Datación por Carbono 14

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La datación por radiocarbono es probablemente el método de datación numérica más conocido que utilizan los arqueólogos y uno de los métodos de datación isotópica más practicados. El elemento carbono forma parte de todos los organismos vivos y antaño vivos de la Tierra, y existen varios isótopos diferentes del carbono.

Historia de la Datación por Carbono 14

La ciencia del clima exigía la invención y el dominio de muchas técnicas difíciles. Éstas tenían trampas, que podían dar lugar a controversias. Un ejemplo del ingenioso trabajo técnico y de los reñidos debates que subyacen a la historia principal es el uso del carbono 14 radiactivo para asignar fechas al pasado lejano.

La prodigiosa movilización de la ciencia que produjeron las armas nucleares tuvo tal alcance que revolucionó incluso el estudio de los climas antiguos. Los laboratorios nucleares, inundados de fondos y prestigio, impulsaron el descubrimiento de una nueva y sorprendente técnica: la datación por radiocarbono. El isótopo radiactivo carbono-14 se crea en la atmósfera superior cuando las partículas de rayos cósmicos del espacio exterior golpean los átomos de nitrógeno y los transforman en carbono radiactivo. Una parte del carbono 14 puede llegar a los seres vivos. Tras la muerte de una criatura, el isótopo se desintegra lentamente durante milenios a un ritmo fijo. Por tanto, cuanto menos carbono quedara en un objeto, en proporción al carbono normal, más viejo sería el objeto. En 1950, Willard Libby y su grupo de la Universidad de Chicago habían encontrado la forma de medir esta proporción con precisión. Sus instrumentos, de una sensibilidad exquisita, se desarrollaron originalmente para estudios en campos totalmente diferentes, como la física nuclear, la biomedicina y la detección de la lluvia radiactiva de las pruebas de bombas.

Gran parte del interés inicial por el carbono 14 procedía de la arqueología, ya que el isótopo podía asignar fechas a las momias egipcias y similares. En cuanto a periodos aún más tempranos, la datación por carbono-14 entusiasmó a los científicos (incluidos algunos climatólogos) en gran medida porque podría arrojar luz sobre la evolución humana: el momento de nuestro desarrollo como especie y cómo los cambios climáticos habían afectado a la misma. Fue especialmente fascinante descubrir que nuestra especie particular de humanos surgió hace unos 100.000 años, sin duda profundamente influenciada por las edades de hielo. Unos pocos científicos se dieron cuenta de que las técnicas también podrían ser útiles para el estudio del clima en sí.

Desde sus orígenes en Chicago, la datación por carbono-14 se extendió rápidamente a otros centros, por ejemplo, el grandilocuente Laboratorio de Geocronometría de la Universidad de Yale. La mejor manera de trasladar las técnicas de precisión fue en la cabeza de los propios científicos, cuando se trasladaban a un nuevo trabajo. Los trucos también se difundían a través de las visitas entre laboratorios y en las reuniones, y a veces incluso a través de las publicaciones. Por supuesto, había que excluir fanáticamente cualquier contaminación de una muestra por carbono externo (incluso por las huellas dactilares del investigador), pero eso era sólo el principio. Se necesitaban operaciones delicadas para extraer una muestra microscópica y procesarla. Para obtener una masa lo suficientemente grande como para manipularla, había que incrustar la muestra en otra sustancia, un “soporte”. Al principio se utilizó acetileno, pero algunos trabajadores señalaron con pesar que el gas “nunca estaba totalmente libre de explosiones, como sabemos por experiencia”. Se encontraron formas de utilizar dióxido de carbono en su lugar. Las incertidumbres frustrantes prevalecieron hasta que los trabajadores comprendieron que sus resultados debían ajustarse a la temperatura de la habitación e incluso a la presión barométrica.

Todo esto era el tipo habitual de resolución de problemas de laboratorio, una cuestión de resolver las dificultades estudiando sistemáticamente uno u otro detalle durante meses. Más inusual fue la necesidad de colaborar con todo tipo de personas en todo el mundo, para reunir materiales orgánicos para su datación. Por ejemplo, Hans Suess contó con diversos ayudantes para recoger fragmentos de árboles centenarios de diversos rincones de Norteamérica. Buscaba el carbono que la industria humana había emitido al quemar combustibles fósiles, en los que todo el carbono-14 se había descompuesto hacía tiempo. Comparando la madera antigua con muestras modernas, demostró que el carbono fósil podía detectarse en la atmósfera moderna.

A partir de la década de 1950, los investigadores del carbono 14 publicaron tablas detalladas de fechas obtenidas minuciosamente a partir de muestras de una maravillosa variedad de materiales, como carbón vegetal, turba, conchas de almejas, cuernos, piñas y el contenido del estómago de un moa extinto encontrado en Nueva Zelanda.(6) Las mediciones se correlacionaron con materiales de fechas conocidas, como una momia bien documentada o un tronco del tejado de un edificio antiguo (donde los anillos de los árboles proporcionaban un recuento preciso de los años). A continuación, los resultados se compararon con las secuencias temporales tradicionales derivadas de depósitos glaciares, núcleos de arcilla del fondo marino, etc. Una de las aplicaciones era un calendario de cambios climáticos para decenas de miles de años atrás. Muchas de las cronologías tradicionales resultaron ser mucho menos precisas de lo que los científicos creían (véase más detalles), lo que supuso un duro golpe para algunos que habían dedicado décadas de su vida a este trabajo.

Para dificultar aún más el trabajo, aparecieron anomalías desconcertantes. Las fechas del carbono 14 publicadas por diferentes investigadores no podían conciliarse, lo que provocó confusión y una prolongada controversia (se puede examinar algunos de estos temas en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fue una época angustiosa para los científicos, cuya reputación por su trabajo preciso estaba en juego. Pero lo que parece un ruido inoportuno para un especialista puede contener información para otro. En 1958, Hessel de Vries, en los Países Bajos, demostró que había anomalías sistemáticas en las fechas de carbono 14 de los anillos de los árboles. Su explicación fue que la concentración de carbono-14 en la atmósfera había variado con el tiempo (hasta un 1%).

De Vries pensó que la variación podría explicarse por algo relacionado con el clima, como los episodios de renovación de las aguas oceánicas. Otra posible explicación era que, en contra de lo que todo el mundo suponía, el carbono-14 no se creaba en la atmósfera a un ritmo uniforme. Algunos especularon que tales irregularidades podrían estar causadas por variaciones en el campo magnético de la Tierra. Un campo más intenso tendería a proteger al planeta de las partículas procedentes del Sol, desviándolas antes de que pudieran llegar a la atmósfera para crear carbono-14.

Otra posibilidad era que la causa estuviera en el propio Sol. De Vries había barajado esta hipótesis, pero la consideró ad hoc y “poco atractiva”(8). Sin embargo, los especialistas solares sabían que el número de partículas disparadas por el Sol varía con el ciclo de once años de las manchas solares. Además, el propio campo magnético del Sol varía con el ciclo, y eso podría cambiar la forma en que las partículas cósmicas bombardean la Tierra. En 1961, Minze Stuiver sugirió que las variaciones solares a más largo plazo podrían explicar las inconsistentes fechas del carbono 14. Pero sus datos eran incompletos. Pero sus datos eran incompletos. Libby, por su parte, puso en duda la idea, tan subversiva para las numerosas fechas que su equipo había establecido supuestamente con gran precisión.

Suess y Stuiver finalmente precisaron la respuesta en 1965, analizando cientos de muestras de madera fechadas a partir de anillos de árboles. La curva de producción de carbono-14 mostraba variaciones innegables, “meneos” de unos pocos porcentajes en una escala de tiempo de un siglo más o menos.(10) Con esta recalibración en la mano, impulsada por las constantes mejoras en los instrumentos y las técnicas, el carbono-14 se convirtió en una herramienta precisa para datar materiales orgánicos antiguos. (En la década de 1980, los expertos podían datar una mota casi demasiado pequeña para verla y con varias decenas de miles de años de antigüedad). El seguimiento del carbono-14 también resultó muy útil en los estudios históricos y contemporáneos del presupuesto global del carbono, incluido el movimiento del carbono en los océanos y sus complejos viajes dentro de los ecosistemas vivos.

Resultaba especialmente interesante que, tal y como había sospechado Stuiver, los meneos del carbono 14 se correlacionaran con los cambios a largo plazo en el número de manchas solares. Dándole la vuelta, Suess comentó que “las variaciones abren una oportunidad fascinante para percibir los cambios en la actividad solar durante los últimos miles de años”(11) Las anomalías eran una prueba de algo que a muchos científicos les resultaba difícil de creer: la actividad de la superficie del Sol había variado sustancialmente en los últimos milenios. El carbono 14 podría no sólo proporcionar fechas para los cambios climáticos a largo plazo, sino señalar una de sus causas.

Datos verificados por: Chris

¿Por qué y cómo calibramos las fechas de radiocarbono?

Las primeras aplicaciones de la datación por radiocarbono suponían que la relación 14C/12C en la atmósfera era fija, pero no es así. Las discrepancias entre las fechas de los objetos y las fuentes escritas provocaron una considerable investigación para determinar si se podía desarrollar un modelo del carbono atmosférico de forma que las mediciones de radiocarbono en los laboratorios pudieran calibrarse con años naturales.

Para obtener datos secuenciales sobre los cambios en las proporciones de carbono atmosférico, los científicos recurrieron a los anillos de los árboles, que se forman anualmente y conservan un registro de las condiciones ambientales de un año a otro. La observación y el análisis minuciosos de las especies arbóreas longevas condujeron al desarrollo de la primera curva de calibración del radiocarbono, que mostraba detalles de las fluctuaciones a largo y corto plazo de las proporciones de carbono atmosférico que se extendían miles de años en el pasado. Los datos de los anillos de los árboles, en forma de dendrocronologías establecidas, siguen utilizándose para calibrar las fechas de radiocarbono, junto con otras secuencias, como corales, varves, foraminíferos y espeleotemas. Debido a la mayor influencia marítima de la mayor extensión de los océanos en el hemisferio sur, los organismos del hemisferio sur asimilan cantidades de radiocarbono diferentes a las de los organismos del hemisferio norte, por lo que se han tenido que desarrollar curvas de calibración separadas para los hemisferios norte y sur. Como estas curvas de calibración fluctúan, las fechas no son puntos en el tiempo sino curvas de probabilidad que pueden modelizarse utilizando una serie de enfoques estadísticos (véase la subsección “Más probable que absoluto”).

Existe una gran variedad de programas informáticos de libre acceso para calibrar y modelizar datos radiocarbónicos brutos. Los principales programas de calibración en línea son Calib, Calpal y OxCal. RCarbon es un paquete de calibración y modelización para el programa estadístico R.

Los arqueólogos distinguen entre la fecha de radiocarbono sin calibrar y la fecha calibrada utilizando las unidades pb (“antes del presente”, es decir, 1950) y cal BP (o cal BCE/CE) donde “cal” significa calibrado, aunque la notación ha cambiado con el tiempo y es necesario tener cierto cuidado para evaluar qué escala temporal se está comunicando. Debido a su semivida relativamente corta, el radiocarbono sólo es útil para datar material de los últimos c.50.000 años.

Las tefrocronologías son menos conocidas que la datación por radiocarbono, aunque los científicos llevan construyéndolas desde la década de 1960 y el campo está bien establecido. Tienen la ventaja de que pueden proporcionar fechas para depósitos de cualquier edad, siempre que haya una capa de tefra y se haya identificado con un acontecimiento volcánico específico. La tefra es una mezcla de cenizas volcánicas, rocas y minerales expulsados por los volcanes durante una erupción. Un penacho de tefra procedente de una gran erupción volcánica puede viajar miles de kilómetros en el viento después de una erupción, cayendo finalmente al suelo y formando depósitos de tefra. Éstos pueden ser visibles a simple vista o requerir largos protocolos químicos e investigaciones microscópicas para encontrarlos en una capa sedimentaria. Siguiendo a Lane y sus colegas, muchos depósitos de tefra son químicamente distintos debido a los procesos que tienen lugar dentro de la cámara magmática. Un análisis cuidadoso de la composición química de la tefra puede “tomar la huella” de un depósito determinado, permitiendo relacionarlo con su erupción volcánica de origen. Dado que una capa de tefra procede de una única erupción volcánica y se deposita simultáneamente después de esa erupción, una vez identificada puede considerarse una isócrona (un acontecimiento que se produce simultáneamente). Esto proporciona una poderosa herramienta para vincular con precisión los yacimientos arqueológicos y los registros paleoambientales. En muchos casos, la capa de tefra también puede proporcionar una estimación numérica de la edad, ya que la tefra puede datarse directamente mediante Ar/Ar. También puede datarse por diversos métodos cuando se encuentra dentro de una secuencia. Por ejemplo, la tefra hallada en un núcleo de hielo puede datarse con precisión mediante el recuento de capas, y la edad de la tefra hallada en secuencias lacustres puede estimarse mediante la datación por radiocarbono del material vegetal de los sedimentos situados por encima y por debajo de la tefra. Esta edad puede entonces transferirse a cualquier depósito en el que se encuentre la tefra.

La datación por luminiscencia, en particular la luminiscencia estimulada ópticamente, se aplica comúnmente a la arqueología de edad pleistocénica (y a periodos cada vez más recientes en los que no se dispone de radiocarbono) y la mayoría de las veces utiliza cuarzo o arena. La ciencia subyacente de las técnicas de luminiscencia es bastante compleja, pero la idea básica es que, con el tiempo, la radiación ionizante procedente del uranio, el torio y el potasio que se encuentran de forma natural en los sedimentos hará que se liberen electrones dentro del cuarzo. Estos electrones pueden quedar atrapados en defectos de la estructura cristalina del cuarzo (la carga atrapada) y vaciarse mediante la exposición a la luz. Así pues, las trampas se vacían (o se ponen a cero) cuando un grano de arena entra en un yacimiento arqueológico y se expone a la luz. Una vez enterrada, la carga atrapada comenzará a acumularse de nuevo en proporción a la cantidad de uranio, potasio y torio del sedimento. Dado que la exposición a la luz vaciaría las trampas, las muestras deben recogerse en la oscuridad, normalmente introduciendo un núcleo en el perfil vertical de una zanja, pero a veces con una cucharilla y una linterna roja mientras las lonas bloquean el sol. En el laboratorio, los granos de cuarzo se exponen a la luz, vaciando de nuevo las trampas de electrones. Cuando se vacían las trampas de electrones, algunas trampas harán que el cristal brille débilmente, o luminiscencia. Midiendo la luminiscencia de los granos y la cantidad de uranio, torio y potasio en el sedimento, podemos determinar la cantidad total de radiación recibida durante el enterramiento y la dosis de radiación por año y calcular así la edad desde el enterramiento. La ventaja de este método, especialmente del OSL, es que puede datar la tierra, es decir, el sedimento dentro del cual se encuentra el material arqueológico.

En la cueva de Riwi, en Australia Occidental, Rachel Wood y sus colegas combinaron la datación por radiocarbono y OSL para datar uno de los refugios rocosos ocupados más antiguos del noroeste de Australia, un yacimiento clave para comprender la expansión humana por el continente. Como se entiende que este proceso de expansión tuvo lugar hace entre 30.000 y 50.000 años, la datación por radiocarbono por sí sola no sería suficiente. Para las fases en las que se disponía tanto de fechas OSL como de radiocarbono, compararon las fechas modeladas y determinaron que ambos métodos coincidían en la secuencia y el escalonamiento y podían considerarse más o menos equivalentemente precisos. La combinación de los métodos, así como el gran número de muestras (cuarenta y cuatro de radiocarbono, treinta y siete de OSL) con información estratigráfica de alta precisión, aumentaron en gran medida la precisión de la datación del yacimiento, lo que les permitió sugerir un periodo de 1.800 años -46.000-44.600 cal BP (95,4% de probabilidad)- durante el cual la cueva fue ocupada por primera vez por personas.

La datación de la ocupación temprana de Sahul -el gran continente que incluye Australia, Papúa Nueva Guinea y bastante tierra que ahora yace bajo el Océano Índico- es uno de los principales focos de atención de los arqueólogos australianos, pero suele interesar bastante menos a los indígenas australianos. Los pueblos de las Primeras Naciones de Australia, al igual que en otras partes del mundo, tienen profundas conexiones personales y cosmológicas con el País, la tierra de la que ellos y su gente proceden y de la que son responsables, y se entienden a sí mismos como si siempre hubieran formado parte de su País. Esto contrasta con la historia arqueológica de la gente que llegó a Australia en algún momento del pasado (actualmente, pensamos que fue en algún momento entre hace 65.000 y 50.000 años).

Estas dos narrativas existen en temporalidades separadas: una regida por la datación numérica y otra por la conexión personal y las relaciones de parentesco. Por ejemplo, el músico y erudito noongar Clint Bracknell explora cómo la canción noongar construye relaciones entre tiempos lejanos y recientes, incorporando nuevas personas, lugares, plantas y animales, a las redes de relación establecidas. Esto da al recién llegado raíces profundas, atándolo a la red de obligaciones que sustenta los lazos pasados y presentes del pueblo noongar con el País. Cuando hacemos el esfuerzo de hablar a través de estas temporalidades divergentes, nuestras narrativas de la secuencia, el linaje, la genealogía y el tiempo se enriquecen. De hecho, la arqueóloga cree-metis Paulette Steeves aunó los conocimientos de las Primeras Naciones y los datos arqueológicos para defender una ocupación de Norteamérica mucho más larga de lo que se acepta tradicionalmente, un resultado controvertido pero estimulante.

Además, la temporalidad -es decir, el flujo del tiempo- no es necesariamente lineal ni regular. Aunque estamos habituados a pensar en el tiempo en términos de un calendario único de fechas que proceden una tras otra del pasado directamente al presente, el tiempo en sí -e incluso los sistemas calendáricos- adoptan formas diferentes. Por ejemplo, la iglesia católica (como muchas otras confesiones cristianas) sigue una serie de calendarios eclesiásticos circulares (es decir, en bucle) incrustados que avanzan cíclicamente: un ciclo anual que sigue una serie de días sagrados y santos a través de estaciones litúrgicas, así como ciclos de lecturas y liturgias en ciclos bienales y trienales separados. Muchos individuos o sociedades diferentes también conceptualizan el tiempo como algo que transcurre según patrones cíclicos, circulares u otros patrones no lineales. Además, tanto los antropólogos como los indígenas observan que la ceremonia, el canto y la danza pueden colapsar las distinciones temporales a nivel individual, uniendo el antes y el ahora en una experiencia singular y encarnada. Estos regímenes temporales pueden coexistir con otros, del mismo modo que el tiempo calendárico europeo coexiste con los calendarios eclesiásticos cíclicos, así como con experiencias personales de lo numinoso que pueden borrar cualquier distancia temporal entre el origen de un texto u objeto sagrado y el encuentro espiritual del religioso con él.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Incluso dentro de un contexto puramente arqueológico, trabajamos constantemente a través de múltiples temporalidades. Las distintas técnicas de datación numérica ofrecen diferentes márgenes de error que dan forma a nuestras cronologías “absolutas”, y las propias fechas son curvas de probabilidad individuales (véase el recuadro “Más probable que absoluto”), por lo que pueden modelarse para contar una variedad de historias, dependiendo de las preguntas de investigación y de las absorciones previas. En cualquier yacimiento, podemos estar hablando de fechas numéricas con rangos de error de decenas a miles de años -es decir, desde una parte de una vida humana hasta decenas de generaciones-, así como trabajando con secuencias estratigráficas, cronologías tipológicas y rasgos arqueológicos que pueden representar desde un acto momentáneo (la pérdida de una herramienta) hasta unas horas de actividad (un único hogar), pasando por días de ocupación (la matanza de un animal grande) o años o más (una casa, un asentamiento o un yacimiento ritual que bien puede incluir sus propios ritmos estacionales). El tiempo es complicado, y por tanto nuestras narrativas temporales también lo son. Esta complejidad es una fuente clave de incertidumbre en el registro arqueológico, pero también es un importante foco de inspiración: puesto que nuestras cronologías son múltiples y no singulares, podemos experimentar con ellas, aplicando diferentes técnicas, modelos o datos para explorar las posibilidades del registro arqueológico y las secuencias de acción humana que conserva.

Más probable que absoluto

Cuando los arqueólogos informan de fechas numéricas en publicaciones, casi siempre proporcionan un rango de edad en lugar de un único año. El rango representa el margen de error de cualquier lectura dada y puede extenderse de años a décadas a siglos o incluso milenios dependiendo del método utilizado, la antigüedad de la fecha, la calidad de la muestra y la calidad del análisis. El objetivo de la datación numérica es ser tan exacta y precisa como sea necesario para investigar un fenómeno determinado. La razón por la que la precisión es importante es porque la fecha puede caer en cualquier lugar dentro del margen de error citado. Por ejemplo, los arqueólogos trabajan normalmente dentro del margen de probabilidad del 95% (o dos sigmas). Si una estimación de la edad de una semilla se sitúa en el intervalo 1769-1615 cal AEC con un 95% de probabilidad, la muestra tiene un 95% de posibilidades de haber crecido entre estas fechas, pero también una posibilidad entre veinte de haber crecido fuera de este intervalo de edad.

Aunque una estimación individual de la edad puede ayudarnos a secuenciar mejor un artefacto o una capa estratigráfica, por sí sola ofrece poca información adicional. Sin embargo, dado que las fechas son probabilidades, no números aislados, existe una gran variedad de técnicas de modelización estadística que pueden aplicarse para hacer mucho más con estos datos, dependiendo del tipo de preguntas que nos planteemos. Varias fechas de un mismo yacimiento pueden modelizarse juntas para refinar secuencias locales o modelizar la edad de fases sin fecha. También hay una variedad de métodos para modelizar fechas de diferentes yacimientos juntas para probar hipótesis estadísticamente, por ejemplo sobre el momento de un cambio en la tecnología o el impacto de la variación climática. Más recientemente, los arqueólogos han estado explorando si grandes conjuntos de fechas de muchos yacimientos podrían modelizarse como proxies demográficos, indicando fases de crecimiento o contracción de la población.

La forma más común de modelización incorpora observaciones arqueológicas a la evaluación de los intervalos de fechas con el fin de crear intervalos de fechas más precisos. Si se dispone de varias fechas de un mismo yacimiento con un buen control estratigráfico o tipológico, es decir, si se comprende bien la secuencia estratigráfica o tipológica de los artefactos y se pueden asignar todas las fechas a fases estratigráficas concretas, entonces se puede construir un modelo que tenga en cuenta esta secuencia utilizando métodos estadísticos bayesianos y asumiendo que las fechas de las capas más antiguas son más antiguas que las de las más recientes. Esto debería reducir el margen de error de todas sus fechas, aumentar su precisión (a veces a la escala de una vida humana) y permitirle modelar fechas para fases en las que no se disponía de muestras para la datación. Estos modelos también son probabilísticos, es decir, tienen márgenes de error, y pueden arrojar resultados diferentes según qué absorciones previas se incorporen y cómo.

En una famosa aplicación, Alex Bayliss y sus colegas modelizaron treinta dataciones del famoso montículo prehistórico de Silbury Hill, en el suroeste de Inglaterra, un yacimiento monumental (tiene 40 m de altura y un diámetro de base de 160 m) que se había datado aproximadamente en el tercer milenio a.C. Presentaron dos modelos, basados en interpretaciones ligeramente distintas de la arqueología. En uno, las distintas fases de construcción tuvieron lugar a lo largo de 140-435 años (con una probabilidad del 95%); en el segundo, la construcción tuvo lugar a lo largo de 1-115 años (con una probabilidad del 95%). Un modelo bayesiano posterior basado en su trabajo sugirió que el montículo se construyó en tres fases entre finales del siglo XXV y finales del siglo XXIII a.C., un periodo que probablemente abarcó entre 55 y 155 años.

Aunque se puede modelizar estadísticamente cualquier tipo de fecha numérica, en la actualidad estos métodos se aplican más comúnmente al radiocarbono, ya que son los datos disponibles más abundantes.

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Recursos

Notas y Referencias

Véase También

Variación solar
Océanos
Biosfera
Ciclos climáticos

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