De ontdekking van Amerika

Vikings hadden nederzettingen in Amerika in 1021, exact 1000 jaar geleden.

Vroeger werd ons onderwezen dat Christoffel Columbus Amerika ontdekte in 1492. Er waren nog wel verhalen over Vikings die eerder al voet aan wal gezet zouden hebben in Amerika, maar dat waren eerder saga’s die honderden jaren later op papier gezet werden en dus onbetrouwbaar. Vorige maand verscheen in Nature een artikel met onomstootbaar bewijs dat Vikings in 1021, exact 1000 jaar geleden, in Amerika verbleven. Hoe kan men dat nu achterhalen met zulke precisie?

In Newfoundland (Oostkust van Canada) meer bepaald in L’Anse aux Meadows (zie foto hierboven) had men overblijfselen van nederzettingen gevonden die sterk gelijken op nederzettingen die Vikings bouwden in IJsland en Groenland. Maar dat is nog geen bewijs. De houten steunbalken en artefacten waren bewerkt met metalen bijlen terwijl het vaststond dat de oorspronkelijke bewoners (Indianen) niet beschikte over metalen werktuigen. Bijgevolg waren die metalen werktuigen door inwijkelingen of bezetters ingevoerd. De eerste dateringen uitgevoerd op de archeologische voorwerpen bewerkt met metalen werktuigen voorspelden dat de artefacten vervaardigd werden tussen 793 en 1066 na Christus wat toch een heel wijde tijdspanne is.

In tegenstelling tot die datering van 50 jaar geleden heeft men nu gevoeligere massaspectrografen om de koolstof-14/koolstof-12 ratio te bepalen en men heeft bovendien gebruik gemaakt van dendrochronologische gegevens. (Het woord ‘dendrochronologie bestaat uit deelwoorden: dendron (= boom in Grieks) chronos (= tijd in Grieks) en logie of ‘de leer van’). Hetgeen men met dendrochronologie bestudeert zijn de jaarringen van bomen. Indien men bij een houten voorwerp delen van de schors terugvindt dan kan men vanaf die schors de jaarringen tellen tot de middelste jaarring om te bepalen hoe oud de boom was toen die geveld werd. (Eigenlijk is dit enkel geldig voor eiken voorwerpen, ander hout vertoont soms 2 jaarringen per jaar afhankelijk van te koude, of te natte of te droge seizoenen, maar goed). Dus van een houten voorwerp met 50 jaarringen en een stukje schors weet men dat dit bekomen werd uit een boom die 50 jaar geleefd en gegroeid heeft. Wanneer men hout uit het voorwerp sneed om de koolstof-14/koostof-12 verhouding (zie verder) te bepalen dan kan men met een ruime onzekerheid voorspellen dat die boom bvb geveld werd ergens tussen 800 en 1000 jaar geleden.

Het nieuwe in deze studie van Nederlandse en Canadese onderzoeksgroepen is dat men hout geschraapt heeft uit elke jaarring en voor elk genomen staal van 3 houten voorwerpen heeft men de koolstof-14 over koolstof-12 verhouding bepaald. In de voorbije paar jaar is men tot het besef gekomen dat de koolstof-14 aanmaak in de atmosfeer zeer constant is met zeer kleine fluctuaties van maximaal 2% behalve in het jaar 775 en 993 na Christus. Door plotselinge sterke verhoging van kosmische straling die op de aarde inviel verhoogde de aanmaak van koolstof-14 met nagenoeg 10% (zie verder). Deze verhoging werd synchroon waargenomen in dendrochronologische staalafnames over de ganse wereld. Ook hier, in de houten voorwerpen gevonden in L’Anse aux Meadows heeft men binnen in één jaarring hout geschraapt waar de hoeveelheid koolstof-14 nagenoeg 10-maal hoger was dan in de andere, nabije jaarringen. Vanaf die jaarring heeft men dan de jaren geteld tot de schors. In de 3 houten voorwerpen bleek met zekerheid dat het hout gekapt en bewerkt werd in 1021 jaar na Christus en dus dat de Vikings in Newfoundland een vestiging hadden in dat jaar.

In de volgende paragrafen wil ik uitleggen waarom de koolstof-14 aanmaak constant is en hoe men een voorwerp kan dateren aan de hand van de koolstof-14 verhouding tot koolstof-12. Hiervoor moet ik eerst teruggrijpen naar elementaire scheikunde. Er bestaan een 100-tal chemische elementen: zuurstof, chloor, ijzer, goud, zilver, koolstof, stikstof …. Elk atoom (het kleinste ondeelbaar deeltje van een element) bestaat uit een kern waarrond elektronen rondvliegen. Een elektron (e-) heeft één negatieve lading en geen massa. De kern van lichte elementen bestaat normaal uit een gelijk aantal neutronen (n) en protonen (p). Zowel een neutron als een proton heeft een massa gelijk aan 1, het neutron heeft geen lading (lading 0) terwijl een proton één positieve lading draagt. Elk element beschikt steevast over een uniek aantal protonen in zijn kern. Koolstof (symbool C voor carbon) bevat altijd 6 protonen, Stikstof (symbool N) bevat altijd 7 protonen (figuur 2) . Normaal bevat een koolstof atoom 6 neutronen en 6 protonen in zijn kern en zal dus een massa van twaalf hebben, en er vliegen 6 negatief geladen elektronen rond een koolstof kern waardoor de kern met 6 positieve ladingen (van de 6 protonen) geneutraliseerd worden. Een stikstof atoom heeft 7 protonen, 7 neutronen en dus een massa van 14 en rond de kern zweven 7 elektronen (figuur 2).
De lucht, zeg maar de atmosfeer, bestaat uit iets minder dan 80% stikstof en iets minder dan 20% zuurstof. Al de andere gassen maken tezamen nauwelijks 1% uit. De kosmische straling, voornamelijk afkomstig van de zon vormt hetgeen men noemt thermische neutronen in de stratosfeer. Die thermische neutronen botsen in hoofdorde op de kern van stikstofatomen, waardoor ofwel een neutron ofwel een proton uitgeslagen wordt. Indien een neutron wordt weggekatapulteerd gebeurt er niks want een neutron wordt vervangen door een neutron en het stikstof atoom blijft stikstof. Maar wanneer een proton wordt weggekaatst en vervangen wordt door een neutron dan bekomen we een element met 8 neutronen en 6 protonen (massa 14, en 6 protonen en dus is het nu een koolstof atoom geworden, zie figuur hieronder).

Elk licht element waar de verhouding van protonen en neutronen ongelijk is, blijkt onstabiel te zijn en zal proberen deze verhouding protonen over neutronen te corrigeren naar 1. Een teveel aan neutronen binnen in één kern kan verminderd worden door één neutron (met massa 1 en lading 0) op te splitsen in een proton (met massa 1 en lading +1) en elektron (massa 0 en lading -1). Het elektron wordt vanuit de kern weggezonden en deze straling, ook radioactieve beta-straling genoemd kan men waarnemen en meten met een Geiger-Müller teller. De snelheid van het verval van koolstof-14 (8 neutronen en 6 protonen) naar stikstof (7 neutronen en 7 protonen) door omzetting van 1 neutron naar 1 proton gebeurt met een halveringstijd van 5730 jaar. Met andere woorden: wanneer men X atomen koolstof-14 op tijdstip T heeft, dan zullen die vervallen zijn tot de helft (zijnde X/2) na 5730 jaar. Na nog een periode van 5730 jaar zal het aantal koolstof-14 atomen X/4 zijn, enzoverder (figuur 2).

De hoeveelheid koolstof-14 die per tijdseenheid in de stratosfeer aangemaakt wordt na beschieten van stikstof door kosmische straling is exact evenveel als er nadien terug vervalt naar stikstof. De aanmaak en verval zijn in perfect evenwicht (behalve in het jaar 775 en 993 na Christus toen er extra veel kosmische straling op aarde toekwam). De koolstof-14 atomen zullen snel verbinding aangaan met zuurstof tot vorming van CO2 (het broeikasgas). De CO2 (zowel met koolstof-12 als met koolstof-14) wordt door planten opgenomen en omgezet door fotosynthese tot suikers (zetmeel of cellulose). Dieren eten de planten, en mensen eten dieren en planten. Dus krijgen dieren en mensen zolang ze eten behalve de normale lading aan koolstof-12 ook een minieme maar constante hoeveelheid koolstof-14 binnen, die we gaan gebruiken in onze eiwitten, lipiden of genetisch materiaal. Wanneer planten, dieren of mensen sterven dan nemen ze geen koolstof meer op. De koolstof-12 blijft constant en de onstabiele koolstof-14 vervalt naar halve waarden in 5730 jaar.

Als we nu een staal nemen van een boom of een mummie en daar de verhouding van koolstof-14 op koolstof-12 bepalen dan weten we wanneer die boom geveld werd of die mens overleden is. Dit is goed te meten voor organismen die 1.000 tot 57.300 jaar geleden geleefd hebben. Korter in de tijd is er nog onvoldoende koolstof 14 vervallen en na 10x de halveringstijd van koolstof-14 blijft er te weinig over om de hoeveelheid resterend koolstof-14 nog met zekerheid te detecteren.

[Een bijdrage van Serge Muyldermans]