Capire la datazione al radiocarbonio
Ogni volta che si legge una notizia di archeologia con una data seguita da "a.C." o "d.C.", c'è una buona probabilità che quella data sia stata prodotta, almeno in parte, dalla datazione al radiocarbonio. Willard Libby sviluppò il metodo nel 1949 all'Università di Chicago — per cui ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1960 — e da allora è diventato lo strumento cronologico più diffuso dell'archeologia e delle scienze della Terra per il periodo tra circa 300 e 50.000 anni prima del presente. Prima del radiocarbonio, le date assolute del record preistorico erano quasi completamente inaccessibili; la diffusione del metodo negli anni Cinquanta e Sessanta del Novecento fu una vera rivoluzione epistemologica per l'archeologia mondiale.
Come funziona: il principio fisico
Il carbonio ha tre isotopi naturali: il C-12 e il C-13, stabili, e il C-14, radioattivo. Il C-14 si forma continuamente nella stratosfera superiore quando i raggi cosmici bombardano gli atomi di azoto-14, trasformandoli in carbonio-14 con l'emissione di un protone. L'isotopo si ossida in anidride carbonica (CO2), entra nel ciclo del carbonio atmosferico e viene assorbito da piante e animali come qualsiasi altra molecola di carbonio. Finché un organismo è vivo, il rapporto C-14/C-12 nel suo corpo riflette quello atmosferico contemporaneo — continuamente rinnovato dall'assorbimento. Alla morte, l'organismo smette di assorbire nuovo carbonio e il C-14 già incorporato inizia a decadere a tasso costante, trasformandosi in azoto-14.
L'emivita del C-14 è di 5.730 anni — il che significa che in 5.730 anni la metà del C-14 originale si è trasformata in azoto-14. In altri 5.730 anni, la metà di quel che rimane decade, e così via. Misurando la quantità di C-14 rimasta in un campione e confrontandola con il rapporto atteso originale, si può calcolare con quale precisione statistica da quanti anni l'organismo è morto.
Cosa si può datare
Il metodo funziona su qualsiasi materiale organico che contenga ancora abbastanza C-14 per essere misurabile: carbone di legna, legno, semi, ossa, gusci di molluschi, tessuti, pelle, corde, resti di pasto, colle animali, capelli. A condizione che il materiale non sia stato contaminato dopo la deposizione e che contenga ancora sufficiente C-14. Oltre circa 50.000 anni fa, la quantità residua è troppo piccola per le tecnologie attuali — si tratta di poche parti per mille miliardi. I materiali inorganici — ceramica, pietra, metallo, vetro — non possono essere datati direttamente con questa tecnica, a meno che non contengano carbonio organico intrappolato (come i residui di cibo sulle pareti interne di un vaso, o il carbone incluso nell'impasto ceramico).
Un problema specifico è la datazione delle ossa: il collagene osseo — la proteina che il metodo data — si degrada nel tempo e in ambienti alcalini (suoli calcarei) può diventare troppo frammentato per dare risultati affidabili. Il tasso di sopravvivenza del collagene dipende dal tipo di suolo, dall'umidità e dalla temperatura; in molti siti del Medio Oriente e del Mediterraneo, le ossa di qualche migliaio di anni fa non producono collagene databile.
Pretrattamento: ABA per i carboni
Prima di misurare il C-14, il campione deve essere decontaminato. I contaminanti più comuni sono acidi umici (derivati dalla decomposizione del suolo), carbonati secondari (precipitati dall'acqua) e radici moderne penetrate nel materiale. Il metodo standard di pretrattamento per il carbone — il materiale più frequentemente datato in archeologia — è l'ABA (Acido-Base-Acido): il campione viene prima trattato con acido cloridrico diluito per rimuovere i carbonati secondari, poi con idrossido di sodio per rimuovere gli acidi umici disciolti, poi di nuovo con acido cloridrico per neutralizzare la base residua. Ogni passaggio è seguito da un lavaggio con acqua distillata. Il pretrattamento inadeguato è la principale fonte di errore sistematico nelle datazioni al radiocarbonio: un campione apparentemente antico può restituire una data moderna se contaminato da carbone o radici recenti.
AMS contro datazione convenzionale
I due metodi di misurazione producono lo stesso tipo di risultato — un'età in anni BP (Before Present) — ma con tecnologie diverse. La datazione convenzionale (beta-counting) misura le emissioni di elettroni (particelle beta) dal decadimento radioattivo del C-14 in un contatore proporzionale o Geiger-Müller. Richiede campioni di dimensioni relativamente grandi — da uno a venti grammi di carbone — e tempi di conteggio lunghi, a volte giorni, per accumulare abbastanza eventi da ridurre l'incertezza statistica.
La spettrometria di massa accelerata (AMS) conta fisicamente gli atomi di C-14, C-13 e C-12 separandoli per massa con un acceleratore di particelle (ciclotrone o tandetrone). Richiede campioni molto più piccoli — da pochi milligrammi a un grammo di carbone — ed è significativamente più rapida. L'AMS ha reso possibile datare singoli semi, un capello, un frammento di papiro delle dimensioni di un francobollo o un lembo di tessuto troppo piccolo per la datazione convenzionale. Ha anche permesso di datare la Sindone di Torino nel 1988 — con risultato medievale (1260-1390 d.C.) — usando tre diversi laboratori di AMS su frammenti di pochi centimetri. Quasi tutti i laboratori attivi oggi utilizzano AMS.
Calibrazione con la dendrocronologia
Il tasso di produzione di C-14 nell'atmosfera non è costante nel tempo: varia con l'attività solare (durante i minimi di attività solare il campo magnetico terrestre si indebolisce e più raggi cosmici raggiungono l'atmosfera, producendo più C-14), con le variazioni del campo magnetico terrestre e con altri fattori. Questo significa che l'età C-14 — espressa in "anni BP (Before Present)", dove "Present" è convenzionalmente il 1 gennaio 1950 — non corrisponde direttamente a un anno solare del calendario. La calibrazione è il processo che converte un'età C-14 in un'età calendariale.
La curva di calibrazione standard internazionale, chiamata IntCal (IntCal20 è la versione corrente, pubblicata nel 2020 con contributi di oltre quaranta laboratori), è costruita confrontando le misurazioni C-14 di campioni di legno la cui età è già nota con certezza grazie alla dendrocronologia — la datazione tramite gli anelli di accrescimento degli alberi. Sequenze continue di anelli di quercia irlandese e tedesca, pino di setole californiano (Pinus longaeva, il più longevo organismo vivente noto) e kauri neozelandese permettono di costruire cronologie che risalgono a oltre 55.000 anni fa con il supporto di varve lacustri e coralli. Il software di calibrazione più usato dagli archeologi è OxCal, sviluppato da Christopher Bronk Ramsey dell'Università di Oxford.
Effetto di reservoir
L'oceano scambia CO2 con l'atmosfera, ma più lentamente di quanto facciano le piante terrestri: il carbonio marino è "invecchiato" rispetto all'atmosfera di diverse centinaia di anni. Di conseguenza, un organismo marino che muore oggi contiene C-14 in quantità compatibile con un organismo terrestre morto 400-500 anni fa. Se si data carbone da un focolare dove i pescatori cuocevano pesci marini, il risultato potrebbe essere sistematicamente più antico della realtà di qualche centinaio di anni — un errore significativo per periodi storici.
L'effetto di reservoir marino varia geograficamente: è più forte nelle acque polari con upwelling di acque profonde antiche (fino a 1.000-1.200 anni di differenza in alcune zone dell'Antartide) e più debole nei mari tropicali. La correzione richiede la conoscenza del contesto locale e l'uso di database di reservoir offset pubblicati. Lo stesso problema si presenta per organismi di acqua dolce in certi laghi con carbonati antichi disciolti — il cosiddetto "hardwater effect" — dove le piante acquatiche assorbono carbonio geologicamente vecchio invece del CO2 atmosferico.
Perché le date hanno sempre una deviazione standard
Una data radiocarbonica non è mai un numero preciso: è sempre seguita da un valore ± che esprime l'incertezza statistica della misurazione. Una data come "2500 ± 40 BP" significa che la probabilità che la vera età C-14 sia compresa tra 2460 e 2540 BP è di circa il 68% (un sigma); per avere il 95% di probabilità (due sigma) la forchetta si allarga a circa 2420-2580 BP. Dopo la calibrazione, la distribuzione di probabilità in anni solari può essere anche più ampia, e talvolta multimodale, perché la curva IntCal non è monotona: ci sono plateau — zone dove per un lungo periodo il rapporto C-14 atmosferico era quasi costante — dove è impossibile distinguere date diverse con buona precisione. Il plateau dell'Età del Ferro (circa 800-400 a.C., la cosiddetta "Hallstatt plateau") è il più noto: le date di questo periodo hanno incertezze calendariali di 200-400 anni anche con misurazioni tecnicamente precise.
Cosa la datazione al radiocarbonio ha cambiato
Prima del radiocarbonio, la cronologia assoluta dell'archeologia preistorica era quasi interamente basata su confronti tipologici e sequenze relative — la ceramica di tipo X viene prima di quella di tipo Y, che viene prima di quella di tipo Z, ma senza sapere di quanti anni. L'applicazione sistematica del metodo a partire dagli anni Cinquanta ha ribaltato molte cronologie consolidate: in particolare per il Neolitico europeo, dove le date C-14 degli anni Sessanta e Settanta hanno mostrato che i monumenti megalitici dell'Europa occidentale (Carnac, Newgrange, Stonehenge) sono più antichi dei modelli tipologici diffusionistici basati sul Mediterraneo; e che l'uso del rame in alcune aree d'Europa era precedente a quello dell'Egitto e della Mesopotamia, contraddicendo l'ipotesi di una diffusione dal Medio Oriente.
Più recentemente, le date bayesiane — che integrano le misurazioni C-14 con informazioni stratigrafiche e contestuali in modelli probabilistici — hanno permesso di restringere le incertezze da secoli a decenni: è ora possibile datare la vita di individui specifici (come Ötzi, l'uomo del Similaun, morto 5.300 anni fa con un'incertezza di ±50 anni) o la durata di eventi brevi (una generazione di uso di un edificio, una singola fase di costruzione). I siti databili con il radiocarbonio sono la grande maggioranza di quelli presenti sulla mappa. Conoscere i principi base del metodo aiuta a interpretare correttamente le date pubblicate nei pannelli informativi e nelle guide — e a capire perché due siti con date "contemporanee" possano in realtà essere separati da secoli.