Effetto serbatoio marino del radiocarbonio

  • Il carbonio-14 o radiocarbonio si forma continuamente nell’atmosfera.
  • In teoria, la concentrazione di radiocarbonio nell’atmosfera è la stessa di quella presente negli oceani e nella biosfera, grazie all’equilibrio.
  • A causa dell’effetto serbatoio marino, il contenuto di radiocarbonio degli organismi terrestri non è lo stesso di quello degli organismi marini.
  • I fattori di correzione dell’effetto serbatoio marino nei vari oceani del mondo sono stati stabiliti e registrati in un database.
  • I molluschi con conchiglia sono le specie più frequentemente sottoposte a datazione al radiocarbonio.
Shells

Le basi della datazione al radiocarbonio includono la presupposizione della presenza di un livello di carbonio-14 costante nell’atmosfera e quindi, attraverso l’equilibrio, in tutti gli organismi viventi. Il carbonio-14 è un isotopo naturale dell’elemento carbonio e viene anche chiamato radiocarbonio, poiché instabile e debolmente radioattivo.

Un’altra caratteristica del carbonio-14 è la sua costante formazione nell’alta atmosfera per causa della reazione tra i neutroni prodotti dai raggi cosmici e gli atomi di azoto. Questi atomi di carbonio-14 reagiscono istantaneamente con l’ossigeno presente nell’atmosfera per formare anidride carbonica. L’anidride carbonica formata con il carbonio-14 è indistinguibile dall’anidride carbonica che contiene gli altri isotopi del carbonio; per questo motivo il percorso del carbonio-14 in oceani, piante e altri organismi viventi è lo stesso del carbonio-12 e carbonio-13.

Si presume inoltre l’esistenza di un equilibrio tra la formazione del carbonio-14 e il suo decadimento e della conseguente presenza di un livello costante di carbonio-14 nell’atmosfera in un dato momento qualsiasi nel passato, fino ad oggi.

Tali ipotesi, tuttavia, non rappresentano il quadro reale. Esistono vari fattori da tenere in considerazione, perché sono in grado di influenzare la concentrazione globale di carbonio-14 e quindi anche quella di qualsiasi campione sottoposto alla datazione al radiocarbonio.

Ciclo globale del radiocarbonio

L’atmosfera, gli oceani e la biosfera sono serbatoi di radiocarbonio con concentrazioni variabili. Il radiocarbonio formato nell’atmosfera si discioglie negli oceani sotto forma di anidride carbonica e contemporaneamente viene assimilato dalle piante attraverso la fotosintesi ed entra nella catena alimentare. Questo è il modo in cui gli organismi terrestri assorbono il carbonio-14 nei propri sistemi.

Gli organismi marini e chi se ne ciba assorbono il carbonio-14 dal processo di scambio (sotto forma di anidride carbonica) nell’atmosfera e nell’oceano o in un qualsiasi bacino d’acqua. Tuttavia, il contenuto di carbonio-14 negli strati superficiali e nelle profondità degli oceani non è lo stesso; di conseguenza, non tutti gli organismi marini hanno lo stesso contenuto di radiocarbonio.

Effetto serbatoio marino

È necessario tenere in considerazione molti fattori quando si misura il contenuto di un dato campione, uno dei quali è il contenuto di radiocarbonio dell’animale o della pianta quando questi erano in vita, oltre al loro ambiente di provenienza.

Questo è particolarmente importante quando si confrontano campioni di organismi terrestri e di altri che hanno assimilato radiocarbonio dall’ambiente marino. Sebbene gli organismi abbiano la stessa età, non hanno lo stesso contenuto di carbonio-14 e potrebbero quindi presentare una diversa età radiocarbonica.

Gli oceani sono grandi serbatoi di carbonio-14. Le superfici degli oceani e degli altri bacini d’acqua hanno due fonti di radiocarbonio – l’anidride carbonica atmosferica e le acque profonde degli oceani. Queste ultime ottengono il carbonio-14 dallo scambio con le acque superficiali, oltre che dal decadimento radioattivo già in atto al loro livello. Studi dimostrano che l’equilibrio dell’anidride carbonica (con il carbonio-14) nelle acque superficiali avviene nell’ordine di 10 anni. Il grado di equilibrio dell’anidride carbonica nelle acque profonde resta sconosciuto.

Le datazioni al radiocarbonio di organismi terrestri e marini di età equivalente presentano una deviazione di età radiocarbonica di circa 400 anni. Gli organismi terrestri come gli alberi ottengono il carbonio-14 principalmente dall’anidride carbonica atmosferica, a differenza degli organismi marini. Campioni provenienti da organismi marini come conchiglie, balene e foche appaiono molto più antichi.

Un altro fattore da tenere in considerazione è che la magnitudine dell’effetto serbatoio marino non è identica in tutte le aree. L’upwelling, ovvero la risalita di acque profonde verso gli strati superficiali, dipende dalla latitudine e si verifica principalmente nelle regioni equatoriali. Anche la forma della costa, la topografia del fondale oceanico, gli alisei, il vento ed il clima locali contribuiscono alla risalita di acque profonde (upwelling).

Secondo uno studio pubblicato nel 1972 da J. Mangerud, la variazione globale dell’effetto serbatoio marino evidente nei carbonati delle conchiglie dipende dall’incompleta miscelazione delle acque soggette a upwelling, che contengono carbonati inorganici “antichi” provenienti dalle acque oceaniche profonde dove i lunghi tempi di residenza superiori a 1.000 anni causano il decadimento dell’attività del carbonio-14, risultando in un’età radiocarbonica apparente estremamente antica.

Come determinare gli effetti serbatoio marino?

Esistono tre metodi per determinare le differenze regionali nell’effetto serbatoio marino, come elencati da Sean Ulm in una relazione del dicembre 2006:

  • La datazione al radiocarbonio diretta di campioni marini di età storica conosciuta raccolti vivi prima del 1955 DC;
  • La datazione al radiocarbonio di coppie di campioni di conchiglie/carbone provenienti da contesti archeologici ad elevata integrità che si ritengono contemporanei, e
  • La datazione al radiocarbonio e/o la datazione abbinata radiocarbonio/uranio-torio (torio-230 e uranio-234) di coralli vivi o conchiglie a vita lunga e chiare fasce di crescita annuale.

Correzione per l’effetto serbatoio marino

I campioni terrestri e marini non possono essere paragonati o associati senza tenere conto dell’effetto serbatoio marino del radiocarbonio. I fattori di correzione per i diversi oceani del mondo si trovano in un database online, il Marine Reservoir Correction Database, finanziato in parte dall’Institute for Aegean Prehistory. La correzione reale varia a seconda della posizione, a causa della complessa circolazione oceanica.

Il database è anche rivolto all’uso in programmi di calibrazione del radiocarbonio come CALIB (Stuiver e Reimer, 1993) o OxCal (Bronk Ramsey 1995) che utilizzano il set dati di calibrazione marina del 2013.

Correzione dell’effetto serbatoio locale (Delta±R)

Il valore Delta±R viene applicato solo ai carbonati marini.

A seconda dell’età del carbonato marino, viene applicata automaticamente una correzione di 200-500 anni (ovvero la correzione del serbatoio marino globale) a tutti i campioni. L’applicazione di questa correzione automatica significa che la data radiocarbonica viene resa più recente, poiché sono necessari da 200 a 500 anni perché l’anidride carbonica moderna presente nell’atmosfera sia incorporata e distribuita (equilibrata) nella colonna d’acqua oceanica.

Successivamente alla correzione dell’effetto serbatoio globale, al campione viene applicata anche la correzione Delta±R. Il valore fornito dal cliente viene sottratto o aggiunto a questa età corretta (a seconda che si tratti di un valore Delta+R o Delta–R). Nota: Un valore Delta-R negativo renderà maggiore l’età del campione (si presume una diluizione con acqua dolce rispetto alla media globale dell’acqua marina).

Gli esempi di report seguenti mostrano la differenza tra una data radiocarbonica di 1000 +/-30 BP con Delta R di 0+/-0 (ovvero esclusivamente con la correzione dell’effetto serbatoio marino globale) ed una data radiocarbonica di 1000 +/-30BP con Delta R di 222+/-35 e la correzione dell’effetto serbatoio marino globale inclusa.

calibration

Effetto acqua dura

I sistemi d’acqua dolce che scorrono attraverso le rocce calcaree o che sono alimentati da sorgenti antiche possono produrre età falsamente antiche, quando i carbonati sono sottoposti alla datazione AMS. Il carbonio inorganico disciolto (DIC) utilizzato dagli organismi per formare la conchiglia o coinvolto nella precipitazione delle concrezioni carbonatiche sarà più vecchio rispetto alla data effettiva di formazione, a causa del DIC antico proveniente dal calcare. Questo effetto prodotto dal calcare è chiamato “effetto acqua dura”. Nei sistemi idrici alimentati da acqua antica, che ricevono perciò DIC antico, è possibile osservare lo stesso effetto. Entrambi i fenomeni possono essere classificati come “effetti serbatoio”.

Il modo migliore di individuare la compensazione dell’effetto serbatoio è analizzare materiali organici associati alle conchiglie, che non sono soggetti a questo effetto. Solitamente, il carbone o i semi trovati in associazione con i carbonati vengono sfruttati per comparare le età radiocarboniche e la differenza viene utilizzata per correggere l’età delle conchiglie.

Se il ricercatore non è al corrente di alcun effetto serbatoio, il laboratorio raccomanda di consultare la letteratura e di comprendere a fondo i sistemi geologici che forniscono acqua al sito di campionamento.

Datazione al carbonio di conchiglie di mollusco

Di tutte le specie di conchiglie sottoposte negli anni alla datazione al radiocarbonio, quelle dei molluschi sono state quelle più analizzate. Queste conchiglie hanno sia componenti organici che inorganici. La conchiolina, il componente organico, è solo una minima porzione dell’intero campione. Per questo motivo le misurazioni al radiocarbonio vengono solitamente effettuate sul componente inorganico, il carbonato di calcio.

La datazione al radiocarbonio dei carbonati delle conchiglia pone molti problemi. I carbonati hanno una discreta solubilità ed interagiscono chimicamente con l’ambiente circostante non permettendo di garantire la precisione dei risultati della datazione al carbonio-14. I risultati devono inoltre tenere in considerazione degli effetti serbatoio marino e gli effetti acqua dura.