berilijum-10 i hlor-36, proizvode se kada kosmički zraci (visokoenergetske čestice i fotoni) pogode gornje slojeve Zemljine atmosfere. Veoma male količine svakog od ovih izotopa prisutne su u vazduhu koji udišemo i vodi koju pijemo. Kao rezultat toga, sva živa bića (i biljke i životinje), unose veoma male količine ugljenika-14, dok se berilijum-10 i hlor-36 talože na dnu jezera i mora.
Ove kosmološke metode datiranja rade na donekle različitim principima od ostalih. Ugljenik-14 je u naročito širokoj upotrebi za određivanje starosti takvih materijala kao što su kosti, drvo, vlakna, papir i ostaci uginulih biljaka i životinja uopšte. Grubo uzevši, odnos ugljenika-14 i stabilnih izotopa ugljenik-12 i ugljenik-13 relativno je konstantan u atmosferi i živim organizmima i dobro je proučen. Kada živi organizam umre, prestaje unos ugljenika disanjem i hranom, a zatečena količina ugljenika-14 vremenom opada usled radioaktivnog raspada. Koliki je pad odnosa ugljenik-14/ugljenik-12 ukazuje na to koliko je uzorak star. Pošto je period poluraspada ugljenika-14 manji od 6000 godina ova metoda se može koristiti za datiranje uzoraka starih do približno 45000 godina. Fosilni ostaci dinosaurusa ne sadrže ugljenik-14 (izuzev ako su kontaminirani), jer su dinosaurusi istrebljeni pre oko 60 miliona godina. Međutim, ostaci nekih drugih životinjskih vrsta koje su davno nestale, poput mamuta mogu biti datirani metodom ugljenik-14 jer sadrže ovaj izotop. Starost pojedinih praistorijskih ostataka, pa čak i nekih u vezi sa događajima opisanima u Bibliji, može se odrediti metodom ugljenik-14.
Rezultati dobijeni ovom metodom pažljivo su upoređeni s poznatim istorijskim datumima i metodama datiranja koji nisu zasnovani na radioaktivnim izotopima. Godovi na stablima, na primer, ako se pažljivo izbroje vrlo su pouzdan način za određivanje starosti drveća. Svaki god apsorbuje ugljenik iz vazduha ili minerala tokom godine u kojoj je nastao. Tačnost metode ugljenik-14 proverava se utvrđivanjem starosti proizvoljno odabranog goda iz centra stabla, a potom se rezultat uporedi s prostim brojanjem godova počev od spoljašnje ivice. Upravo ovaj postupak je primenjen na nekim od najstarijih stabala na svetu, kao što je ”Metuzalem drvo” staro oko 6000 godina. Ovaj metod kalibracije primenljiv je i za duže vremenske periode. Pojedina stabla nađena su u veoma suvom području u blizini granice američkih država Nevade i Kalifornije. Mrtvim stablima u takvim uslovima potrebne su hiljade godina da se potpuno raspadnu. Rast godova u kišnim i sušnim godinama različit je i ako se ovaj model rasta uporedi između živih i mrtvih stabala, kalibracija metoda ugljenik-14 moguća je unazad 11,800 godina. ”Plutajući” istorijski zapisi, koji nisu vezani za sadašnje vreme, postoje čak i za dalje periode iz prošlosti ali se njihova tačnost ne može pouzdano utvrditi. Ulažu se veliki napori da se premoste praznine u vremenskom zapisu kako bi se dobio kontinuiran i pouzdan uvid duboko u praistorijski period. Proučavanjem godova drveta i tako merenim protokom vremena, bavi se nauka dendrohronologija.
Godovi drveta ne daju pouzdanu vremensku referencu dalje od 11,800 godina u prošlost zbog toga što je približno u to vreme na Zemlji nastupila nagla i dramatična promena klimatskih uslova. Tokom perioda ledenih doba, dugovečne vrste stabala nisu rasle u istim područjima Zemlje kao danas. Naučnici su uspeli da s velikom preciznošću rekonstruišu ovaj period promene tako da o klimatskim događajima iz tog vremena imamo znatna saznanja. Teško je, međutim, dati kontinuirani hronološki zapis baziran na metodi godova za ovaj period brzih klimatskih promena. Pre ili kasnije, dendrohronologija će uspeti da pronađe pouzdan godovni zapis kojim će se premostiti sadašnje praznine, dok se međuvremenu metoda ugljenik-14 za vremena koja sežu u prošlost dalje od 11,800 godina kalibriše na druge načine.
Kalibracija metode ugljenik-14 do unazad skoro 50,000 godina, može se obaviti kroz nekoliko različitih postupaka. Jedan od njih je upotreba slojeva materijala koji se talože na dnu jezera ili morskih zaliva. Na nekim od ovih mesta sedimentacija (taloženje čvrstog materijala) relativno je brza i razlikuje se iz godine u godinu tako da je svaki godišnji sloj karakterističan. Ovi slojevi se mogu prebrojati i pretvoiti u godine na isti način kao i godovi drveta. Ako neki od ovih slojeva sadrže biljne ostatke, oni se koriste za kalibraciju metode ugljenik-14.
Drugi postupak kalibracije je da se pronađu relativno novije naslage karbonata (jedinjenja koja sadrže ugljenik) i da se ugljenik-14 nađen u njima uporedi s nalazima nekog drugog brzo raspadajućeg radioaktivnog izotopa. Gde se pronalaze ove naslage karbonata? Tipično mesto su pećine gde kapljice vode koje padaju sa svoda stvaraju veličanstvene stalagmite i druge formacije sa mnogo karbonata. Budući da je većina ovih pećinskih formacija nastala relativno nedavno (i da se nove uvek iznova stvaraju), ovo je vrlo koristan pristup za kalibraciju i potvrdu rezultata nađenih metodom ugljenik-14.
Šta nam govori kalibracija metodem ugljenik-14 naspram stvarne starosti? Ako se starost uzorka odredi metodom ugljenik-14 uz pretpostavku da je odnos ugljenika-14 i ugljenika-12 u atmosferi bio sve vreme konstantan, dobiće se mala greška jer se i ovaj odnos neznatno menjao. Slika 9 pokazuje da se udeo ugljenika-14 u atmosferi tokom poslednjih 40,000 godina smanjio približno za faktor dva. Ovo se pripisuje snaženju Zemljinog magnetnog polja koje je u tom periodu bilo u stanju da bolje zaštiti atmosferu od snažnog kosmičkog zračenja pa se i stvaralo manje ugljenika-14 (promene u ponašanju magnetnog polja veoma su dobro proučene. Potpuno obrtanje magnetnog polja, odnosno zamena južnog i severnog magnetnog pola desile su se mnogo puta u Zemljinoj geološkoj istoriji). Mala količina podataka koju imamo za period između 40,000 i 50,000 godina u prošlosti ukazuje da je upravo tada došlo do značajne promene u ponašanju magnetnog polja odnosno da je do tada polje slabilo, a nadalje jačalo. To bi značilo da je u dalekoj prošlosti odnos ugljenika-14 i ugljenika-12 bio niži, ali za ovu hipotezu treba još čvrstih dokaza kako bi bila definitivno potvrđena.
Kakav uticaj ova promena ima na nekalibrisanu metodu ugljenik-14? Donji panel Slike 9 pokazuje razliku između kalibrisanih i nekalibrisanih merenja dobijenih metodom ugljenik-14. Ova razlika je, u opštem slučaju, manja od 1500 godina za starosti do 10,000 godina, ali raste na 6000 godina za starosti do 40,000 godina. Nekalibrisana metoda ugljenik–14 daje manju starost od stvarne. Treba primetiti da skoro dvostruka razlika u količini atmosferskog ugljenika-14, prikazana u gornjem panelu Slike 9, ne znači i dvostruku razliku u starosti. Ona nije veća od trajanja jednog perioda poluraspada koji u ovom slučaju iznosi oko 5700 godina. Ovo je svega oko 15% u ukupnom rasponu od 40,000 godina. Početni deo kalibracione krive (donji pano) veoma je dobro proučen i već dugo u upotrebi tako da svi podaci o starosti uzoraka dobijeni metodom ugljenik-14 za starosti manje od 11 800 godina, daju kalibrisane (tačne) vrednosti ukoliko drugačije nije naznačeno. Ostatak krive koji se proteže do 40,000 godina u prošlost relativno je novijeg datuma, te se njegova šira upotreba tek očekuje.
Slika 9: Odnos ugljenika-14 i ugljenika-12 u poređenju sa današnjim vrednostima (gornji pano). Za razliku od postupaka datiranja koji testiraju veoma stare uzorke, metoda ugljenik-14 zasniva se na poznavanju koncentracije ugljenika-14 u atmosferi u vreme kada je biljni ili životinjiski uzorak koji se testira bio živ. Produkcija ugljenika-14 od strane kosmičkih zraka bila je, za period za koji se ova metoda koristi, približno dvaput veća nego danas. Podaci dobijeni za uzorke do 11 800 godina, potvrđeni su upoređivanjem s metodom brojanja godova drveta, dok su oni za starije uzorke upoređeni s drugim nalazima, kao što su starost stalagmita što je i ovde predstavljeno. Donji pano pokazuje razliku između kalibrisanih i nekalibrisanih merenja starosti uzrokovanih promenama u koncentraciji atmosferskog ugljenika-14 tokom vremena. Podaci o starosti na osnovu metode godova drveta uzeti su iz rada
Stuiver et al. (199 Radiocarbon 40, pp. 1041-1083, dok su podaci na osnovu metode stalaktita uzeti iz Beck et al. (2001)Science 292, pp. 2453-2458.