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Articolo pubblicato il 17-04-2005
di Filippo Terrasi
Ordinario di Fisica Applicata ai Beni Culturali e Ambientali
Dipartimento di Scienze Ambientali della Seconda Università di Napoli
Responsabile dell'Area Diagnostica del Centro di Competenza Regionale INNOVA
Numero 15 - Anno 2
17 Aprile 2005
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 CIRCE: un nuovo laboratorio per lo studio dei beni culturali e ambientali
E' recentemente entrato in funzione a San Nicola La Strada (Caserta) un nuovo sistema di spettrometria di massa ultrasensibile (AMS, Accelerator Mass Spectrometry), basato su un acceleratore tandem da tre milioni di Volt, che consente, tra l'altro, di datare con elevata precisione reperti di origine organica di età non superiore a circa 50.000 anni. L'installazione di questa apparecchiatura di avanguardia si inquadra nel progetto di potenziamento delle strutture di ricerca del Centro di Competenza INNOVA della Regione Campania, ed è stata curata dal Dipartimento di Scienze Ambientali della Seconda Università di Napoli.
Essa costituisce la punta di diamante del Centro di Ricerche Isotopiche per i Beni Culturali e Ambientali (CIRCE), costituito da un sistema integrato di laboratori che opera nel settore della ricerca e dei servizi ad alto contenuto tecnologico applicati allo studio e alla conservazione del patrimonio culturale e ambientale. Nel centro si stanno concentrando una serie di apparecchiature all'interno di laboratori di trattamento dei campioni in condizioni di bassissima contaminazione, di Spettrometria di Massa convenzionale (IRMS), di Spettrometria laser, di Ecologia, di Radioattività ambientale, di Botanica ambientale, di Cartografia territoriale, di Geologia e di Pedologia. Tali laboratori usufruiranno di infrastrutture tecniche comuni e potranno costituire un centro integrato di servizi per l'Archeologia e l'Ambiente in grado di offrire servizi di analisi ad alto contenuto tecnologico, effettuare attività di ricerca e sviluppo per ampliare la gamma dei servizi offerti, sviluppare metodologie e tecniche per il trasferimento tecnologico, formare personale ad alta qualificazione, agire da polo di attrazione per attività di incubatore di impresa, dare luogo a spin-off di ricerca.
Fig. 1 - Il sistema di spettrometria di massa con acceleratore CIRCE
Il metodo del Radiocarbonio
La datazione di reperti di varia natura di età compresa tra 0 e circa 50.000 anni può essere effettuata utilizzando il metodo del Radiocarbonio, purché essi contengano Carbonio di origine organica, come è il caso per carbone, legno, tessuti, ossa, paleosuoli, etc. Il carbonio presente in natura è costituito da due isotopi stabili (il 12C per il 98.9% e il 13C per l'1,1%), ed uno radioattivo, il 14C, che ha una vita media di 8266 anni ed un'abbondanza inferiore a una parte su 1012. Il Carbonio contenuto in tutti gli organismi viventi della biosfera terrestre ha, grazie ai processi di scambio che caratterizzano il ciclo biologico dell'elemento (fotosintesi e metabolismo di piante ed animali), la stessa composizione isotopica del carbonio dell'anidride carbonica atmosferica1.
I neutroni secondari prodotti dalla interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera, interagendo a loro volta con un isotopo dell'azoto atmosferico (14N), danno luogo, prevalentemente nella stratosfera ad alte latitudini, alla produzione di 14C tramite una reazione nucleare di scambio carica (n,p). Il 14C radioattivo si lega all'ossigeno atmosferico formando una molecola di 14CO2; studi sulla circolazione su grande scala dell'atmosfera hanno mostrato che sono sufficienti pochi anni perché l'anidride carbonica così prodotta sia perfettamente mescolata a quella contenente gli altri isotopi del Carbonio, così che il rapporto isotopico 14C/12C dell'anidride carbonica atmosferica è indipendente dalla latitudine, longitudine e altitudine considerate.
Nel corso dei primi millenni seguenti la formazione dell'atmosfera terrestre, il bilancio tra produzione e decadimento radioattivo del 14C ha raggiunto l'equilibrio, in modo che, se si suppone che il tasso di produzione di radiocarbonio non abbia subito variazioni nel tempo2, il rapporto isotopico 14C/12C dell'anidride carbonica atmosferica può essere considerato costante almeno da alcune centinaia di migliaia di anni a questa parte. In base a quanto detto sopra, anche il carbonio di un organismo è caratterizzato da un rapporto isotopico costante fino alla sua morte biologica. Da questo momento in poi, invece, il rapporto isotopico decresce continuamente secondo la nota legge esponenziale caratterizzata dalla vita media del 14C.
E' chiaro quindi come dalla misura del tasso di decadimento (metodo radiometrico) o dell'abbondanza relativa (spettrometria di massa) attuali in un reperto è possibile ottenere il tempo trascorso dall'evento considerato. Con il metodo radiometrico il rapporto isotopico è misurato attraverso il conteggio delle particelle ß emesse dal 14C contenuto nel campione, effettuato in un contatore. Per un campione relativamente recente, al fine di ottenere una precisione dell'ordine di alcune decine di anni sono tipicamente necessarie almeno alcune decine o centinaia di grammi di carbonio e alcune decine di ore di misura.
La Spettrometria di Massa con Acceleratore
L'identificazione ed il conteggio diretto degli atomi di 14C presenti nel campione è invece possibile, con quantità che in molti casi sono inferiori al milligrammo, utilizzando un acceleratore come elemento base di uno spettrometro di massa ad alta energia. La tecnica AMS è detta ultrasensibile proprio perché, sfruttando le elevate energie impresse dall'acceleratore alle specie atomiche e molecolari estratte dal campione, consente di ridurre drasticamente il fondo di isobari e isotopi interferenti. Il problema, infatti, è identificare gli ioni di 14C rispetto alle altre specie atomiche e molecolari di massa vicina. Anche se questi contaminanti sono presenti in traccia nel campione, essi saranno in ogni caso di molti ordini di grandezza più abbondanti dell'isotopo raro. Si pone quindi il problema di sopprimere con altissima efficienza tali interferenze tramite una analisi dispersiva. Nei sistemi AMS ciò è realizzato facendo subire al fascio di ioni, nel suo percorso dalla sorgente fino al rivelatore finale, una serie di deflessioni da parte di campi elettrici e magnetici che costituiscono dei "filtri" la cui combinazione si traduce in una straordinaria sensibilità selettiva. E' così possibile identificare e contare individualmente, nel rivelatore finale, gli atomi di 14C presenti nel campione e quindi la sua abbondanza rispetto all'isotopo stabile, che fornisce una misura dell'età del reperto.
Fig. 2 - La sorgente di ioni dell' acceleratore CIRCE
Le attività del laboratorio CIRCE
Il sistema recentemente installato consente di ottenere prestazioni, sia in termini di precisione dei risultati che di numero di datazioni effettuabili, largamente superiori a quelle già ottenute dallo stesso gruppo in precedenti programmi di ricerca utilizzando un sistema AMS installato presso il DTL dell'Università di Bochum (D). Sarà quindi possibile avviare, accanto ad una attività di servizio ad alto contenuto tecnologico, una serie di progetti di ricerca multidisciplinare sia nel settore archeologico che in quello ambientale. L'attività di servizio riguarda soprattutto la datazione di reperti di particolare interesse storico, artistico e archeologico.
Fig. 3 - Il papiro di Epicuro rinvenuto nella villa dei papiri di Ercolano, datato con AMS
Fig. 4 - Il recinto delle capre rinvenuto nel sito di Nola
Un altro progetto di ampio respiro riguarda la costruzione di curve di riferimento dendrocronologiche. Come detto sopra, la datazione di reperti con il metodo AMS fornisce risultati che sono tipicamente affetti da errori statistici sull'età di circa 25-30 anni, per campioni databili fino ad alcune migliaia di anni. Il grosso vantaggio della tecnica è di essere praticamente non distruttiva e di applicabilità generale a qualsiasi reperto di origine organica. Un'altra peculiarità del metodo è che il risultato della datazione è totalmente indipendente dalla localizzazione geografica del reperto. Al contrario, la datazione dendrocronologia di legni consente una accuratezza nella determinazione dell'età relativa che può arrivare ad un anno, se la risoluzione consente l'osservazione dei singoli anelli di accrescimento. Per contro, la tecnica non consente una datazione assoluta (se non si conosce la data esatta dell'anello più esterno, come avviene di solito salvo nel caso di un albero ancora in vita) e, soprattutto di essere basata su sequenze di spessori degli anelli di accrescimento che variano da una zona climatica ad un'altra. Il problema dell'"aggancio" della serie dendrocronologia relativa ad una età assoluta viene di solito affrontato confrontando la oscillazioni della sequenza con quelle di serie dendrocronologiche calibrate nella stessa zona climatica. Una tale mappatura sistematica in area mediterranea è carente, e si ricorre di solito a mappature centroeuropee, che potendo essere influenzate da condizioni climatiche affatto diverse, possono condurre ad errori o incertezze anche rilevanti. La possibilità di effettuare centinaia di datazioni radiocarboniche su sequenze dendrocronologiche tipiche di ambiti climatici diversi può fornire, attraverso il riconoscimento delle oscillazioni tipiche del tenore di radiocarbonio in atmosfera, la ricostruzione di una mappatura utilizzabile in ambito locale con affidabilità molto maggiore di quella oggi ottenibile.
Fig. 5 - Carotaggio ed analisi di anelli di accrescimento di alberi
Fra questi ultimi, il sito di Lajatico (PI) offre una concreta possibilità per la comprensione degli effetti dell'incremento della CO2 sulla vegetazione caratteristica del bacino mediterraneo (Macchia). Tutti gli studi condotti in questo sito hanno utilizzato come ipotesi di lavoro l'assunto che le emissioni di CO2 dalla scaturigine si fossero mantenute più o meno costanti nel tempo e che, quindi, la vegetazione avesse subito, durante il suo sviluppo, una esposizione ad un atmosfera arricchita costantemente della stessa quantità in CO2 (ipotesi di esposizione costante). Al fine di verificare l'ipotesi di esposizione costante, è stata effettuata una ricostruzione storica dei livelli di concentrazione di CO2 nell'atmosfera del sito di Lajatico ricorrendo ad una misurazione del tenore di 14C in carote di legno estratte da alberi cospecifici (Quercus pubescens L.) cresciuti in prossimità della sorgente di emissione e distante da questa (i.e. dove non si verifica più arricchimento) lungo un transetto.
Questa operazione è resa possibile dalle forti differenze tra le due sorgenti concorrenti all'arricchimento (atmosfera ed emissione fossile) in termini di marcatura isotopica per il 14C. Considerando che ciascun anello di legno conserva intatta nel tempo la composizione isotopica dell'atmosfera da cui ha estratto la CO2 utilizzata per sintetizzare nuova biomassa, mediante la datazione dendrocronologica delle carote è stato possibile ottenere i riferimenti temporali (anni) ed applicare un bilancio di massa isotopico finalizzato alla quantificazione dei livelli di esposizione totale alla CO2 nel sito e dell'attività emissiva della sorgente fossile. Utilizzando gli individui cresciuti all'interno dell'area arricchita come indicativi dei contenuti isotopici dell'atmosfera del sito, quelli esterni all'area arricchita (punti terminali del transetto) come indicativi dei contenuti isotopici dell'atmosfera non arricchita (controllo) e, conoscendo le concentrazioni di CO2 atmosferica, è stato possibile eseguire la ricostruzione storica per un periodo compreso tra il 1964 ed 1998. I livelli totali di CO2 per il sito di Lajatico nell'intervallo considerato si attestano intorno ad un valore medio di 651±20 ppm ed è interessante notare come, intorno agli anni ottanta, si localizzi un picco (736±8 ppm) con un andamento regolare distribuito nell'intervallo 1970-1990, probabilmente dovuto all'incremento dell'attività emissiva della sorgente fossile che, pur stabilizzandosi intorno ad un valore medio di 320±21 ppm, rispecchia lo stesso comportamento dell'esposizione totale con un picco pari a 410 ppm nello stesso periodo.
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Autore: Filippo Terrasi
Ordinario di Fisica Applicata ai Beni Culturali e Ambientali
Dipartimento di Scienze Ambientali della Seconda Università di Napoli
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