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Perché non c'è (quasi) più acqua su Marte?

 

da Franck Montmessin, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ) - Université Paris-Saclay

Marte è noto per la sua bella atmosfera, dove la CO2 domina e fornisce la maggior parte della massa atmosferica e della pressione, quest'ultima paragonabile a quella che si trova nella stratosfera terrestre a più di 30 chilometri dalla superficie.

Ma per quanto riguarda l'acqua? Acqua su Marte è attualmente osservato sulla superficie come uno strato di ghiaccio al Polo Nord spesso diversi chilometri, come gelo stagionale nei periodi più freddi dell'anno e nell'atmosfera come vapore e ghiaccio nelle nuvole. Tuttavia, l'atmosfera marziana è estremamente secca rispetto alla Terra: in proporzione, nell'atmosfera di Marte è presente 100 volte meno acqua che in quella terrestre. Mentre le precipitazioni sulla Terra producono pellicole d'acqua di diversi centimetri, l'acqua che sarebbe precipitata su Marte formerebbe solo una pellicola sottile di meno di un millimetro.

De nuovi dati ci permettono di capire meglio perché non c'è (quasi) più acqua su Marte quando doveva essere abbondante in passato.

L'acqua fuoriesce dall'atmosfera marziana

Perché tutto indica che Marte non è sempre stato il pianeta freddo e arido che conosciamo oggi. Marte mostra sulla sua superficie numerose testimonianze di un lontano passato - circa quattro miliardi di anni fa, dove l'acqua liquida circolava in grandi torrenti e ristagnava sotto forma di bacini o laghi, come nel cratere Jezero mentre il rover Perseverance sta esplorando tracce di Vita passata.

Il cratere Jézéro, dove Perseverance è atterrato nel febbraio 2021, era un lago in un lontano passato.
NASA / JPL-Caltech

Affinché l'acqua liquida possa circolare tanto e risiedere in superficie abbastanza a lungo da lasciare tutte queste impronte, è necessario invocare un clima radicalmente diverso da quello che osserviamo oggi. Marte, Terra e Venere sono stati probabilmente accumulati dagli stessi materiali di base, il che significa che devono aver conosciuto grandi somiglianze molto presto nella loro storia. Ma mentre la Terra e Venere hanno conservato la maggior parte della loro atmosfera densa, Marte, a causa delle sue piccole dimensioni e della bassa gravità, non è stato in grado di conservare la sua atmosfera nel tempo.

È proprio questo "Teoria dello scappamento" il che spiega l'attuale sottigliezza dell'atmosfera di Marte. Questa fuga avviene molto in alto nell'atmosfera, sopra i 200 chilometri, dove le molecole si sono già dissociate in atomi e dove quelle più leggere, come l'idrogeno, possono staccarsi dalla debole gravità di Marte. Esposta alle particelle energetiche del vento solare, questa “esosfera” di Marte è anche il suo “tallone d'Achille”, perché nel tempo ha permesso di perdere nello spazio l'equivalente di centinaia di atmosfere attuali.

Nuovi dati

Nuovi dati, ricevuti dal Missione Trace Gas Orbiter dall'ESA (Agenzia Spaziale Europea) e pubblicato oggi sulla rivista Nature Astronomy, vieni a illuminarci sui sottili meccanismi che governano la fuoriuscita dell'acqua.

Questa fuga era nota a tutti, soprattutto perché l'acqua marziana ha una composizione che le è unica. Infatti, gli isotopi dell'acqua, in particolare l'acqua “semi-pesante” HDO dove un atomo di idrogeno (H) è sostituito da un atomo di deuterio (D) due volte più pesante, che abbiamo misurato su Marte dagli anni '80, rivelano un concentrazione 6 volte maggiore nel deuterio su Marte che sulla Terra. Questo relativo arricchimento è interpretato proprio come il risultato della fuga di idrogeno, che gradualmente ha lasciato dietro di sé gli isotopi più pesanti, in questo caso D e HDO, spiegando questo rapporto di arricchimento di 6.

Per estrapolazione, la quantità iniziale di acqua su Marte doveva essere almeno 6 volte maggiore di quella attuale, ovvero l'equivalente di uno strato liquido di cento metri che ricopre il pianeta. Questo mostra come il rapporto HDO/H20 è fondamentale per proiettarsi nella giovinezza di Marte e per fare luce sull'ipotesi di un clima caldo e umido passato, prima della sua abitabilità.

Confronta il rapporto isotopico tra l'acqua "semi-pesante" HDO e l'acqua "normale" H20 per capire l'evoluzione della quantità di acqua sulla superficie di Marte, e il suo clima.
Franck Montmessin, Fornito dall'autore

Questi risultati del Trace Gas Orbiter ci consentono di comprendere meglio le condizioni in cui l'acqua e l'acqua semipesante presenti nella bassa atmosfera vengono trasportate nell'atmosfera molto superiore e quindi si trasformano in atomi capaci di fuoriuscire. In effetti, ci siamo chiesti a lungo fino a che punto i processi intermedi possono modificare il modo in cui l'idrogeno e il deuterio dell'acqua accedono all'esosfera. Per 20 anni, due teorie hanno suggerito che l'idrogeno e il deuterio non possono raggiungere l'esosfera nelle proporzioni che sono loro nelle molecole d'acqua della bassa atmosfera. Questi processi intermedi sono da un lato la condensazione, che forma le nubi di ghiaccio d'acqua marziano, e dall'altro la fotolisi, che rompe la molecola d'acqua e rilascia sotto di essa un atomo di idrogeno o deuterio.

Studiate in laboratorio da decenni, è noto che la condensazione e la fotolisi influiscono in modo specifico sull'acqua e sui suoi isotopi: questo si chiama “frazionamento isotopico”. È anche grazie alla nostra comprensione del frazionamento isotopico che è possibile tracciare il passato andamento climatico della Terra perforando carote di ghiaccio ai poli, dove la concentrazione di HDO rivela il clima più o meno freddo che regnava. condensato in ghiaccio. È una disciplina dove eccelle la comunità francese, e che ha permesso di avviare un lavoro esplorativo in ambito marziano all'interno di laboratori francesi.

Su Marte, il frazionamento per fotolisi opera in modo opposto al frazionamento per condensazione. E soprattutto, i due non operano contemporaneamente nel corso dell'acqua - quest'ultimo punto ha un impatto importante sul destino degli atomi di idrogeno e deuterio. Infatti la condensazione del vapore acqueo tende a concentrare l'HDO nel ghiaccio formato, e quindi de facto de facto esaurisce il vapore in HDO. La fotolisi, invece, tende a favorire il rilascio di deuterio presente nella molecola HDO. Per molto tempo si è ipotizzato che il frazionamento isotopico per condensazione, che rende il vapore più povero di deuterio, dominasse la fotolisi e costringesse la proporzione di deuterio nell'esosfera a essere inferiore rispetto all'acqua nella bassa atmosfera.

cosa questo'studio recente rivela è che la condensa gioca effettivamente un ruolo minore nella proporzione di deuterio nell'esosfera. Grazie allo strumento Atmospheric Chemistry Suite del Trace Gas Orbiter e alle sue misurazioni simultanee di H20 e HDO, siamo stati in grado di mostrare da dove provengono gli atomi di idrogeno e deuterio, ad un'altitudine e in un periodo dell'anno marziano dove la condensazione non ha la possibilità di interferire con la fotolisi.

È infatti la fotolisi che produce la maggior parte degli atomi e che detta il frazionamento isotopico degli atomi di idrogeno che fuoriescono dall'atmosfera marziana superiore.

Prossima destinazione: capire il percorso dell'acqua, dalla superficie all'alta atmosfera

Questa messa in discussione della nostra comprensione dei processi che portano alla fuoriuscita dell'acqua pone una pietra miliare nei tentativi di tracciare la storia dell'acqua su Marte. Solo il satellite Trace Gas Orbiter è in grado di rivelare le concentrazioni congiunte di H20 e HDO. Ma uno un altro satellite, questa volta della NASA, MAVEN, è in grado di osservare e caratterizzare le popolazioni di idrogeno e deuterio nell'esosfera.

Dalla concomitanza di queste due missioni sta emergendo un importante filone di ricerca ed è ora possibile ipotizzare di poter descrivere il percorso completo dell'acqua dalla bassa atmosfera all'estremamente alta atmosfera, dove gli atomi che la compongono sfuggono nello spazio. Solo una conoscenza dettagliata di questo percorso consentirà alla comunità di sviluppare scenari affidabili sulla storia dell'acqua negli ultimi miliardi di anni e, quindi, la possibilità di corroborare l'abitabilità passata di Marte dove potrebbe essere emersa la vita.The Conversation

Franck Montmessin, Direttore di ricerca del CNRS presso il Laboratorio di Atmosfere, Ambienti e Osservazioni Spaziali (LATMOS), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ) - Université Paris-Saclay

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

© Immagine in evidenza: la calotta polare settentrionale di Marte fotografata dalla missione NASA Mars Reconnaissance Orbiter. NASA / JPL-Caltech / MSSS

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