Marte: così vicino, così lontano

Livia Giacomini

 

Indice:

Presentazione del pianeta Marte

C'è acqua su Marte?

Rocce da Marte

Il mistero della faccia

Links e materiale utile

 


Presentazione del pianeta Marte:

Marte è il quarto pianeta dal Sole ed è storicamente chiamato il pianeta rosso.
Il suo nome gli è stato dato dai romani, e deriva dal dio della Guerra.

Leggende su Marte

Perché ci interessa particolarmente Marte?
Prima cosa, Marte è di dimensioni molto simili alla Terra (è circa la metà della Terra) e per alcuni aspetti è molto simile al nostro pianeta
(clicca qui per vedere una tabella dei dati relativi Marte- Terra).
Inoltre, p
rima delle esplorazioni spaziali, Marte era considerato il pianeta con maggiori chances di ospitare la vita. Orson Wells nel 1938, seminò il panico nella popolazione mandando in onda un programma radiofonico dove veniva simulata l’invasione della terra da parte dei marziani...

Marte e' da sempre oggetto di leggende: inizialmente gli astronomi pensavano di vedere sulla sua superficie delle linee che potevano essere interpretate come canali di irrigazione scavati da qualche essere intelligente (alla fine del XIX secolo, Schiaparelli annuncio' di aver osservato delle immense linee diritte sulla superficie di Marte e a fine secolo, l'americano Lowell sostenne che queste osservazioni dovevano corrispondere a delle strutture costruite da esseri viventi...)
Un’altra causa delle leggende su Marte, era il cambiamento stagionale del colore della superficie del pianeta, che venne inizialmente interpretato come il cambiamento stagionale della vegetazione del pianeta (una specie di primavera marziana!).
Anche piu recentemente, nelle prime immagini del Viking, molti pensarono di vedere un'enorme scultura di una faccia che non poteva in alcun modo avere origini naturali...

Missioni ed osservazioni di Marte

In realtà, oggi Marte è stato fotografato e studiato da vicino.

Missioni passate  Mariner 3-4 | Mariner 6-7 | Mariner 8-9 | Viking 1-2 | Mars Observer |Pathfinder | Climate Orbiter | Polar Lander/Deep Space 2
Missioni presenti Mars Global Surveyor | 2001 Mars Odyssey 
Missioni future Mars Express | 2003 Mars Exploration Rovers | 2005 and beyond 


Un breve riassunto delle principali tappe storiche:

Questi esperimenti portano a dei risultati importanti: prima di tutto l’atmosfera viene analizzata in dettaglio ed in secondo luogo, malgrado un’enigmatica attività chimica nel suolo, non si trova nessuna prova della presenza di microorganismi.

I biologi deducono che le radiazioni ultraviolette e l’estrema aridità del suolo impediscono la formazione di questi ultimi, innescando meccanismi di auto-sterilizzazione del pianeta. Rimangono solo dei dubbi sulla possibilità che Marte ospitasse vita nel lontano passato.


Cosa si è scoperto fino ad ora:

CO2 95,32%
N2 2,7%
Argon 1,6%
Ossigeno 0.13%
H2O 0.03%

 


C'e' acqua su Marte?

Uno degli studi piu' interessanti riguarda la presenza di acqua su Marte. Ma perché l'acqua è così importante?

- e' fondamentale per l'esistenza della vita
- e' fondamentale per l'esplorazione terreste (puo' costituire gasolio per le astronavi e un importante bene di consumo per gli astronauti...)
- studiare la presenza e lo stato dell'acqua sul pianeta permette di seguire i cambiamenti climatici...

Oggi, alcuni argomenti specifici riguardanti la presenza di acqua su Marte sono stati studiati in dettaglio:

Nell’atmosfera di Marte ci sono delle tracce di acqua in forma gassosa (circa 1/1,000 di quella presente sulla Terra). Ma qual'e' il ciclo dell'acqua nell'atmosfera? In altre parole, come evolve la presenza dell'acqua al variare dell'anno marziano?

Nel grafico a destra e' rappresentata in blu l'abbondanza totale di vapor acqueo (in GT) in funzione dei giorni marziani.
Sono inoltre rappresentate in rosso e verde il vapore dovuto all'evaporazione delle due calotte polare (i valori provengono da calcoli effettuati su modelli teorici).

Si deduce che la maggior parte dell'acqua presente nell'atmosfera proviene essenzialmente dal disgelamento delle calotte polari.

 

Oggi, l'esistenza di acqua allo stato liquido sulla superficie del pianeta e' del tutto impossibile. La pressione atmosferica sulla superficie di Marte è circa 100 volte inferiore a quella terrestre: l’acqua bolle e evapora appena in superficie in modo violento e esplosivo.

Ma se questo e' vero oggi, non sembra esserlo per il passato del pianeta. Gia' 28 anni fa, Il Mariner 9, trovo' evidenza di canali e vallate sulla superficie, dimostrando che miliardi di anni fa sulla superficie di Marte c’era acqua liquida.

Oggi le immagini piu' recenti permettono un dettaglio allora inimmaginabile...

In questa immagine e' possibile vedere un sistema di canali del tutto simile a quello che si vedrebbe dalla Terra: l'assenza di strutture che indichino una fuoriuscita violenta dell'acqua dimostra che nel lontano passato, il pianeta aveva un clima molto meno secco ...

http://www.solarviews.com/r/mars/network.gif

 

La topografia del pianeta Marte e' stata tracciata con grande precisione e sono state individuate delle strutture che nel passato, potevano essere delle vere e proprie isole, i letti di oceani e, addirittura, si parla oggi di continenti marziani...


http://www.solarviews.com/cap/mgs/mgstopo1.htm

 

A questo punto, avendo scoperto la presenza nel lontano passato di grandi quantita' d'acqua, e la relativa assenza odierna d'acqua nell'atmosfera di Marte, una domanda sorge spontanea: dov'e' andata a finire l'acqua di Marte?

Una delle prime ipotesi era che quest'acqua fosse sfuggita all'atmosfera di Marte per qualche motivo.

Recentemente (Giugno 2000) dalle immagini del Mars Global Surveyor della NASA sono state osservate delle strutture geologiche che sembrano suggerire la presenza di sorgenti contemporanee di acqua liquida sulla superfice (o appena sotto la superfice)...

Questa immagine mostra una porzione di 300 km di un canale. La struttura di questi canali mostra chiaramente l'erosione dell'acqua. Inoltre la sorgente del canale sembra suggerire che l'acqua sia stata rilasciata in modo violento da uno strato di ghiaccio sotterraneo, causando il crollo delle regioni sovrastanti.Copyright: Calvin J. Hamilton; LPI

Per vedere l'immagine piu' dettagliata:
http://www.solarviews.com/r/mars/outflow.gif

Queste immagini sono molto simili a quello che si osserverebbe sulla terra in seguito ad un'inondazione: depositi di rocce trasportate dall'acqua e formazione di zone scavate da acqua. Queste strutture potrebbero essere vecchie di milioni di anni ma molti scienziati credono che siano recentissime. In questo caso, queste immagini sembrano suggerire una teoria per comprendere dove sia finita l'acqua di Marte

Una risposta plausibile sembra essere che l’acqua sia finita nel sottosuolo, dove potrebbe ancora essere conservata. Si pensa che l’acqua si trovi a circa 100-400m di profondità, in regioni specifiche del pianeta. Il processo che comincerebbe a far uscire l'acqua stoccata in questi "serbatoi" naturali è misterioso (potrebbe essere legato all’attività volcanica). Una volta innescato questo meccanismo, l'acqua che arriva sulla superficie del pianeta bolle e evapora in modo violento ed esplosivo. In questo modo si spiegano anche le strane strutture geologiche (le regioni crollate intorno alle sorgenti di acqua) che accompagnerebbero questo processo.

 

Perche' l'acqua evapora sulla superficie di Marte ad una Temperatura così bassa?

La superficie di Marte e' ad una temperatura molto bassa: come puo' l'acqua evaporare istantaneamente in queste condizioni?

Per comprendere questo concetto (contrario all'opinione comune) bisogna avere qualche nozione di termodinamica.
Prima cosa, tutti i materiali sono in un determinato stato (solido gassoso o liquido) a seconda delle condizioni esterne di temperatura e pressione. I cambiamenti di stato (per esempio da liquido a gassoso) avvengono al variare di queste condizioni (temperatura e pressione).

Per esempio, sulla Terra, a Pressione ambiente, l'acqua bolle a 100 gradi. Se aumenta la pressione (in montagna) l'acqua bolle ad una temperatura inferiore.

Le condizioni specifiche in cui avvengono i passaggi di stato sono riportate in un grafico chiamato diagramma di stato relativo all'elemento considerato (in questo caso, per esempio l'acqua).

Sulla superficie di Marte la pressione è bassisima e la temperatura a cui avviene il passaggio dallo stato solido allo stato gassoso è a temperatura molto bassa!

 

Proposte di approfondimento:
Proponiamo, come materiale di lavoro, un serie molto completa di esperienze preparate dalla NASA su questo tema (vedi tra il materiale disponibile a fine documento: il file acqua )...

 

Perche' nel passato poteva esserci acqua liquida?

Perche' nel lontano passato del pianeta poteva esserci acqua liquida sulla superficie del pianeta? L'unica spiegazione plausibile e' che fossero molto diverse le condizioni di pressione del pianeta (poiche' e' impensabile che la temperatura abbia raggiunto dei valori tali da non far evaporare l'acqua). Ma come poteva la pressione essere cosi' profondamente diversa nel passato?

Il concetto fondamentale e' che la pressione dipende fortemente dalla denistà dell'atmosfera. Possiamo infatti partire dall'esperienza terrestre per mostrare che l'aria ha un peso specifco e la pressione atmosferica sulla Terra è proporzionale a quanta aria rimane nelle vicinanze della superficie, attratta dalla gravita' del pianeta (l'atmosfera).

Per quanto riguarda Marte, ci sono molte tracce che, nel passato, l'atmosfera di Marte fosse molto più densa di oggi. Questo vorrebbe dire che la pressione poteva essere molto piu' alta e dunque, anche a T possibili, l'acqua poteva sopravvivere allo stato liquido in superficie!


Proposte di approfondimento:
Anche in questo caso proponiamo, come materiale di lavoro, un serie molto completa di esperienze prepate dalla NASA per far comprendere il concetto di pressione...

 

 


Rocce da Marte

 

Un meteorite e' un oggetto (che puo' essere una particella di polvere un piccolo asteroide, una cometa...) che, essendo catturato dall'attrazione gravitazionale di un pianeta, cade sulla superficie del pianeta stesso. Se, in questa caduta esso si trova ad attraversare l'atmosfera del pianeta, subisce l'effetto dell'attrito che puo' arrivare a bruciarlo completamente (le meteore sono esempi classici in cui l'attrito si trasforma in calore ed in particolare, da' vita alla scia luminosa). Se l'oggetto (o una parte di esso) sopravvive a questo fenomeno, arriva sul pianeta dove puo' causare crateri da impatto con danni piu' o meno gravi.

I meteoriti non sono facili da classificare dato il grande numero di corpi da cui possono essersi inizialmente staccati. E' per qusto motivo che nascono continuamente nuovi gruppi e sottogruppi. Comunque, i tre gruppi principali rimasti da sempre invariati sono :

 

Meteoriti rocciosi (Chondrite e Achondrite)
I Chondrites sono i piu comuni( 85,7% ).
Sono i piu antichi (4.5 milioni di anni)

Photo: NASA/JPL
Achondrites sono i secondi

Photo: NASA/JPL
Meteoriti Ferro-rocciosi
1,5 % di quelli che cadono sulla terra

Meteoriti Ferrosi
5.7 % del totale.

Photo: NASA/JPL

 

La ricerca dei meteoriti viene effettuata principalmente in Antartide...Infatti, l'Antartide è un posto speciale per questa attività di ricerca (la metà di tutti i meteoriti trovati sulla Terra proviene da questa regione). La prima ragione è che i meteoriti che cadono in questa zona vengono conservati per lunghissimi periodi di tempo praticamente intatti. Inoltre esistono dei meccanismi che tendono a spostare i meteoriti e concentrarli nelle zone dove il ghiaccio incontra una struttura rocciosa. Infine, i meteoriti (soprattutto quelli di colore scuro) sono facilmente visibili sulla superficie di ghiaccio.
La maggior parte dei meteoriti trovati è caduto sulla crosta di ghiaccio nell'ultimo milione di anni...

Uno degli scopi primari dello studio dei meteoriti e' la determinazione della storia e dell'origine dei corpi da cui essi provengono inizialmente. La maggior parte dei meteoriti proviene da asteroidi ma in alcuni casi sono stati riconosciuti dei meteoriti provenienti dalla Luna o da Marte...

 

Oggi ci sono 12 meteoriti che sono stati individuati sicuramente come provenienti da Marte. Queste rocce sono molto piu' recenti dei meteoriti normalmente provenienti da asteroidi (1.3 miliardi di anni contro i 4.5 degli asteroidi)
Come viene individuata la provenienza marziana di un meteorite? Principalmente, le misure del gas intrappolato all'interno del meteorite indica una composizione del tutto simile all'atmosfera marziana (così come è stata misurata dal Viking). Una seconda possibilità è che la roccia abbia una composizione molto simile alle rocce del pianeta.
Come sono arrivate queste rocce marziane sulla Terra? L'unico meccanismo naturale capace di lanciare queste rocce con energia sufficiente (la velocità di fuga per lasciare Marte deve essere 5.4 Km/s) sembra essere un impatto sulla superficie stessa del pianeta. Questo impatto dovrebbe essere così importante da lasciare un cratere di 10-100Km. Le rocce, prima di arrivare sulla Terra, hanno passato milioni di anni nello spazio.

 


EETA 79001

Un secondo meteorite
da Marte

I due meteoriti nell'immagine sono stati trovati in Antartide e sono stati interpretati come provenienti da Marte anche se molto diversi. Il meteorite a sinistra e' coperto da uno strato di fusione (uno strato vetroso di color nero che si e' formato nell'attraversare l'atmosfera terrestre) ma e' composto di basalto . Si pensa che la sua origine sia un'eruzione vulcanica 180 milioni di anni fa. Il secondo (a destra) e' stato raccolto nel 1979, e contiene minerali molto simili a quelli delle rocce di Marte. Si pensa che questo minerale abbia 180 milioni di anni.

 

Cosa ci dicono i meteoriti:

- prima di tutto studiando il gas catturato all'interno della roccia è possibile risalire al pianeta da cui provengono (Marte e' caratterizzato da un particolare isotopo) ma è anche possibile seguire i cambiamenti dell'atmosfera del pianeta.
- ci danno indicazione sull'attività vulcanica (piu' giovani, ci dicono che l'attività vulcanica è continuata fino a 170 milioni di anni)
- dalle microfratture è possibile risalire agli impatti subiti dal pianeta
- danno chiare indicazioni sulla presenza di acqua nella storia del pianeta

I meteoriti provenienti da Marte sono una prova tangibile dei processi avvenuti sul pianeta durante la sua evoluzione.

I meteoriti più antichi sembrano essersi formati dalla cristallizazzione del magma avvenuta subito dopo la differenziazione tra mantello e crosta (4.5 miliardi di anni fa). Hanno dimostrato che sul pianeta c'era acqua, c'erano violenti impatti, attività vulcanica...

 

ALH84001 è una roccia di circa 2 Kg trovata nel 1984 in Antartide. E' stata conservata (con migliaia di altre rocce) nel Johnson Space Center fino al 1993, quando la sua origine marziana è stata riconosciuta.

ALH84001 è una roccia di circa 4.5 miliardi di anni, che sembra essersi staccata dal pianeta rosso 16 milioni di anni fa per un immenso impatto e che cadde in Antartide 13000 anni fa.

Esso è stato riconosciuto provenire da Marte perchè contiene tracce di gas del tutto simili all'atmosfera marziana .


Photo: courtesy of NASA

La storia di ALH84001:

I dati scientifici forniti da ALH84001:

- la chiara origine marziana è dimostrata dalla distribuzione isotopica dell'ossigeno (la presenza relativa degli isotopi 16, 17 e 18 è caratteristica del pianeta)

- l'eta' della roccia è stata stabilita intorno ai 4.5 miliardi di anni con la datazione di alcuni radioisotopi.

- la durata della permanenza nello spazio. Quando si trova nello spazio la roccia è bombardata da raggi cosmici e particelle ad alta energia. Interagendo con alcuni atomi, si producono degli isotopi altrimenti inesistenti: per esempio elio3 . Studiando l'abbondanza di questi elementi si è dedotto che la meteorite è restata per 16 milioni di anni nello spazio.

- La durata della permanenza nel ghiaccio è stata determinata con la datazione del carbonio 14. Esposti ai raggi cosmici, i silicati formano carbonio 14 fino a saturazione, che avviene dopo un certo tempo (quando il decadimento e la produzione si uguagliano). Quando il meteorite non è più esposto ai raggi cosmici, continua il decadimento (con un tempo caratteristico di 5700anni) ma cessa la produzione .

 

Ma ALH84001 è un meteorite marziano molto speciale, poichè sembra contenere la prova che forme di vita primitive esistevano su Marte.

L'affermazione e' infatti molto chiara e precisa: un gruppo di scienziati della NASA (del Johnson Space Center e della Stanford University) ha dichiarato di aver trovato prove che fortemente suggeriscono che forme di vita primitiva possano essere esistite su Marte piu' di 3.6 miliardi di anni fa.

La prima prova consiste nella presenza, all'interno di questa roccia, di strutture chiamate micromagnetites con una forma caratteristica (esagonale quando viste da un lato, rettangolari se viste da un altro) che non è mai stata trovata di origine non biologica. Inoltre sono stati osservati dei fossili di quello che sembrano essere minuscoli organismi simili a batteri. La presenza di entrambe i fattori può essere spiegata in modo diverso dalla presenza di una forma di vita primitiva, ma in realtà quest'ultima spiegazione sembra la più semplice e la più plausibile...

In questa foto si vedono i grani di carbonati
(di dimensione 100microns). La struttura e la
chimica di questi minerali sembrano suggerire
che essi si siano formati in presenza di
organismi simili ai batteri terrestri.
In questa immagini presa al microscopio elettronico
si vedono delle strutture tubolari di origine marziana
che molti interpretano come fossili di microorganismi...

 

Proposta di approfondimento:
Capire come cosa sono i meteoriti, come vengono raccolti e come vengono studiati...
(vedi i links a fine documento)

 


Il mistero della faccia di Marte

Uno dei misteri piu' interessanti riguardante Marte e' la struttura della faccia visibile nelle immagini del Viking. In particolare, questa faccia è stata scoperta nel 1976 dagli scienziati della JPL (NASA) mentre cercavano un luogo adatto all’atterraggio per il Viking 2 Lander (immagine di sinistra).
Questa faccia venne inizialmente presa come una prova "sicura" dell'esistenze di forme di vita aliene su Marte: si pensava che questa struttura non poteva essere naturale ma doveva essere un edificio o un monumento. Addirittura, si arrivo' ad affermare che anche la presenza e la disposizione delle strutture geologiche circostanti la faccia (gli altri edifici della citta'!) erano una chiara prova della presenza di forme di vita organizzate (immagine di destra).

 


Copyright: © Calvin J. Hamilton

Immagine del Viking 1 da una distanza di
1873 Km.

Dal viking al MGS: l'importanza della risoluzione


In realta', queste prime osservazioni furono inizialmente realizzate su immagini a bassissima risoluzione. Le
leggende furono sfatate nel seguito della storia di Marte: il mistero si è risolto definitvamente il 6 aprile 1998 grazie al Mars Global Surveyor, che produsse immagini molto piu' dettagliate della zona

Queste nuove immagini furono prese da una distanza di 444 km ed hanno una risoluzione di 4.3 meters per pixel, 10 volte maggiore del Viking. Queste stesse immagini furono inoltre trattate secondo i piu' moderni procedimenti di trattamento immagini per essere piu' leggibili. I risultati sono stupefacenti...


Copyright NASA: A sinistra immagine del Viking, in centro una porzione
dell'immagine del MGS e a destra la stessa immagine trattata per eliminare le ombre.

 

La verita' della faccia su Marte

Qual' è la verità della faccia su Marte? La realtà sembra essere molto diversa da quanto detto fino ad ora: è una grande formazione di colline. La somiglianza con un volto è data dalle ombre (che al momento della foto era a 20 gradi). Inoltre il trattamento dell'immagine realizzato all'epoca (l'ingrandimento e gli altri processi per aumentare la precisione dei dettagli) aumentarono involontariamente la somiglianza.

 

Proposte di approfondimento:
Sarebbe interessante preparare delle lezioni per familiarizzare gli alunni con l'uso scientifico delle immagini ed il loro trattamento. In particolare suggeriamo i seguenti punti, che possono essere sviluppati seguendo i links a fine documento:
- un'immagine è un oggetto digitale, composto da un insieme di punti luminosi (la fotografia e la CCD)
- cos'e' la risoluzione: esperienze per capire come questa influisca sull'immagine
- quanto e' importante l'angolo della luce Esperienza pratica...
- il trattamento delle immagini
- la ricostruzione di un oggetto in 3 dimensioni

 


LINKS UTILI:

http://www-mgcm.arc.nasa.gov/
http://www.solarviews.com/ enciclopedia
http://www-curator.jsc.nasa.gov/sn/outreach/planetaryscience.htm scienze planetarie
http://mpfwww.jpl.nasa.gov/ il sito della JPL (NASA ) su Marte

http://humbabe.arc.nasa.gov/MarsToday/MarsWater.html

http://www.fas.org/mars/missions.htm un riassunto delle missioni
http://mars.jpl.nasa.gov/mgs/ MARS GLOBAL SURVEYOR
http://mars.jpl.nasa.gov/msp98/index.html Il mars polar lander
http://www.jpl.nasa.gov/basics/ i concetti base delle missioni

http://mars.jpl.nasa.gov/mgs/msss/camera/images/4_6_face_release/index.html
http://www.msss.com/education/facepage/vikingproc.html
http://www.solarviews.com/eng/viking.htm
http://quest.arc.nasa.gov/mars/teachers/tg/program5/5.2.html esperienza gia' realizzata sulla faccia
http://barsoom.msss.com/education/facepage/face.html Come è stata analizzata l'immagine

http://www.solarviews.com/eng/marslif1.htm
http://www-curator.jsc.nasa.gov/curator/antmet/antmet.htm perchè in Antartide?

http://www-curator.jsc.nasa.gov/sn/outreach/activities/destmars/destmars.htm Esperienza su Marte in generale
http://nova.stanford.edu/projects/mod/lessons.html
http://quest.arc.nasa.gov/mars/teachers/tg/index.html
http://school.discovery.com/lessonplans/programs/temperatureandpressure/index.html temperatura e pressione

 

INFORMAZIONI UTILI:

DATI relativi: il confronto Marte Terra

Mass (Earth = 1)

1.0745e-01

Equatorial radius (Earth = 1)

5.3264e-01

Mean distance from the Sun (Earth = 1)

1.5237

Rotational period (hours)

24.6229

Orbital period (days)

686.98

Minimum surface temperature

-140°C

Mean surface temperature

-63°C

Maximum surface temperature

20°C

Atmospheric pressure (bars)

0.007

 

MATERIALE DIDATTICO UTILE:

Per scaricare il materiale della NASA, cliccare sui files sottostanti (files in formato pdf, che necessitano Acrobat reader):

Materiale didattico della NASA riguardante l'acqua su Marte
Nasa-water.pdf
 

 


 

 

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