01:23 08 Aprile 2020
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Su Marte non vi sono emissioni anomale di metano: questo ciò che hanno stabilito gli scienziati russi sulla base dei dati ottenuti nell'ambito del programma ExoMars 2016. Questo contraddice le conclusioni tratte in precedenza in base alle misurazioni effettuate dal rover Curiosity e dalla sonda Mars Express.

Una quantità significativa di metano nell'atmosfera del Pianeta rosso sarebbe una speranza per la presenza della vita. Di questo e di altri argomenti Oleg Korablev, direttore del dipartimento di fisica planetaria presso l’Istituto per gli studi sullo spazio in seno all’Accademia nazionale russa delle scienze.

Gli scienziati trovano il metano

La questione della presenza o meno di metano (CH4) su Marte è da decenni al centro dell'interesse scientifico e pubblico. Sulla Terra, la maggior parte di questo gas serra è prodotta da organismi viventi. Una parte di esso proviene invece dal sottosuolo quando si sviluppano i depositi di combustibili fossili oppure come risultato dell'attività geotermica. Negli ultimi anni, il metano ha contribuito allo scioglimento del permafrost perenne nell'Artico, che nasconde depositi di gas idrati.

Finora su Marte non sono stati trovati né vita né vulcani né giacimenti di idrocarburi, anche se potenzialmente tutto ciò potrebbe effettivamente esserci. Ad esempio, se ci fosse acqua allo stato liquido sul pianeta rosso, vi sarebbero le condizioni necessarie per la formazione di cristalli di metano (clatrati). Tuttavia, il metano allo stato gassoso non dovrebbe esserci in linea teorica e invece è stato trovato.

Infatti, l'atmosfera di Marte è molto acida: per quasi il 96% è costituita da anidride carbonica. Sono presenti anche forti agenti ossidanti, come il perossido di idrogeno. Il metano non può durare a lungo in quelle condizioni. Inoltre, si deteriora a cause delle radiazioni solari. Le molecole di metano nell'atmosfera del pianeta rosso decadono in circa trecento anni. Se ve ne sono ancora molte, è possibile che la loro fonte si trovi sotto la superficie e che le emissioni si verifichino a cadenza regolare.

"Si è cercato il metano su Marte fin dalle prime spedizioni... I dispositivi allora erano, secondo gli standard moderni, imperfetti, ma si provò comunque a misurare la presenza di CH4 senza però molto successo. Nel 2003 abbiamo lanciato la Mars Express con lo spettrometro PFS a bordo, ideato grazie anche alla nostra partecipazione. Il suo ispiratore è stato il professor Vasily Moroz, a capo del nostro dipartimento per molti anni. Per questo motivo, si è tanto parlato del metano su Marte", sostiene Oleg Korablev.

La prima pubblicazione è di Vladimir Krasnopolsky, collaboratore della Catholic University of America (USA). Grazie ai dati raccolti dal telescopio terrestre "Canada - Francia - Hawaii", posizionato sul Monte Mauna Kea, è stata attesta la presenza di metano nell'atmosfera di Marte.

Successivamente è uscito un articolo sui risultati del lavoro condotto dal team PFS guidato dall'astrofisico italiano Vittorio Formisano e sono state pubblicate le riflessioni di Michael Mumm del Goddard Space Flight Center negli Stati Uniti, basate anche sulle misurazioni a terra (analisi completa pubblicata solo nel 2009).

Tutti e tre i gruppi scientifici hanno rilevato livelli simili di metano nell'atmosfera marziana: da 3 a 10 parti per miliardo in volume (ppbv). Si tratta dunque di una quantità di poco inferiore a quella rilevabile sulla Terra (dove è presente in 2 parti per miliardo).

Il metano c'è, ma da dove viene?

"La discussione su questo tema si è intensificata quando il rover Curiosity della NASA con una serie di strumenti SAM per la raccolta e l'analisi di campioni dell'atmosfera e del suolo ha iniziato a operare sulla superficie di Marte. È disponibile uno strumento particolare, lo spettrometro laser sintonizzabile TLS”, continua l’esperto.

Il TLS è stato ideato per condurre misurazioni sul contenuto di ossigeno e metano, nonché sulla composizione isotopica della CO2. L'aria prelevata dall'atmosfera viene riposta in una cuvetta di 20 cm e irradiata con un laser. Il fascio di luce viene riflesso 81 volte da specchi, per un totale di 16 m. L'assorbimento della radiazione laser su questo percorso ottico viene studiato da un rivelatore molto sensibile.

All'inizio i risultati del TLS, di cui si è occupato il gruppo di Chris Webster del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena (USA) hanno sortito esito negativo: niente metano. Due anni dopo è stato invece trovato, utilizzando tra l’altro un metodo per l’arricchimento del campione: l'anidride carbonica e il vapore acqueo sono stati pompati fuori dalla cuvetta con dell’aria. Questo ha fatto aumentare la pressione parziale di ciascuno dei gas rimanenti, permettendo così di misurare la concentrazione di metano a meno di una parte per miliardo in volume.

Sono stati confermati anche i precedenti picchi di concentrazione di metano. Già nel 2003, il gruppo di Mumm avevano registrato emissioni di metano durante la stagione estiva nell'emisfero boreale, pari a circa 45 ppbv. Si trattò di un evento unico, hanno suggerito gli scienziati. Tuttavia si deve ipotizzare che in superficie operi un dato agente in grado di far deteriorare il metano nell’arco di pochi anni. Molto probabilmente si tratta di un qualche tipo di agente ossidante.

Il rover Curiosity ha altresì registrato variazioni stagionali nella concentrazione di metano. I dati relativi a 3 anni marziani, che corrispondono a circa 6 anni terrestri, hanno mostrato la presenza di picchi di breve durata pari a circa 7 ppbv verso il finire dell'estate nell'emisfero boreale. Webster e i suoi colleghi hanno concluso che al di sotto della superficie si troverebbero piccole fonti locali di metano, probabilmente nel cratere Gale, dove il rover è in funzione dal 2012. Una pubblicazione del 2018 ha confermato questi risultati.

TGO non ha trovato metano. La questione è chiusa?

Nel 2016 ha preso inizio la prima fase del programma europeo ExoMars: il Trace Gas Orbiter, o semplicemente TGO, è entrato nell'orbita del pianeta rosso.

"Alla luce del grande interesse manifestato nei confronti del metano, tutti aspettavano con trepidazione il lancio del TGO. E comunque vi era la necessità di effettuare misurazioni indipendenti dei gas nell'atmosfera di Marte. Ad esempio, per verificare la presenza di tracce di alcuni processi chimici o di eruzioni vulcaniche che dimostrerebbero che questo non è affatto un pianeta morto dal punto di vista geologico. Lo studio dei costituenti atmosferici è la missione principale di questo satellite. A bordo sono attivi 2 strumenti su 4. Si tratta di spettrometri fra loro simili per principio di funzionamento, l’ACS russo e il Nomad belga", spiega Oleg Korablev.

Entrambi i dispositivi misurano gli spettri di radiazione delle molecole di gas nell'atmosfera in due modalità: tramite i raggi solari riflessi dalla superficie e mediante la radiazione termica emessa dal pianeta, nonché durante le eclissi, ossia osservando direttamente il Sole quando questo è nascosto dal pianeta.

"L'orbita è circolare e corta (400 km), con un periodo abbastanza breve. In un giorno terrestre riusciamo a osservare 24 eclissi: 12 albe e 12 tramonti. C’è moltissimo materiale da studiare”, spiega l’esperto.

Il TGO ha di fatto iniziato le misurazioni nella primavera del 2018.

"Per un satellite così pesante non è facile seguire un’orbita del genere. Ci è voluto più di un anno per utilizzare la tecnologia di frenata aerodinamica. Abbiamo osservato le prime eclissi il 21 aprile. I dati da quel momento fino all'ottobre 2018 hanno costituito la base di una pubblicazione apparsa su Nature. Il metano però non è stato rilevato. È importante che questo risultato sia stato raggiunto da due gruppi indipendenti di scienziati che hanno analizzato i dati di due diversi strumenti", sottolinea lo scienziato.

I ricercatori hanno lavorato a lungo per ripulire i dati dal rumore di fondo, che inficiavano l'accuratezza dei risultati. È stato calcolato il limite massimo della concentrazione di metano: 50 parti per trilione, ossia 10 volte meno del suo contenuto di fondo nell'atmosfera, registrato dal rover Curiosity.

Tale precisione è merito dell’ACS russo. La sua risoluzione è il doppio di quella dello strumento belga e 20 volte superiore a quella del PFS. Ha prestazioni migliori sia nell’osservazione delle eclissi sia in momenti di aumento della luminosità. Il Nomad belga è progettato sulla base dello spettrometro SPICAV/SOIR della missione Venus Express, anch’esso ideato ad opera di scienziati russi a metà degli anni 2000.

Non modellabile

"Non crediamo che ci siano errori nei dati del TLS. È un dispositivo ottimo dotato di una risoluzione spettrale assoluta. Al contrario, ACS e Nomad fanno riferimento al Sole, una fonte incoerente che appare bianca all'occhio umano. In realtà, non è così uniforme; bisogna tener conto delle linee di assorbimento nell’atmosfera. Prima lo spettrometro osserva il Sole e poi tramite esso l’atmosfera. Successivamente si riesce a dividere i due e a ottenere uno spettro chiaro dell’atmosfera”, spiega Korablev.

Un'altra caratteristica delle misurazioni orbitali è l'attenuazione del segnale causata da polvere e nuvole. E le nuvole su Marte, così come sulla Terra, sono formate da acqua ghiacciata.

"Se ignoriamo l'ossigeno, prodotto un miliardo di anni fa dalla biosfera terrestre, e saliamo ad un'altitudine di circa 20 km, ci troveremo in condizioni molto simili a quelle marziane", osserva lo scienziato.

Gli spettrometri orbitali misurano il profilo dell'atmosfera a partire da quota 200 km fino a diversi km sopra la superficie, mentre il TLS sul rover Curiosity sta operando in un cratere situato quasi all'equatore. Supponiamo che il rover sia incredibilmente fortunato e si trovi vicino all'unica fonte di metano su Marte.

"Se vi fosse anche solo un’unica emissione da quella fonte, le sue tracce scomparirebbero perché il metano ha vita breve. D'altra parte, il suo tempo di decadimento è pari a 300 anni. Allora perché la sua concentrazione cambia in maniera così significativa? L'atmosfera su Marte si mescola un po' più lentamente di quella terrestre, ma comunque nell’arco di un mese anche le regioni polari più stagnanti subiscono tale processo di miscelazione. E all'equatore avviene nel giro di pochi giorni. Se da qualche parte vi fossero delle emissioni periodiche, il metano si accumulerebbe gradualmente nell'atmosfera e in 20 anni raggiungerebbe livelli che avremmo già avuto modo di rilevare. In generale, non è ancora possibile valutare queste 2 fonti di dati a meno che non si supponga che ci siano ancora meccanismi a noi incomprensibili che si verificano nell'atmosfera", ha spiegato Korablev.

Oltre all'anidride carbonica e all'ossigeno l'atmosfera di Marte contiene in quantità esigue monossido di carbonio, azoto, argon e altri composti. I loro cicli vitali sono più o meno simili a quelli descritti dai modelli. È possibile calcolare anche il perossido di idrogeno. Mentre il metano per via dei suoi picchi e delle sue fluttuazioni stagionali non si inserisce in nessuno dei modelli fisici e chimici esistenti dell'atmosfera di Marte.

"Ogni pochi mesi viene pubblicato un articolo che propone un nuovo meccanismo che spieghi il deterioramento del metano in base a esperimenti di laboratorio che simulano l'atmosfera marziana. Per descrivere ciò che accade nell'atmosfera reale, è necessario modificare i modelli senza inficiare gli altri componenti. Finora non ha funzionato", ha spiegato l’esperto.

Un’altra emissione di metano, visibile solo agli Stati Uniti

L'articolo di Oleg Korablev e dei suoi colleghi, pubblicato nell'aprile 2019, ha sollevato un grande dibattito. Soprattutto alla luce del fatto che poco prima l’ennesima pubblicazione basata su dati PFS aveva confermato uno dei precedenti picchi di metano registrati dal rover e pari a 15,5 ppbv.

"Non voglio criticare nessuno, ma se ci fidiamo dei dati di Curiosity perché lo strumento stesso è in grado di misurare molto bene i livelli di metano, allora effettuare misurazioni di metano su PFS in tali quantità è alquanto discutibile. Infatti, si è al limite della sensibilità dello strumento", sottolinea lo scienziato.

Il PFS, o spettrometro in trasformata di Fourier, è stato ideato per studiare la superficie di Marte, creare modelli di temperatura dell'atmosfera, determinare la sua composizione gassosa mediante l’assorbimento della luce solare riflessa. La sua risoluzione spettrale è molto più bassa di quella di TLS, ACS e Nomad. Per misurazioni sensibili come quella della concentrazione di metano, non è molto adatto. Ciononostante, il fatto che lo spettrometro sia in orbita dal 2003 rende onore ai suoi sviluppatori.

"È un buono strumento, ma non per tutto. Lo spettrometro per TGO è stato progettato appositamente per il rilevamento del metano, mentre negli anni '90, quando fu realizzato il PFS (e la prima versione è stata sviluppata per la sonda sovietica Mars 96), nessuno osò suggerire di cercare il metano su Marte come traccia di organismi viventi. Questo avrebbe scatenato grandi proteste. Oggi invece le cose sono cambiate", aggiunge Sobolev.

Già il 24 giugno la NASA ha dichiarato che Curiosity ha registrato una grandissima emissione di metano nel cratere Gale pari a 21 ppbv, ossia 3 volte superiore a quella del 2013. Dopo poco è stato appurato che questo picco di breve durava si è dissolto altrettanto rapidamente riportando alla normalità i livelli di metano. Gli scienziati russi ed europei hanno verificato nuovamente i dati raccolti dal TGO in quel periodo, ma non hanno trovato alcuna traccia delle emissioni.

Scetticismo

Proprio come gli scettici del clima criticano il riscaldamento globale, così un gruppo di “metanoscettici” dubita della presenza di metano su Marte. Questi credono che sia tutta una trovata pubblicitaria e che i risultati siano estremizzati. Il leader di questo movimento è Kevin Zanle del Ames Space Science and Astrobiology Reseach Center della NASA il quale sovverte tutte le osservazioni astronomiche effettuate sul metano, evidenziando le numerose contraddizioni nell'analisi dei dati raccolti dal PFS. Tali critiche sono espresse anche da Frank Lefebvre del Laboratorio LATMOS (Francia). Una recente pubblicazione, opera di scienziati di Cambridge (Regno Unito) e dell'Università di Washington, mostra che la concentrazione di metano non dipende strettamente dai cicli stagionali.

"Io stesso ho iniziato con la sincera convinzione che avremmo trovato il metano", ammette Oleg Korablev, il quale specifica che al momento i dati più affidabili su questo parametro sono forniti solo da tre strumenti: ACS e Nomad sul TGO e TLS sul Curiosity.

Né i dati di osservazione a terra né le misurazioni in PFS sono paragonabili con questi. I dati raccolti dal MENCA, lo spettrometro di massa che analizza la composizione dell’esosfera marziana e dotato di un sensore al metano a bordo della sonda indiana Mars Orbiter Mission, non sono ancora stati pubblicati. Nell'articolo del 2019 sui risultati delle osservazioni del MENCA non si fa menzione del metano. Il robot InSite della NASA, che ora lavora in superficie, è dotato di una sola centrale meteorologica.

"Quindi le nostre misurazioni sul metano a lungo termine avranno l’ultima parola", conclude lo scienziato.

C'è vita su Marte?

A differenza della Terra, la cui superficie è sottoposta a costanti rivolgimenti, su Marte il sottosuolo è più calmo, quindi fuoriescono rocce molto antiche. Si ritiene che all'inizio del processo evolutivo, ossia più di 3 o 4 miliardi di anni fa, sul pianeta rosso vi sia stato un breve periodo caldo durante il quale in superficie l’acqua era allo stato liquido.

"Non sappiamo se la vita sia nata sulla Terra o in qualsiasi altro luogo, ma il fatto che ci sia stato uno scambio di materia tra i pianeti interni del Sistema solare è un dato di fatto. Sulla Terra ci sono meteoriti provenienti da Marte e, a quanto pare, è vero anche il contrario. L’interazione reciproca tra i pianeti non è da escludersi, o probabilmente la vita è stata portata da corpi non provenienti dal nostro sistema. Una volta che ha preso inizio, è quasi impossibile distruggerla: infatti, la vita si adatta alle condizioni più estreme. Vengono rilevati microrganismi a grandi profondità sulla Terra. Quindi, perché non dovrebbero esserci anche su Marte? Dopotutto in profondità c’è molto probabilmente acqua allo stato liquido”, sostiene Oleg Korablev.

Il rover che arriverà su Marte nell’ambito del progetto congiunto Roscosmos-ESA ExoMars 2020 studierà il sottosuolo del pianeta a una profondità di circa 2 metri.

"Ma penso che la soluzione ottimale per risolvere la questione sia riportare un campione di suolo marziano sulla Terra. Vi sono molti indicatori che permettono di selezionare i siti più promettenti per il campionamento, tra cui l'età e la composizione mineralogica. Il sistema SAM presente sul rover è in grado di datare il terreno. La cosa migliore sarebbe effettuare il campionamento in profondità. È improbabile trovare forme di vita, ma potremmo trovare qualche traccia", sostiene l’esperto.

È un compito molto difficile

Non è fattibile riportare sulla Terra nemmeno un campione di suolo nell’ambito di una spedizione perché non c’è abbastanza carburante. Dovremo, quindi, agire per gradi.

Per prima cosa, sarà necessario far arrivare il rover sulla superficie di Marte per raccogliere il campione. Questo è ciò che la NASA intende fare con la missione Rover 2020.

La fase successiva è l'invio del modulo, che preleverà i campioni dal rover e li porterà in orbita. Infine, il dispositivo porterà il campione in orbita e ritornerà sulla Terra. Affinché tutto questo funzioni, è necessaria una combinazione senza precedenti di sforzi ad opera delle principali agenzie spaziali e anche un po' di fortuna.

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scienza, emissioni, Marte, Marte
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