Raggi Cosmici, Fulmini e Datazioni al Carbonio

Un nuovo studio dell’Università di Kyoto ha scoperto che le tempeste possono produrre gli stessi isotopi del carbonio che vengono prodotti dai raggi cosmici ed usati per le datazioni di materiale organico in campo archeologico. 

Gli atomi di carbonio sono i mattoni delle molecole organiche e, quindi, degli esseri viventi. Sulla Terra si può trovare sotto forma di diversi isotopi, ossia atomi con uguale numero di protoni ed elettroni, ma diverso numero di neutroni: ¹²C ,¹³C e ¹⁴C (tutti con nuclei formati da 6 protoni e rispettivamente da 6,7 ed 8 neutroni). Di questi, solo i primi due sono stabili, e solo il primo è veramente comune, mentre il ¹³C è piuttosto raro ed il ¹⁴C non potrebbe essere trovato se non fosse continuamente re-immesso nella biosfera tramite alcuni fenomeni.

Il ¹⁴C si trasforma (decade) infatti in ¹⁴N in poche migliaia di anni (la metà del carbonio iniziale diventa azoto in circa 6000 anni), e ciò significa che se in passato fosse esistito del ¹⁴C e non esistessero processi capaci di produrlo, oggi sarebbe tutto stato trasformato in ¹⁴N.  Intervengono allora alcuni processi a reintregrare la quantità di ¹⁴C presente sulla Terra. Negli strati alti della troposfera e nella stratosfera, i raggi cosmici vengono catturati dall’azoto atmosferico, producendo ¹⁴C. Si raggiunge quindi un equilibrio tra questi due processi (decadimento e produzione di ¹⁴C) e la quantità di ¹⁴C in atmosfera resta costante, e gli atomi si trovano soprattutto legati all’ossigeno sotto forma di anidride carbonica.

Per il ¹³C, il discorso è simile: esso si forma tipicamente quando i raggi cosmici altamente energetici entrano nell’atmosfera a colpiscono il più abbondante ¹⁴N. Gli atomi di questo isotopo dell’azoto perdono un neutrone e diventano ¹³N, che è instabile. L’¹³N allora decade formando gli atomi di ¹³C e due fotoni gamma per atomo di carbonio. Queste emissioni gamma hanno un’energia ben definita, utilizzata spesso proprio per capire quanti raggi cosmici hanno interagito con l’atmosfera.

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Questo era lo status quo fino a poco tempo fa. La novità è che esiste anche un altro fenomeno in grado di produrre ¹⁴C: i fulmini.

A febbraio, un team di ricercatori giapponesi dell’Università di Kyoto, osservando una tempesta lungo la costa nord-ovest del Giappone, ha rilevato dei segnali gamma proprio allo stesso livello di energia del decadimento che produce il ¹³C, indicando quindi la produzione di questi atomi anche durante tale tempesta. Inoltre hanno notato anche l’emissione di fotoni ad un livello energetico che indica la produzione ¹⁵N, un raro isotopo dell’azoto, a seguito dell’urto tra neutroni ed atomi di ¹⁴N.

Qui un approfondimento su come funzionano i fulmini.

Questo indica che i forti fulmini presenti nelle tempeste possono innescare le stesse reazioni innescate dai raggi cosmici. Attenzione: questo non significa che le datazioni al carbonio non siano più valide, in quanto i ricercatori hanno stimato che la quantità di atomi prodotta in questo modo è molto piccola, e trascurabile rispetto a tutti quelli prodotti dai raggi cosmici.

Qui l’articolo su Nature.