Metodi e Tecniche in Preistoria A.A 15/16 (6CFU) esame opzionale

Ecologia: studio degli ecosistemi

Ecosistema: Comunità di organismi che interagiscono tra loro e con l’ambiente fisico attraverso flussi di energia. Il flusso di energia definisce l’ecosistema.

• Catene alimentari
• Scambio di materiali tra componenti biotiche ed abiotiche
• Biodiversità

Trasponendo alle popolazioni umane, l'ecologia umana è lo studio delle:

• Interrelazioni tra comunità umane ed ambienti
• Espressioni spaziali dei fenomeni socioeconomici

Tipologie di ambiente

Ambiente non-culturale: Clima, temperatura, umidità, paesaggio, forma, idrologia, vegetazione, risorse atmosferiche, minerali, biotiche.

Ambiente culturale: Sussistenza, caccia – raccolta, agricoltura, allevamento, insediamenti, grotte, capanne – case, città, artigianato, pietre, ceramiche, metalli, spiritualità.

Ecologia preistorica = Archeologia culturale ↔ ↔ Ambiente culturale sistema spazio-temporale ambiente non culturale. Il sistema spazio-temporale è valido a tutte le scale, dal singolo manufatto ai gruppi di siti ed è in evoluzione, ovvero variabile nel tempo.

Archeologia contestuale

Studio di siti o di reti di siti come parte dell’ecosistema umano, nel quale le antiche comunità hanno interagito in senso spaziale, economico, sociale. Espressione multidimensionale delle capacità decisionali/adattative dell’uomo nell’ambiente. Approccio olistico alle interazioni tra fattori e processi fisici, biologici e culturali.

Le cinque complicazioni fondamentali dell’archeologia contestuale

• Spazio: Come variano i processi nello spazio?
• Scala: Quali differenze tra processi in ambito locale o regionale?
• Complessità: Quanti sono i fattori che contribuiscono ai processi, qual è il loro dettaglio?
• Interazione: In che modo interagiscono tra loro i processi?
• Equilibrio: Come variano i processi al mutare degli altri processi?

Quaternario

Periodo di forti variazioni climatiche con un'alternanza fra:

• Fasi fredde glaciali
• Fasi calde interglaciali
• Variazioni nella composizione della fauna
• Alternanza del clima

Fasi glaciali

• Abbassamento della T media (3-6°C inferiore all'attuale)
• Diminuzione della piovosità
• Espansione delle calotte glaciali polari (fino a Germania settentrionale e Canada meridionale)
• Espansione dei ghiacciai montani (fino alle pianure)
• Riduzione della copertura boschiva

Fasi interglaciali

• Temperatura media simile all'attuale
• Aumento della piovosità (distribuita omogeneamente nel corso dell'anno)
• Ritrazione delle calotte polari glaciali
• Ritrazione dei ghiacciai montani
• Espansione della copertura boschiva
• Formazione di suoli

Il clima nel Quaternario

Penck e Brückner (1909) pubblicarono un accurato studio geologico e geomorfologico dei depositi morenici alpini. Sulla base delle correlazioni tra le forme glaciali e fluvioglaciali (morene e terrazzi) ricostruirono le fasi di avanzata e ritiro dei ghiacciai sul versante settentrionale delle Alpi. Il risultato dei loro studi fu una scansione del Quaternario in quattro fasi glaciali separate da interglaciali; in seguito furono preposti altri due glaciali: Biber e Donau.

Fasi glaciali: Würm, Riss, Mindel, Günz

Fasi interglaciali: Riss-Würm, Mindel-Riss, Günz-Mindel

Il modello di Penck e Brückner: Questa scansione climatica e cronologica mostrò immediatamente i suoi difetti: le sequenze stratigrafiche che venivano messe in luce, all'epoca soprattutto da scavi in grotte con faune, mostrarono un numero molto maggiore di variazioni climatiche che vennero chiamate “stadiali” ed “interstadiali”. Per ragioni legate prevalentemente ai progressi fatti dalla stratigrafia, oggi riteniamo che i metodi usati da Penck e Brückner nella costruzione del loro modello non siano più validi. Perciò le suddivisioni Günz-Mindel-Riss-Würm non hanno più alcun senso stratigrafico e sono state abbandonate (anche se talora compaiono ancora in letteratura). Inoltre, studi recenti basati su metodi diversi hanno posto in evidenza più di 100 fasi glaciali durante il Pleistocene. Va però ricordato che il lavoro di Penck e Brückner, benché non più valido dal punto di vista stratigrafico, rimane un'opera di elevatissima qualità per l'ampiezza dell'area trattata e per la precisione ottenuta nello studio delle forme glaciali.

Perché le variazioni climatiche?

Milanković formulò la teoria fisico-matematica dei mutamenti climatici nel 1920 analisi matematica dei parametri orbitali della Terra.

Terra: Variazione inclinazione dell'asse terrestre. Movimento di rotazione e movimento di rivoluzione (intorno al Sole). A seconda di come la Terra ruota attorno al Sole, stagioni.

• Inclinazione: Varia da 22.1° a 25.5° in un periodo di circa 41,000 anni.
• Minima: 22.1°
• Attuale: 23.5°
• Massima: 24.5°

Influenza la quantità di radiazione solare incidente sulla superficie terrestre: forte inclinazione = intenso irraggiamento ai poli d'estate; debole inclinazione = scarso irraggiamento ai poli d'estate.

Effetto della variazione dei contrasti stagionali

Inclinazione teorica di 0°: minima irradiazione ai poli, assenza di cicli stagionali, temperatura costante tutto l'anno.

Inclinazione attuale di 23.5°: irradiazione intermedia, inverni freddi ed estati calde.

Inclinazione teorica di 60°: massima irradiazione ai poli, inverni estremamente freddi ed estati torride.

L'asse di rotazione della Terra ruota descrivendo un cono nello spazio con un periodo di circa 26,000 anni. Rotazione della linea degli equinozi in direzione opposta a quella di rivoluzione della Terra.

La direzione dell'asse maggiore dell'orbita ruota con un periodo di circa 100,000 anni aumentando la velocità di rotazione della linea degli equinozi riduzione del ciclo di precessione di circa 21,000 anni.

Differenze di irraggiamento

• Perielio: Punto di minima distanza della Terra dal Sole.
• Afelio: Punto di massima distanza della Terra dal Sole.

Emisfero boreale

• Oggi: Perielio = Inverno, Afelio = Estate → Estati fresche ed inverni miti
• 5,500 BP: Perielio = Autunno, Afelio = Primavera → Moderata stagionalità
• 11,000 BP: Perielio = Estate, Afelio = Inverno → Estati calde ed inverni freddi

Emisfero australe

• Oggi: Perielio = Estate, Afelio = Inverno → Estati calde ed inverni freddi
• 5,500 BP: Perielio = Primavera, Afelio = Autunno → Moderata stagionalità
• 11,000 BP: Perielio = Inverno, Afelio = Estate → Estati fresche ed inverni miti

Orbita della Terra

L'orbita della Terra varia da subcircolare (eccentricità 0.00) a debolmente ellittica (eccentricità 0.06) secondo due periodi di circa 100,000 e 400,000 anni.

Effetti scarsi sulla radiazione solare incidente sulla superficie terrestre (0.1%). Elevati sulla modulazione degli effetti della precessione:

• Elevata eccentricità: forte effetto della precessione sul ciclo stagionale.
• Bassa eccentricità: la posizione degli equinozi sull'orbita è irrilevante (tutti i punti sono equidistanti dal Sole).

Milanković ebbe un grande seguito ma dopo varie ricerche si riscontrarono problemi con le tesi di Penck e Brückner. Negli anni '80 viene rivalutata la sua teoria.

Isotopi stabili

Gli isotopi sono atomi appartenenti allo stesso elemento chimico che, pur mantenendo invariato il numero atomico, differiscono invece per il numero di massa. Gli isotopi di uno stesso elemento, quindi, pur condividendo lo stesso numero di protoni ed elettroni, differiscono tra loro per il numero di neutroni contenuti all'interno del nucleo. Ne consegue che, se dal punto di vista chimico due isotopi si comportano nello stesso modo, le differenze si registrano nel comportamento fisico. Si suddividono in stabili e radioattivi.

Isotopi stabili dell'ossigeno nei sedimenti marini:

• Caratteristiche fisiche degli isotopi: Gli isotopi dell'ossigeno ¹⁶O e ¹⁸O sono stabili e non si trasformano in altri elementi attraverso processi di decadimento radioattivo.
• In natura il loro rapporto è costante. Le molecole di acqua possono contenere ¹⁶O oppure ¹⁸O. Quelle formate dall'isotopo ¹⁶O (più leggere) evaporano più facilmente di quelle contenenti ¹⁸O (più pesanti).

Comportamento degli isotopi

• Mari ed oceani tendono ad impoverirsi di ¹⁶O, e di conseguenza ad arricchirsi di ¹⁸O, a causa dell'evaporazione differenziata.
• L'acqua evaporata ricade sulla terra sotto forma di precipitazioni e, attraverso il ciclo idrogeologico, ritorna nei mari riequilibrandone subito la composizione isotopica.
• Durante i periodi freddi, i ghiacci delle calotte polari e montane bloccano l'acqua ricca in ¹⁶O ricaduta sulla Terra, impedendone il rientro negli oceani, il cui livello si abbassa. L'acqua del mare si arricchisce in ¹⁸O.
• Al rialzarsi della temperatura i ghiacci si sciolgono, il livello del mare si rialza e la composizione isotopica degli oceani si riequilibra.

Tracce delle variazioni di composizioni dell'H₂O marina

I foraminiferi planctonici, oltre a numerose altre specie di organismi marini, costruiscono un guscio calcareo (CaCO₃) utilizzando l'ossigeno dell'acqua marina. La composizione isotopica dei gusci rispecchia così quella del mare in cui vivono questi animali. Alla loro morte i foraminiferi planctonici si depositano sul fondo degli oceani, formando sedimenti che si accumulano lentamente.

Raccolta dei campioni: Per mezzo di trivelle è possibile prelevare dai fondali oceanici delle “carote di sedimenti”, lunghe parecchie decine di metri. Viene piantato un tubo nei sedimenti e poi viene estratto, portando con sé una carota di sedimenti che viene tagliata a pezzi ed osservata. La carota rappresenta un campione stratigrafico di sedimento marino.

Curve di composizione/profondità

Dalle carote si prelevano campioni di sedimento a distanza di pochi centimetri l'uno dall'altro, e da questi si estraggono i foraminiferi. Questi vengono suddivisi per specie e si misura la quantità di ¹⁶O e ¹⁸O nei foraminiferi di ciascun campione e si tracciano curve della composizione isotopica in funzione della profondità. Queste curve rappresentano la variazione del volume di ghiacci presenti sulla Terra.

Trasformazione delle profondità in tempi

Per mezzo di studi geocronometrici è possibile datare le carote, trasformando le profondità in tempi. Si usano soprattutto studi su:

• Tephracronologia: basata sulla presenza e sullo studio delle ceneri vulcaniche
• Paleomagnetismo

Ovunque siano state prelevate le carote, le curve sono (quasi) sempre correlabili. Ciò significa che il metodo è valido su scala mondiale.

Caratteristiche delle curve isotopiche e stadi isotopici

Le curve possono essere suddivise in stadi isotopici (OIS = oxigen isotope stages) numerati a partire da 1 (attuale).

• Fasi calde: numeri dispari
• Fasi fredde: numeri pari

Le curve hanno minore pendenza nelle fasi anaglaciali che in quelle cataglaciali. Gli anaglaciali hanno maggior durata dei cataglaciali.

Ghiaccio dai ghiacciai

• Accumulo di precipitazioni atmosferiche
• Riduzione delle masse glaciali (volume) anche in fasi fredde se non piove, il ghiaccio a causa del suo peso scende verso valle ma non aumenta il suo volume.

Le curve hanno minore pendenza nelle fasi anaglaciali. Oggi siamo in una fase calda (prima ci sono stati 700 anni di ciclo freddo).

Cause delle diverse velocità di raffreddamento e riscaldamento

Anaglaciale:

• Raffreddamento delle acque marine superficiali
• Migrazione in basso di acque superficiali (fredde e dense)
• Mescolamento con acque profonde calde e omogeneizzazione della temperatura
• Raffreddamento rallentato

Cataglaciale:

• Fusione dei ghiacci
• Diminuzione affetto albedo aumento velocità di fusione
• Acque di fusione confinate in superfici (dolci e poco dense benché fredde)
• Riscaldamento acque superficiali
• Acque profonde isolate (fredde)
• Nessun rimescolamento né omogeneizzazione della temperatura
• Accelerazione del processo di fusione

Effetto albedo

L'albedo è la frazione di energia che si perde nello spazio per riflessione (ovvero emessa da superficie terrestre, sia suolo che oceani); la riflessione avviene anche ad opera delle nubi e ne risulta che una parte non trascurabile dell'energia che giunge dal sole al suolo viene "rinviata" nello spazio, in misura variabile in base alla caratteristica della superficie riflettente (la neve fresca ha una riflettività altissima).

Isotopi stabili dell'O₂ dei ghiacci polari

La neve che cade sulle calotte polari contiene più molecole leggere H₂¹⁶O quando la temperatura è bassa. La composizione “leggera” è detta “negativa” infatti il rapporto H₂¹⁸O e H₂¹⁶O si esprime come deviazione rispetto ad uno standard. Le variazioni di ¹⁸O attraverso il tempo sono indicatori delle paleotemperature. Perforando il ghiaccio in profondità è stato possibile risalire fino a circa 250 ka BP.

Datazione

• Conteggio degli strati annuali di deposizione della neve valido soltanto nelle parti superficiali, dove gli strati sono poco compattati e perciò ben visibili
• Tephra vulcanici
• Modelli di accumulo basati sul calcolo della deposizione e della compattazione e sul flusso dei ghiacciai

L'integrazione dei dati isotopici con quelli sui gas-serra contenuti nelle bolle d'aria del ghiaccio consente accurate ricostruzioni paleoclimatiche.

Cause dei mutamenti climatici

• Oggi ci stiamo scaldando a spese dell'Atlantico meridionale corrente da sud a nord

Circolazione termoalina

Per Circolazione termoalina (a volte detta anche Grande Nastro Trasportatore) si intende la componente della circolazione globale oceanica causata dalla variazione di densità delle masse d'acqua. La densità è determinata dalla temperatura (termo-) ed alla salinità (-alina) delle acque. Alle alte latitudini (sud-est della Groenlandia e nei pressi dell'Islanda) l'acqua sprofonda, sia per la bassa temperatura, sia per l'elevata salinità causata dalla formazione della banchisa. Muovendosi verso l'equatore l'acqua di fondo diminuisce la sua densità interagendo con le altre acque e tende a risalire, in particolare a sud dell'Oceano indiano. Uno degli scopritori della circolazione termoalina, grazie ai suoi studi sui traccianti in mare, fu Wallace S. Broecker. Le masse d'acqua coinvolte in questa circolazione trasportano sia energia (sotto forma di calore) che materiali (sostanze disciolte, gas e particelle insolute) con la conseguenza di influenzare significativamente sia il clima terrestre che la biologia marina.

Variazioni nella circolazione termoalina

Tre modelli:

• Caldo (interstadiale): Spostamento a sud dell'acqua fredda profonda
• Freddo (stadiale)
• Off (Heinrich): Spento, in cui non c'è acqua calda superficiale che si sposta da sud verso nord e quindi è solo una circolazione profonda che giunge anche in superficie.

Indicatori delle variazioni nella circolazione termoalina

• IRD (Ice Rafted Detritus): Sedimento marino che si forma nelle aree prospicienti ai ghiacciai che terminano in mare. Viene preso in carico dai ghiacciai dal substrato (till base), trasportato verso il margine della banchisa e deposto sul fondo del mare in seguito allo scioglimento degli iceberg.

Limiti cronologici del Quaternario

Il Quaternario è un'unità cronostratigrafica; i suoi limiti devono essere sincroni su tutta la Terra, correlabili ad eventi oggettivamente riconoscibili (estinzioni, inversioni del campo magnetico, mutamenti climatici, etc), identificabili sul terreno (in almeno una sequenza di riferimento; GSSP = Global Stratotype Section and Point). Sono stati modificati più volte per difficoltà nella datazione degli eventi, problemi di correlazione tra sequenze marine e continentali, lacunosità delle sequenze continentali).

Stratigrafia

La disciplina che descrive i corpi rocciosi studiandone le relazioni geometriche e temporali (origine, storia, composizione litologica e chimica, contenuto paleontologico). Il tutto in relazione all'evoluzione del clima, della biosfera, dell'idrosfera e dell'atmosfera. Lo scopo della stratigrafia è quello di ordinare nel tempo e nello spazio i diversi corpi litologici che costituiscono la porzione accessibile della crosta terrestre. Studio degli strati, della loro composizione e dei loro rapporti spazio-temporali. Le unità stratigrafiche sono suddivisioni concettuali e devono essere identificate sul terreno. Studia classicamente le successioni sedimentarie. La documentazione si ricava dai diversi segnali contenuti nelle rocce e precisamente:

• Segnale paleontologico (Biostratigrafia)
• Segnale sedimentologico (Litostratigrafia)