Datazione scientifica delle epoche preistoriche

Gli “orologi” radioattivi indicano il tempo in milioni di anni, ma quanto sono accurati?

Questo articolo e i due seguenti descrivono e valutano i vari mezzi di datazione radiometrica (basata sulla radioattività) usati dai geologi per misurare l’età delle rocce e dei resti di organismi un tempo viventi. Sono stati preparati da un fisico nucleare con molti anni di esperienza nel campo della radioattività, sia nel ramo della ricerca che in quello industriale.

“La dolina è ricca di reperti archeologici. Secondo gli scienziati, resti di 10.000 anni fa indicano che nella Florida dell’era glaciale c’era l’uomo”.

“È stata portata alla luce vicino a Osaka la più antica capanna dell’età della pietra in Giappone. Gli archeologi datano la capanna a circa 22.000 anni fa”.

“Circa un milione di anni fa un fiume scorreva attraverso la parte orientale di Corona (California) e mastodonti, cammelli, cavalli e conigli erano alcuni degli animali preistorici che ne popolavano le rive”.

LE SUCCITATE recenti dichiarazioni sono esempi tipici di come vengono annunciate le scoperte di archeologi e paleontologi. La prima cosa che la gente vuole sapere di un nuovo reperto è: Quanti anni ha? Lo scienziato che parla ai cronisti è sempre pronto a dare una risposta, sia che si basi su delle prove o che sia una semplice congettura.

A volte, leggendo questi articoli, vi capita di chiedervi: Come fanno a saperlo? Come si fa a essere sicuri che gli uomini sono vissuti in Florida 10.000 anni fa e in Giappone 22.000 anni fa, o che mastodonti e cammelli scorrazzavano in California un milione di anni fa?

Esistono svariati metodi scientifici per datare antichi resti. Alcuni sono più attendibili di altri, ma nessuno è così sicuro come le età basate sui documenti storici. I documenti storici di cui l’uomo dispone, però, risalgono al massimo a 6.000 anni fa. Oltre quel tempo, la datazione scientifica è tutto quello che abbiamo.

Datazione col metodo basato sulla radioattività

Dei vari metodi disponibili per la datazione scientifica, i più attendibili sono gli “orologi” radioattivi. Si basano sulla velocità dei processi di decadimento radioattivo. Mentre altri metodi si basano sui processi di invecchiamento che possono essere più o meno veloci a seconda delle diverse condizioni ambientali, come il cambiamento di temperatura, è stato mostrato che la velocità del decadimento radioattivo non risente degli estremi delle condizioni esterne.

Il metodo del piombo

Possiamo illustrare questo metodo con il primo “orologio” radioattivo ideato, quello che si basa sul decadimento dell’uranio in piombo. Il decadimento radioattivo segue rigorosamente una legge di probabilità statistica. La quantità di uranio che decade in una unità di tempo è sempre proporzionale alla quantità rimasta. Ne risulta una curva simile a quella del grafico (pagina 19), indicante la quantità rimasta dopo un qualsiasi dato tempo. Il tempo che la metà dell’uranio impiega a decadere è detto periodo di dimezzamento. Metà della restante metà si disintegrerà nel successivo periodo di dimezzamento, e rimarrà un quarto della quantità originale. Dopo tre periodi di dimezzamento, ne rimarrà un ottavo, e così via. Il periodo di dimezzamento dell’uranio è di 4 miliardi e mezzo di anni.

Dato che l’uranio si trasforma in piombo, la quantità di piombo aumenta di continuo. La quantità accumulata fino a un qualsiasi dato tempo è indicata dalla curva tratteggiata. La curva del piombo è il complemento della curva dell’uranio, per cui il numero totale di atomi di piombo e di atomi di uranio è sempre lo stesso, uguale al numero con cui abbiamo cominciato.

Supponiamo ora di avere una roccia contenente uranio ma non piombo e di sigillarla in modo tale che nulla possa uscire da quella roccia e nulla possa entrarvi. Poi, qualche tempo dopo togliamo il sigillo e misuriamo la quantità di entrambi gli elementi. Da questo possiamo stabilire per quanto tempo la roccia è rimasta sigillata. Ad esempio, se troviamo uguali quantità di piombo e di uranio, sappiamo che è trascorso un periodo di dimezzamento, vale a dire 4 miliardi e mezzo di anni. Se riscontriamo che solo l’1 per cento dell’uranio è decaduto in piombo, possiamo usare la formula matematica della curva per calcolare che sono passati 65 milioni di anni.

Si noti che non abbiamo bisogno di sapere quanto uranio c’era nella roccia all’inizio perché non dobbiamo far altro che misurare la proporzione fra piombo e uranio alla fine del periodo, e dopo tutto nessuno di noi era presente a misurare alcunché all’inizio dell’esperimento.

Forse ora pensate che stiamo parlando di periodi di tempo immensi, di milioni e miliardi di anni. A cosa può servire un orologio che va così piano? Ebbene, apprendiamo che la terra esiste da alcuni miliardi di anni e che in alcuni luoghi ci sono rocce che pare siano lì da buona parte di quel tempo. Quindi i geologi trovano che un orologio del genere è molto utile per studiare la storia della terra.

Quanto sono sicuri?

Dobbiamo ammettere che il processo di datazione non è proprio così semplice come l’abbiamo descritto. Abbiamo detto che all’inizio nella roccia non ci deve essere piombo. Di solito non è così; c’è un po’ di piombo all’inizio. Pertanto la roccia ha una certa età iniziale, qualcosa di più dello zero. Siamo anche partiti dal presupposto che l’uranio fosse attentamente sigillato nella roccia e che nulla potesse uscirne o entrarvi. A volte può essere così, ma non sempre. Durante lunghi periodi di tempo, parte del piombo o dell’uranio potrebbe uscire e finire nelle acque freatiche. O vi potrebbe entrare altro uranio o piombo, specie se si tratta di roccia sedimentaria. Per questa ragione il metodo del piombo funziona meglio con le rocce ignee.

Altre complicazioni sorgono dal fatto che anche un altro elemento, il torio, il quale può essere presente nel minerale, è radioattivo e si disintegra lentamente in piombo. Per di più l’uranio ha un secondo isotopo, che chimicamente è lo stesso ma ha una massa diversa, il quale decade a diversa velocità, formando anch’esso piombo. Ciascuno di essi dà luogo a un diverso isotopo del piombo, per cui abbiamo bisogno non solo di un chimico con le sue provette, ma anche di un fisico con uno speciale strumento per classificare i vari isotopi, piombo di massa diversa.

Senza scendere nei particolari a questo riguardo, possiamo capire che i geologi che usano il metodo del piombo devono stare attenti a varie trappole se vogliono ottenere un risultato abbastanza sicuro. Sono lieti di avere altri metodi basati sulla radioattività per verificare la loro misurazione delle età. Ne sono stati messi a punto altri due che si possono spesso impiegare con la stessa roccia.

Il metodo potassio-argo

Quello che è stato impiegato più largamente è il metodo potassio-argo. Il potassio è un elemento più comune dell’uranio; infatti il cloruro di potassio viene venduto in sostituzione del sale da cucina. Consiste sostanzialmente di due isotopi aventi massa 39 e 41, ma un terzo isotopo, avente massa 40, è debolmente radioattivo. Uno dei prodotti del suo decadimento è l’argo, un gas inerte presente nell’atmosfera in ragione dell’1 per cento. Il potassio avente massa 40 ha un periodo di dimezzamento di 1 miliardo e 400 milioni di anni, il che lo rende adatto per misurare intervalli di tempo che vanno da decine di milioni a miliardi di anni.

In contrasto con l’uranio, il potassio è diffuso nella crosta terrestre. È un costituente di molti minerali presenti nelle rocce più comuni, sia ignee che sedimentarie. Perché il metodo potassio-argo dia risultati devono esistere le condizioni illustrate sopra: Il potassio non deve contenere argo quando si avvia l’“orologio”, ossia quando si forma il minerale. E il sistema deve rimanere sigillato per tutto quel tempo, non lasciando fuoriuscire o entrare né potassio né argo.

In pratica come funziona l’“orologio”? A volte ottimamente, altre volte male. Talora fornisce età molto diverse da quelle ottenute col metodo del piombo. Di solito sono inferiori; questi risultati sono attribuiti alla perdita di argo. In altre rocce, però, le età ottenute con i due metodi sono molto simili.

Fatto interessante, il metodo potassio-argo è stato usato per datare una roccia che gli astronauti dell’Apollo 15 avevano portato dalla luna. Usando un frammento di questa roccia, gli scienziati hanno misurato il potassio e l’argo e hanno determinato che quella roccia aveva 3 miliardi e 300 milioni di anni.

Il metodo rubidio-stronzio

Più recentemente è stato messo a punto un altro “orologio” radioattivo per la datazione dei minerali. Si basa sul decadimento del rubidio in stronzio. Il rubidio decade a una velocità incredibilmente bassa. Il suo periodo di dimezzamento è di 50 miliardi di anni! Se ne è disintegrato così poco perfino nelle rocce più antiche che sono necessarie misurazioni molto accurate per distinguere lo stronzio-87 aggiunto da quello originale. Nel minerale può esserci cento volte più stronzio che rubidio, e anche in un miliardo di anni solo poco più dell’1 per cento del rubidio decade. Malgrado queste difficoltà, in alcuni casi la minuscola quantità di stronzio prodotta dal decadimento è stata misurata. Questo “orologio” è prezioso per verificare le età ottenute con altri metodi.

È stato fatto un emozionante impiego di questo metodo con un meteorite che gli astronomi credono possa essere come le rocce che teoricamente si unirono per formare i pianeti, un residuo del materiale primordiale con cui fu fatto il sistema solare. L’età indicata, 4 miliardi e 600 milioni di anni, era in armonia con questa idea.

Un rimarchevole successo del metodo rubidio-stronzio si è avuto nel datare la stessa roccia lunare menzionata sopra. Sono stati sottoposti a esame cinque diversi minerali della roccia, e tutti gli esami hanno indicato un’età di 3 miliardi e 300 milioni di anni, la stessa indicata dal metodo potassio–argo.a

In alcuni casi le età comparative ottenute con questi tre “orologi” geologici sono strettamente d’accordo e c’è motivo di credere che in tali casi le età siano molto probabilmente corrette. Si dovrebbe sottolineare, però, che questi casi mostrano quale tipo di accordo è possibile, ma solo in condizioni ideali. E le condizioni di solito non sono ideali. Si potrebbero fornire liste più lunghe di confronti che sono in contrasto fra loro.

I paleontologi cercano di datare i fossili

I paleontologi hanno tentato di imitare il successo dei geologi nel datare rocce che hanno appena alcuni milioni di anni. Alcuni dei loro fossili, credono, potrebbero rientrare in quella fascia di età. Purtroppo il metodo potassio-argo non funziona altrettanto bene per loro. Ovviamente i fossili non si trovano nelle rocce ignee ma solo in quelle sedimentarie, e di solito con queste la datazione radiometrica non è attendibile.

Ne sono un esempio i fossili che sono rimasti sepolti sotto una spessa coltre di cenere vulcanica in seguito solidificatasi per formare il tufo. Si tratta in effetti di uno strato sedimentario, ma è fatto di materiale igneo che si è solidificato all’aria. Se lo si può datare, servirà a fornire l’età del fossile che vi è racchiuso.

È il caso della gola di Olduvai in Tanzania, dove sono stati rinvenuti fossili di animali scimmieschi che hanno richiamato speciale attenzione perché chi li ha trovati asseriva avessero dei legami con l’uomo. Le prime misurazioni dell’argo contenuto nel tufo vulcanico in cui erano stati rinvenuti i fossili davano un’età di un milione e 750 mila anni. Ma successive misurazioni effettuate in un altro laboratorio qualificato davano un’età di mezzo milione di anni inferiore. Gli evoluzionisti rimasero molto delusi scoprendo che le età di altri strati di tufo, sopra e sotto, non erano compatibili. In certi casi lo strato superiore conteneva più argo di quello inferiore. In termini geologici, però, questo non è possibile: lo strato superiore doveva essere stato depositato dopo quello inferiore, per cui doveva contenere meno argo.

La conclusione fu che le misurazioni dovevano essere alterate da “argo ereditato”. Non tutto l’argo formatosi in precedenza era stato espulso dalla roccia fusa per effetto del calore. L’“orologio” non era stato regolato sullo zero. Se solo un decimo dell’1 per cento dell’argo prodotto in precedenza dal potassio fosse stato presente nella roccia quando si era fusa nel vulcano, l’“orologio” sarebbe partito con un’età iniziale di quasi un milione di anni. Un esperto ha detto: “Alcune date devono essere sbagliate, e se alcune sono sbagliate forse sono sbagliate tutte”.

Malgrado le opinioni degli esperti i quali affermano che queste date potrebbero essere del tutto prive di significato, l’originale età di un milione e 750 mila anni attribuita ai fossili di Olduvai continua a essere citata in popolari riviste che si occupano di evoluzione. Non avvertono minimamente il profano che queste età non sono altro che congetture.

[Nota in calce]

[Testo in evidenza a pagina 18]

I geologi che usano il metodo del piombo devono stare attenti a varie trappole

[Testo in evidenza a pagina 20]

Non avvertono minimamente che queste età non sono altro che congetture

[Diagramma a pagina 18]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Uranio

Piombo

Quanto uranio (o piombo) aveva questa roccia in origine?

Quanto uranio (o piombo) penetrò in seguito nella roccia?

Quanto piombo è derivato dal decadimento del torio?

[Grafico a pagina 19]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

La diminuzione di uranio è direttamente proporzionale all’aumento di piombo

100%

piombo (argo)

50%

uranio (potassio)

25%

12,5%

Periodi di 1 2 3

dimezzamento