Calibrazione del C14 con gli anelli del tronco

Si chiama 'Dendrocronologia'.

Non tutti gli alberi sono adatti a questo tipo d'indagine: alcuni alberi non mostrano anelli (banano, palma); altri non vivono abbastanza a lungo; altri 'cavitano' in età avanzata, per cui non possono essere usati (ulivo). In alcune zone un tempo alberate non crescono più alberi oggi per modifiche del clima e del suolo (mesopotamia). Il problema, pertanto, sta nella completezza delle mappe di riferimento.

Ma si tratta di una metodica utilissima, perché il dendrocronologo riesce a risalire ad un anno preciso, attraverso lo studio degli anelli. Il contenuto di carbonio di quell'anello, quindi, fornisce un utilissimo confronto che può dirimere i dubbi.

Calibrazione con gli anelli degli alberi - Radiocarbonio

• Gli anelli degli alberi vengono utilizzati per calibrare le misurazioni al radiocarbonio.
• La calibrazione dei risultati è necessaria per tenere conto delle variazioni nella concentrazione globale del radiocarbonio nel tempo.
• Le misurazioni al radiocarbonio sono di solito riportate in anni BP, dove zero BP corrisponde al 1950 DC.
• I risultati della calibrazione sono riportati come intervalli di età, calcolati con i metodi dell’intercetta o delle probabilità, che utilizzano le curve di calibrazione.
• Le curve di calibrazione concordate a livello internazionale per il periodo fino al 2500 AC sono quelle prodotte da Gordon Pearson e Minze Stuiver.
• Le curve di calibrazione hanno una scala temporale dendrocronologica sull’asse x e gli anni radiocarbonici sull'asse y.

Come con qualsiasi metodo che fa uso di strumenti, la calibrazione è necessaria per assicurarsi che i dati raccolti siano corretti e affidabili. La calibrazione è il processo con cui vengono stabiliti i rapporti tra lo strumento e le unità di misura, per dissipare i dubbi relativi all'esattezza ed all'affidabilità dei dati raccolti. La calibrazione viene effettuata confrontando i risultati analitici ai dati raccolti dall'analisi di uno standard, ad esempio materiali di riferimento certificati.
La calibrazione non avviene solo prima di un'analisi, ma viene effettuata anche sui risultati come nel caso della datazione al radiocarbonio—un metodo analitico che identifica l'età dei materiali che hanno fatto parte della biosfera in passato, determinandone il contenuto di carbonio-14 e tracciandone l'età misurando il decadimento radioattivo.
Il carbonio-14 è un isotopo naturale dell'elemento carbonio. È anche chiamato "radiocarbonio" poiché instabile e radioattivo rispetto al carbonio-12 ed al carbonio-13. Il carbonio è composto al 99% di carbonio-12, all'1% di carbonio-13 e solo una parte su un milione è rappresentata dal carbonio-14.
I risultati della datazione al carbonio-14 vengono riportati in anni radiocarbonici, ed è quindi necessaria una calibrazione per convertirli in anni solari.

Unità di misura, emivita ed i motivi della calibrazione

Le misurazioni al radiocarbonio non calibrate sono di solito riportate in anni BP, dove 0 (zero) BP corrisponde al 1950 DC. BP significa “Before Present” (prima del presente) o “Before Physics” (prima della fisica). Tenere presente che il termine BP viene utilizzato anche in altre tecniche di datazione, ma ha valori differenti, come nel caso della datazione con termoluminescenza dove BP corrisponde all’anno 1980 DC.
È inoltre necessario notare che l'emivita utilizzata nei calcoli della datazione al carbonio corrisponde a 5568 anni, il valore elaborato dal chimico Willard Libby, e differisce dal valore più accurato di 5730 anni noto come emivita Cambridge. Anche se è meno preciso, l'emivita di Libby è stata mantenuta per evitare incongruenze o errori nella comparazione dei risultati con le analisi al carbonio-14 prodotte prima e dopo la derivazione dell'emivita Cambridge.
Le misurazioni al radiocarbonio si basano sul presupposto che la concentrazione atmosferica di carbonio-14 sia rimasta costante dal 1950 e che l'emivita del carbonio-14 sia di 5568 anni. La calibrazione dei risultati del radiocarbonio è necessaria per tenere conto delle variazioni nella concentrazione atmosferica di carbonio-14 nel corso del tempo. Tali modifiche sono state determinate da diversi fattori, tra cui, ma non solo, le fluttuazioni del campo geomagnetico terrestre, l'uso di combustibili fossili ed i test nucleari. 
Il metodo più frequente e più utilizzato per la calibrazione è con la dendrocronologia.

Dendrocronologia e datazione al carbonio

La dendrocronologia si basa sul fenomeno della crescita degli alberi ad addizione di anelli, per questo il nome "datazione con gli anelli degli alberi". I dendrocronologi datano gli eventi e le variazioni negli ambienti del passato analizzando e comparando le strutture di crescita degli anelli degli alberi e del legno invecchiato. Possono determinare l'anno esatto in cui si è formato ogni anello.
I risultati della dendrocronologia hanno avuto un ruolo importante nei primi anni della datazione al radiocarbonio. Gli anelli degli alberi fornivano materiale di età realmente conosciuta per verificare l'accuratezza del metodo di datazione al carbonio-14. Verso la fine degli anni '50, diversi scienziati (in particolare l'olandese Hessel de Vries) confermarono la discrepanza tra le età radiocarboniche e le età in anni solari con risultati raccolti con la datazione al carbonio degli anelli degli alberi. Gli anelli furono datati con la dendrocronologia.
Gli anelli degli alberi vengono tuttora utilizzati per calibrare le misurazioni al radiocarbonio. Oggigiorno sono disponibili diverse archivi di anelli degli alberi di età differenti (anni solari) che forniscono informazioni sugli ultimi 11.000 anni. Gli alberi più spesso utilizzati come riferimenti sono il pino dai coni setolosi (Pinus aristata) negli Stati Uniti e la quercia (Quercus sp.) in Irlanda e in Germania. Alcuni laboratori di datazione al radiocarbonio utilizzano dati provenienti da specie di alberi diversi.

Calibrazione con gli anelli degli alberi - Radiocarbonio

In linea di principio, l'età di un campione carbonaceo può essere facilmente determinata confrontandone il contenuto di radiocarbonio con quello dell’anello di un albero di età nota (anni solari). Se un campione ha la stessa proporzione di radiocarbonio di quello dell'anello di un albero, è possibile concludere che abbiano la stessa età.
Nella pratica, la calibrazione con gli anelli degli alberi non è semplice a causa di molti fattori, il più importante dei quali è che le misurazioni effettuate sugli anelli e sul campione hanno una precisione limitata, che genera come risultato una serie di anni solari possibili.
I risultati della calibrazione sono spesso prodotti come fasce d’età e non come valore assoluto. Le fasce d'età vengono calcolate con i metodi dell'intercetta o delle probabilità, che necessitano di una curva di calibrazione.

Curve di calibrazione

La prima curva di calibrazione per la datazione al radiocarbonio era basata su una sequenza continua di anelli di alberi che risaliva fino a 8.000 anni fa. Questa sequenza, stabilita da Wesley Ferguson nel 1960, ha permesso a Hans Suess di pubblicare la prima curva di calibrazione utile. La curva di Suess, basata sul pino dai coni setolosi, utilizzava gli anelli degli alberi per l'asse del calendario.
Dopo la curva di Suess sono state pubblicate molte altre curve di calibrazione, ma la loro proliferazione ha portato più problemi che soluzioni. Negli anni successivi, anche l'uso degli spettrometri di massa con acceleratore e l'introduzione delle datazioni al carbonio ad alta precisione ha portato alla creazione di nuove curve di calibrazione. Una curva di calibrazione del radiocarbonio ad alta precisione è stata pubblicata da un laboratorio di Belfast (Irlanda del Nord) utilizzando i dati dendrocronologici raccolti dalla quercia irlandese.
Ad oggi, le curve di calibrazione concordate a livello internazionale per il periodo fino al 2500 AC sono quelle prodotte da Gordon Pearson e Minze Stuiver. Non esiste alcuna curva di calibrazione concordata a livello internazionale per il periodo successivo al 1950, ma sono disponibili molti dati sulla concentrazione atmosferica di radiocarbonio.

Una tipica curva di calibrazione per il carbonio-14 presenta una scala temporale dendrocronologica o agli anni solari sull'asse x (anni solari) e gli anni radiocarbonici riflessi sull'asse y.

Convenzioni sulle calibrazioni

L'uso degli anni cal AC e DC, o anche cal BP, rappresenta la convenzione consigliata per indicare i risultati della datazione al radiocarbonio dendrocronologicamente calibrati. I risultati della datazione al carbonio devono essere chiari, quindi non è sufficiente riportarli come AC, DC o BP. Gli anni cal AC e DC corrispondono esattamente ai normali anni storici, mentre cal BP indica il numero di anni prima del 1950.

Risultati della datazione al radiocarbonio

I risultati della datazione al carbonio devono includere i risultati non calibrati, la curva e il metodo di calibrazione utilizzati e le eventuali correzioni apportate al risultato originale prima della calibrazione. Deve inoltre essere incluso il livello di certezza corrispondente agli intervalli calibrati.          

Radiocarbon Tree-Ring Calibration

• Tree rings are used to calibrate radiocarbon measurements.
• Results calibration is necessary to account for changes in the global radiocarbon concentration over time.
• Radiocarbon measurements are usually reported in years BP (before present) with zero BP defined as AD (dopo Cristo) 1950.
• Results of calibration are reported as age ranges calculated by the intercept method or the probability method, which use calibration curves.
• The internationally agreed calibration curves for the period reaching as far back as 2500 BC are those produced by Gordon Pearson and Minze Stuiver.
• Calibration curves have a dendro timescale on the x-axis and radiocarbon years on the y-axis.

As with any method using instruments, calibration is done to make sure that the data gathered is correct and reliable. Calibration is the process by which the relationship between the instrument and the units of measure are established to dispel doubt on the accuracy and reliability of data gathered. Calibration is done by comparing analytical results to data gathered from an analysis of a standard, e.g. certified reference materials.

Calibration is not only done before an analysis but also on analytical results as in the case of radiocarbon dating—an analytical method that identifies the age of a material that once formed part of the biosphere by determining its carbon 14 content and tracing its age by its radioactive decay.

Carbon 14 is a naturally occurring isotope of the element carbon. 

It is also called “radiocarbon” because it is unstable and radioactive relative to carbon 12 and carbon 13. Carbon consists of 99% carbon 12, 1% carbon 13, and only about one part in a million million carbon 14.

Results of carbon 14 dating are reported in radiocarbon years, and calibration is needed to convert radiocarbon years into calendar years.

Units of Measure, Half-life, and the Need for Calibration

Uncalibrated radiocarbon measurements are usually reported in years BP where 0 (zero) BP is defined as AD 1950. BP stands for “Before Present” or “Before Physics” as some would refer to it. It should be noted that a BP notation is also used in other dating techniques but is defined differently, as in the case of thermoluminescence dating wherein BP is defined as AD 1980.

It is also worthy to note that the half-life used in carbon dating calculations is 5568 years, the value worked out by chemist Willard Libby, and not the more accurate value of 5730 years, which is known as the Cambridge half-life. 

Although it is less accurate, the Libby half-life was retained to avoid inconsistencies or errors when comparing carbon 14 test results that were produced before and after the Cambridge half-life was derived.

Radiocarbon measurements are based on the assumption that atmospheric carbon 14 concentration has remained constant as it was in 1950 and that the half-life of carbon 14 is 5568 years. Calibration of radiocarbon results is needed to account for changes in the atmospheric concentration of carbon 14 over time. These changes were brought about by several factors including, but not limited to, fluctuations in the earth’s geomagnetic moment, fossil fuel burning, and nuclear testing. 

The most popular and often used method for calibration is by dendrochronology.

Dendrochronology and Carbon Dating

The science of dendrochronology is based on the phenomenon that trees usually grow by the addition of rings, hence the name tree-ring dating. Dendrochronologists date events and variations in environments in the past by analyzing and comparing growth ring patterns of trees and aged wood. They can determine the exact calendar year each tree ring was formed.

Dendrochronological findings played an important role in the early days of radiocarbon dating. Tree rings provided truly known-age material needed to check the accuracy of the carbon 14 dating method. During the late 1950s, several scientists (notably the Dutchman Hessel de Vries) were able to confirm the discrepancy between radiocarbon ages and calendar ages through results gathered from carbon dating rings of trees. The tree rings were dated through dendrochronology.

At present, tree rings are still used to calibrate radiocarbon determinations. 

Libraries of tree rings of different calendar ages are now available to provide records extending back over the last 11,000 years. The trees often used as references are the bristlecone pine (Pinus aristata) found in the USA and waterlogged Oak (Quercus sp.) in Ireland and Germany. 

Radiocarbon dating laboratories have been known to use data from other species of trees.

Radiocarbon Tree-Ring Calibration

In principle, the age of a certain carbonaceous sample can be easily determined by comparing its radiocarbon content to that of a tree ring with a known calendar age. If a sample has the same proportion of radiocarbon as that of the tree ring, it is safe to conclude that they are of the same age.

In practice, tree-ring calibration is not as straightforward due to many factors, the most significant of which is that individual measurements made on the tree rings and the sample have limited precision so a range of possible calendar years is obtained.

And indeed, results of calibration are often given as an age range rather than an absolute value. Age ranges are calculated either by the intercept method or the probability method, both of which need a calibration curve.

Calibration Curves

The first calibration curve for radiocarbon dating was based on a continuous tree-ring sequence stretching back to 8,000 years. 

This tree-ring sequence, established by Wesley Ferguson in the 1960s, aided Hans Suess to publish the first useful calibration curve. Suess’s curve, based on the bristlecone pine, used tree rings for its calendar axis.

There have been many calibration curves published since Suess’s curve, but their proliferation brought more problems than solutions. 

In later years, the use of accelerator mass spectrometers and the introduction of high-precision carbon dating have also generated calibration curves. A high-precision radiocarbon calibration curve published by a laboratory in Belfast, Northern Ireland, used dendrochronology data based on the Irish oak.

Nowadays, the internationally agreed calibration curves for the period reaching as far back as 2500 BC are those produced by Gordon Pearson and Minze Stuiver. There is no internationally agreed calibration curve for the period after 1950, but a great deal of data on atmospheric radiocarbon concentration is available.

A typical carbon 14 calibration curve would have a calendar or dendro timescale on the x-axis (calendar years) and radiocarbon years reflected on the y-axis.

Calibration Conventions

The use of cal BC, cal AD, or even cal BP is the recommended convention for citing dendrochronologically calibrated radiocarbon dating results. 

Carbon dating results must be clear, hence they should not be reported simply as BC, AD, or BP. Cal BC and cal AD correspond exactly to normal historical years BC and AD, while cal BP refers to the number of years before 1950.

Radiocarbon Dating Results

Carbon dating results must include the uncalibrated results, the calibration curve used, the calibration method employed, and any corrections made to the original result before calibration. The confidence level corresponding to calibrated ranges must also be includ