Nel giorno in cui la sonda cinese Tianwen-1 è entrata nell’orbita di Marte, arrivano nuove scoperte grazie alla sonda Tgo (Trace Gas Orbiter) di ExoMars, la missione congiunta dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e della russa Roscosmos, in orbita da oltre tre anni intorno al Pianeta Rosso. La sonda ha fiutato un gas mai visto prima nell’atmosfera marziana: e’ il cloruro di idrogeno (HCl), probabilmente dovuto al sale marino fissato nella superficie polverosa del pianeta e liberato in aria durante la stagione calda.
I strumenti di Tgo hanno rilevato anche importanti indizi sul comportamento stagionale di potenziali riserve d’acqua, utili a ricostruire il clima del pianeta. Entrambe le scoperte sono pubblicate sulla rivista Science Advances.
Della grande quantità di acqua che una volta scorreva sulla superficie di Marte, oggi rimangono importanti riserve concentrate in calotte di ghiaccio superficiali o nel sottosuolo del pianeta. Marte ancora oggi perde costantemente acqua, sotto forma di idrogeno e ossigeno in forma gassosa che sfuggono dalla sua tenue atmosfera, liberandosi nello spazio. Comprendere l’interazione delle riserve d’acqua marziane e il loro comportamento sia al variare delle stagioni che su tempi più lunghi è fondamentale per capire l’evoluzione del clima di Marte. Questo può essere fatto attraverso lo studio del vapore acqueo e dell’acqua “semi-pesante”, dove un atomo di idrogeno è sostituito da uno di deuterio, un isotopo dell’idrogeno con un neutrone in più nel suo nucleo.
“Il rapporto deuterio/idrogeno, D/H, è il nostro cronometro – un potente strumento che ci racconta la storia dell’acqua su Marte, e come la perdita di acqua si è evoluta nel tempo. Grazie all’ExoMars Trace Gas Orbiter, ora possiamo capire meglio e calibrare questo cronometro e testarlo per tracciare potenziali nuove riserve di acqua su Marte”, dice Geronimo Villanueva del Goddard Space Flight Center della NASA, primo autore dell’articolo che descrive lo studio.
“Con il Trace Gas Orbiter possiamo osservare il percorso degli isotopologhi dell’acqua mentre salgono nell’atmosfera con un livello di dettaglio mai raggiunto prima. Le misurazioni precedenti fornivano solo la media sulla profondità dell’intera atmosfera. È come se prima avessimo solo una vista in 2D, ora possiamo esplorare l’atmosfera in 3D”, aggiunge Ann Carine Vandaele, principal investigator dello strumento Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) che è stato utilizzato per questa indagine.
Le nuove misurazioni rivelano una estrema variabilità del rapporto D/H con l’altitudine e la stagione, man mano che l’acqua sale dalla sua zona d’origine. “È interessante notare come i dati mostrino, una volta che l’acqua è completamente vaporizzata, soprattutto un generale arricchimento in acqua semi-pesante, e un rapporto D/H sei volte maggiore di quello della Terra in tutti i luoghi dove si trovano riserve idriche su Marte, confermando che grandi quantità di acqua sono state perse nel tempo”, dice Giancarlo Bellucci, coautore dell’articolo e alla guida del team scientifico italiano dello strumento NOMAD che è supportato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), la quale contribuisce attivamente da anni alle missioni verso il pianeta Marte e ha conquistato un’importante leadership internazionale sia scientifica che industriale.
“Le osservazioni di NOMAD suggeriscono quindi che Marte ha perso gran parte della sua acqua originaria, probabilmente a causa di meccanismi di trasporto ad alta quota come quelli osservati da NOMAD, dove la molecola viene poi disgregata dai raggi ultravioletti solari e dispersa nello spazio. Questi risultati – conclude Bellucci – sono stati ottenuti grazie all’importante contributo dell’Agenzia Spaziale Italiana che ha supportato anche il gruppo italiano coinvolto nelle attività scientifiche dello strumento NOMAD a bordo del TGO”.
I dati di ExoMars raccolti tra aprile 2018 e aprile 2019 hanno anche mostrato tre situazioni che hanno accelerato la perdita di acqua dall’atmosfera: la grande tempesta di polvere del 2018 che ha spazzato tutto il pianeta, una breve ma intensa tempesta regionale nel gennaio 2019 e il rilascio di acqua dalla calotta polare sud durante i mesi estivi legati al cambiamento stagionale. Di particolare rilievo è un pennacchio di vapore acqueo ben evidente durante l’estate nell’emisfero meridionale di Marte, che potrebbe immettere vapor d’acqua negli strati superiori dell’atmosfera marziana con cadenza sia stagionale che annuale. Future osservazioni coordinate con altri veicoli spaziali, tra cui MAVEN della NASA, che analizza gli strati esterni dell’atmosfera di Marte, permetteranno di comprendere meglio i processi di perdita dell’acqua nel corso dell’anno marziano.
“Il mutare delle stagioni su Marte, e in particolare l’estate notevolmente calda nell’emisfero meridionale, sembra essere la forza trainante dietro alle nostre osservazioni come per esempio la Perdita di acqua atmosferica e l’attività della polvere collegate al rilevamento di cloruro di idrogeno, che vediamo nei due studi più recenti”, continua Håkan Svedhem. “Le osservazioni del Trace Gas Orbiter ci consentono di esplorare l’atmosfera marziana come mai prima”.
Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Science Advances nell’articolo Water heavily fractionated as it ascends on Mars as revealed by ExoMars/NOMAD di Geronimo L. Villanueva, Giuliano Liuzzi, Matteo M. J. Crismani, Shohei Aoki, Ann Carine Vandaele, Frank Daerden, Michael D. Smith, Michael J. Mumma, Elise W. Knutsen, Lori Neary, Sebastien Viscardy, Ian R. Thomas, Miguel Angel Lopez-Valverde, Bojan Ristic, Manish R. Patel, James A. Holmes, Giancarlo Bellucci, Jose Juan Lopez-Moreno, NOMAD team
Una nuova chimica
“Abbiamo scoperto il cloruro di idrogeno per la prima volta su Marte. Questo è il primo rilevamento di gas alogeno nell’atmosfera marziana e rappresenta un nuovo ciclo chimico da studiare”, ha affermato Kevin Olsen dell’Università di Oxford, Regno Unito, uno degli scienziati principali della scoperta.
Il gas di cloruro di idrogeno o HC1, comprende un atomo di idrogeno e clorina. Gli scienziati che studiano Marte sono sempre stati alla ricerca di gas a base di cloro o di zolfo dal momento che sono possibili indicatori di attività vulcanica. Ma la natura delle osservazioni di cloruro di idrogeno – il fatto che sia stato rilevato contemporaneamente in località distanti, e la mancanza di altri gas che ci si aspetterebbe da un’attività vulcanica – punta a una fonte diversa. Pertanto, la scoperta suggerisce un’interazione superficie-atmosfera completamente nuova, guidata dalle stagioni polverose su Marte che non era stata esplorata in precedenza.
In un processo molto simile a quello che si osserva sulla Terra, sali nella forma di cloruro di sodio – resti di oceani evaporati e racchiusi nella polverosa superficie di Marte – vengono sollevati nell’atmosfera dai venti. La luce del Sole scalda l’atmosfera spingendo la polvere, insieme al vapore acqueo rilasciato dalle calotte polari, a salire. La polvere salina reagisce con l’acqua atmosferica rilasciando cloro, che a sua volta reagisce quindi con le molecole contenenti idrogeno creando il cloruro di idrogeno. Ulteriori reazioni hanno visto il cloro o polvere ricca di acido cloridrico ritornare sulla superficie, forse sotto forma di perclorato, una classe di sale formata da ossigeno e cloro.
“C’è bisogno di vapore acqueo per liberare il cloro e c’è bisogno di sottoprodotti dell’acqua – idrogeno – per formare cloruro di idrogeno. L’acqua è fondamentale in questa formula chimica”, commenta Olsen. “Si osserva anche una correlazione alla polvere: vediamo più cloruro di idrogeno quando l’attività è a pieno regime, un processo legato al riscaldamento stagionale dell’emisfero meridionale”.
Il gruppo di ricerca ha individuato il gas per la prima volta durante la tempesta di polvere nel 2018, osservandola comparire contemporaneamente sia nell’emisfero nord che in quello sud, e ha testimoniato la sua sparizione sorprendentemente rapida di nuovo al termine del periodo polveroso stagionale. Il gruppo sta già esaminando i dati raccolti durante la successiva stagione polverosa e già vede l’HC1 crescere di nuovo.
“È incredibilmente gratificante vedere i nostri sensibili strumenti rilevare un gas mai visto prima nell’atmosfera di Marte”, commenta Oleg Korablev, ricercatore principale dello strumento Atmospheric Chemistry Suite che ha fatto la scoperta. “La nostra analisi collega la nascita e il declino del gas cloruro di idrogeno alla superficie di Marte”.
Approfondite prove di laboratorio e nuove simulazioni atmosferiche globali saranno necessarie per meglio comprendere l’interazione superficie-atmosfera basata sul cloro, insieme a ulteriori osservazioni su Marte per confermare che l’ascesa e la caduta di HC1 è guidata dall’estate dell’emisfero meridionale.
“La scoperta del primo nuovo gas traccia nell’atmosfera di Marte è un’importante pietra miliare per la missione TGO – Trace Gas Orbiter”, afferma Håkan Svedhem, scienziato di progetto del Trace Gas Orbiter di ExoMars dell’ESA. “Questa è la prima nuova classe di gas scoperta dopo le osservazioni di metano rivelate da Mars Express dell’ESA nel 2004, che motivarono la ricerca di altre molecole organiche e si conclusero infine con lo sviluppo della missione TGO, per la quale il rilevamento di nuovi gas è un obiettivo fondamentale”.
