Metodologie isotopiche per l’archeologia e l’ambiente Circe

circeLe metodologie isotopiche hanno assunto negli ultimi anni un ruolo sempre più importante sia in ricerche interdisciplinari e applicate, sia in un numero sempre crescente di procedure di analisi e di controllo in campo industriale, ambientale, biomedico, artistico.

Si tratta, in generale, di metodi di misura sviluppati nell’ambito della ricerca di base in fisica che, una volta definite le potenzialità, le procedure e le precisioni ottenibili, sono entrati nella pratica di laboratorio in vari campi.

I rapporti isotopici di tutti gli elementi presenti in natura subiscono, nel corso dei processi chimici e fisici che caratterizzano l’evoluzione dell’ecosistema terrestre, effetti di frazionamento apprezzabili con le moderne tecniche di misura. La spettrometria di massa di isotopi stabili degli elementi più abbondanti in natura costituisce quindi un potente mezzo di indagine largamente utilizzato in un ampio spettro delle scienze applicate alla diagnostica dei beni culturali e ambientali. L’ambiente è, per natura, in continuo cambiamento, ma l’uomo ne ha accelerato il passo e l’entità, spostando gli equilibri del nostro pianeta verso l’incognito. Come studiare e quantificare le nuove dinamiche dei principali costituenti della materia vivente, come il Carbonio (C), l’Ossigeno (O), l’Azoto (N), nel loro continuo ciclizzare dall’atmosfera, alla biosfera e idrosfera? Come interpretare gli effetti dei cambiamenti ambientali sui processi fisiologici degli ecosistemi? La determinazione della composizione isotopica di elementi quali il C, l’O e l’N, nei diversi comparti ambientali, come atmosfera, suolo, vegetazione, acque, etc. si è dimostrata un potente mezzo per quantificare piccole variazioni, spesso dovute ad attività antropiche, dei flussi di questi elementi e studiare meccanismi ancora poco chiari.

Nell’ultimo decennio si è chiaramente manifestata, in tutti i campi delle Scienze Ambientali e dei Beni Culturali, una forte esigenza di metodologie innovative da affiancare a quelle convenzionali per una comprensione più approfondita di complessi processi ambientali e antropogenici. Parallelamente, l’Ottica e la Spettroscopia Laser sono state caratterizzate da un enorme progresso, culminato lo scorso anno con l’assegnazione del Nobel per la Fisica allo statunitense John Hall e al tedesco Theodor Hänsch per i loro contributi alla spettroscopia laser di precisione. Sfruttando le caratteristiche di elevata risoluzione spettrale e sensibilità, proprie della spettroscopia laser, si riescono a distinguere, in maniera inequivocabile, le componenti vibro-rotazionali dei diversi isotopologhi di una molecola. Quindi, implementando le più avanzate metodologie di rivelazione di processi di interazione radiazione-materia, è possibile quantificare in maniera estremamente precisa il contenuto delle varie specie isotopiche stabili di un dato costituente atmosferico, come l’anidride carbonica.

La presenza nelle matrici ambientali di isotopi cosmogenici a lungo tempo di dimezzamento consente di ampliare significativamente le possibilità di indagine, purché la sensibilità delle misure di rapporti isotopici sia spinta a livelli estremamente elevati, che non sono alla portata della spettrometria di massa convenzionale. Una metodologia molto sofisticata che consente la misura ultrasensibile in questione è la Spettrometria di Massa con Acceleratore (AMS), la cui applicazione più nota è la datazione radiocarbonica. In particolare, 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. In tal caso, infatti, il rapporto isotopico 14C/12C, costante e uguale a quello di equilibrio dell’anidride carbonica atmosferica finché l’organismo è in vita, diminuisce, a partire dall’istante della morte dell’organismo, con un andamento esponenziale caratterizzato dalla vita media del 14C (8270 a). La misura del rapporto isotopico attuale consente di risalire al tempo trascorso. Il rapporto isotopico per un campione contemporaneo è ≈10-12 e diminuisce fino a ≈10-15 per campioni vecchi circa 60000 a. La sua misura richiede quindi una sensibilità che non è alla portata della spettrometria di massa convenzionale. D’altra parte, la misura con il metodo radiometrico convenzionale, basato sul conteggio degli elettroni di decadimento del 14C radioattivo, richiede quantità di materiale (centinaia di grammi o chilogrammi) che in molti casi non sono disponibili e/o tempi di misura che, specialmente per i campioni più vecchi, sono proibitivi (fino a diversi mesi per campione). L’identificazione e il conteggio diretto degli atomi di 14C presenti nel campione è invece possibile, con quantità che in molti casi sono inferiori al mg e tempi dell’ordine dei minuti, utilizzando un acceleratore come elemento base di uno spettrometro di massa ad alta energia. Più in generale, l’AMS consente la misura ultrasensibile delle concentrazioni di isotopi rari (di solito isotopi cosmogenici radioattivi a lunga vita media), che costituiscono un indicatore molto sensibile di processi naturali che hanno caratterizzato nel passato l’evoluzione dell’ecosistema terrestre e l’attività umana. Le applicazioni dell’utilizzazione di cronometri naturali come il 14C si estendono su un vastissimo spettro di campi di indagine, dall’archeologia alla climatologia, dall’idrologia all’oceanografia, dalla paleoantropologia al paleomagnetismo, dalla fisica ambientale alla vulcanologia.

La possibilità di effettuare analisi qualitative e quantitative ad alta sensibilità di radionuclidi sia artificiali che naturali presenti in matrici di varia natura consente di approfondire le conoscenze nel campo del controllo e del monitoraggio della radioattività e dei meccanismi che regolano il suo ciclo, che ha l’uomo come punto critico, e di creare dei punti di riferimento in grado di diffondere un’approfondita cultura nel campo della tutela dell’ambiente. Le stesse metodologie possono essere utilizzate per creare una rete regionale per il monitoraggio delle emissioni di Radon dai suoli, con lo scopo di controllare l’attività sismica e vulcanica delle aree a rischio, e caratterizzare suoli e materiali usati nell’edilizia, rispetto al loro contenuto di radioisotopi e alla capacità di generare Radon. Attraverso la misura, per questi stessi materiali, dei parametri che influenzano il contenuto e le modalità di emanazione del Radon, è possibile mettere a punto modelli di trasporto del gas dal suolo all’interno di edifici dalla struttura semplicemente schematizzabile e studiare il caso di strutture complesse e articolate organizzando campagne orientate alla misura capillare delle concentrazioni in edifici piccoli ma strettamente interconnessi, come i centri storici delle piccole città, in musei, in catacombe e siti archelogici ipogei, con sistemi di monitoraggio continuo o di integrazione su breve periodo.

In questo contesto scientifico in grande evoluzione, INNOVA organizza e mette a sistema numerose e qualificate realtà di ricerca operanti sul territorio campano. Queste, mutuando esperienze e metodiche sperimentali dalla solida tradizione scientifica nelle ricerche di base, sono attive nello sviluppo di ricerche applicate, orientate allo studio delle interazioni tra i diversi comparti del sistema ambiente e dei processi naturali e antropogenici che possono influenzare lo stato del patrimonio ambientale e artistico, e allo sviluppo e applicazione di metodologie avanzate che svolgono un ruolo sempre più importante nel campo della salvaguardia e valorizzazione dei beni ambientali e culturali.

In particolare, presso il Polo Scientifico* di Caserta del Secondo Ateneo napoletano sono presenti strutture di ricerca avanzate nelle quali la confluenza di competenze scientifiche altamente qualificate di diversa provenienza ha creato un terreno di coltura favorevole allo sviluppo sinergico di tematiche eminentemente interdisciplinari. Esse costituiscono un nodo (CIRCE, Center for Isotopic Research on the Cultural and Environmental heritage) del Centro di Competenza Regionale INNOVA nell’ambito del settore della diagnostica dei beni culturali e ambientali, che, grazie al potenziamento delle attrezzature scientifiche esistenti realizzato attraverso il progetto dimostratore del Centro, ha consentito un salto di qualità dell’attività di ricerca e delle sue ricadute sul territorio, sul sistema produttivo e su quello della formazione.

* Polo Scientifico: le facoltà scientifiche della Seconda Università di Napoli, e i dipartimenti di Scienze Ambientali, Scienze della Vita e Matematica, sono localizzati nel polo scientifico di Via Vivaldi a Caserta.

La punta di diamante di CIRCE è costituita dal sistema di Spettrometria di Massa ultrasensibile basato sull’acceleratore tandem Pelletron da 3 MV al terminale. Il sistema è stato installato a San Nicola La Strada (CE) all’inizio dello scorso anno (immagine 1 e 2), e molto rapidamente sono state ottimizzate le condizioni di funzionamento, raggiungendo un livello di precisione (immagine 3) tra i più elevati nel panorama mondiale, che conta una quarantina di laboratori di questo tipo.

Antonio D’Onofrio Professore Straordinario di Fisica Sperimentale presso la Facoltà di Scienze Ambientali della Seconda Università di Napoli. Dal 1° novembre 2001 ricopre la carica di Direttore del Dipartimento di Scienze Ambientali. Si è formato in Fisica nucleare fondamentale e applicata presso il Dipartimento di Scienze Fisiche dell’Università “Federico II” di Napoli e presso il Centro di Studi del Cea di Saclay (F). Nel novembre 1979 ha conseguito il titolo di dottore di terzo ciclo presso l’ “Universitè Paris XI – centre d’Orsay (F)”. In qualità di ricercatore dell’INFN prima e di Professore Associato poi ha effettuato soggiorni per attività di ricerca presso laboratori europei e statunitensi. Negli ultimi anni ha specializzato l’indagine verso processi nucleari di interesse astrofisico utilizzando metodi derivati dalla Spettrometria di Massa con Acceleratore. Ha collaborato all’implementazione, presso il Dipartimento di Scienze Fisiche dell’Università di Napoli “Federico II”, dell’unico sistema di spettrometria di massa con acceleratore funzionante in Italia, utilizzandolo per ricerche in campo archeometrico. La sua attività di ricerca attuale e futura è sempre più indirizzata in ambienti interdisciplinari su problemi ambientali facendo uso di metodologie mutuate dalla esperienza nella ricerca di base, quali spettrometria di massa convenzionale ed ultrasensibile, rivelazione di radiazione con sistemi ad alta risoluzione. D’Onofrio è coautore di oltre 70 articoli scientifici su riviste internazionale e di oltre 100 comunicazioni a congressi internazionali.

 

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ll “Centro Studi e Alta Formazione Maestri del Lavoro d’Italia” in sigla “CeSAF MAESTRI DEL LAVORO” è legalmente costituito in associazione culturale, senza scopo di lucro. Cura e promuove la formazione dei Maestri del Lavoro aderenti e degli affiliati laici intesi come persone non insignite Stella al Merito, ma che perseguono gli stessi fini quali: favorire l’inserimento dei giovani nel mondo del lavoro e a diffondere i sani principi a esso connessi, così come richiesto dal decreto del ministero del lavoro firmato dal presidente della repubblica per l’assegnazione della Stella al Merito.

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