Il radar di Mars Express rivela la struttura complessa della ionosfera di Marte

Come le superfici solide o materiali stratificati anche l’atmosfera dei pianeti può essere investigata attraverso tecniche radar.

Nell’analisi dei dati, gli scienziati stanno esplorando la possibile correlazione tra la struttura della ionosfera e il comportamento dei campi magnetici della crosta di Marte.

MARSIS ha raccolto dati sulla ionosfera principalmente nel corso di osservazioni diurne nell’estate di quest’anno. I segnali radio emessi dal radar danno luogo a un’eco quando incontrano una regione della ionosfera nella quale il plasma – il gas di particelle cariche che compone la ionosfera – ha una frequenza naturale uguale a quella delle onde emesse dal radar. “Questa tecnica funziona particolarmente bene con un ionosfera a stratificazione orizzontale, come quella di Marte”, spiega Donald Gurnett, co-Investigator degli studi ionosferici di MARSIS.

Gli scienziati di MARSIS hanno scoperto la presenza di un gran numero di eco di forma inaspettata: a forma di iperbole, obliqui, che guardano verso il basso. Sono forme diverse da quell’eco verticale che normalmente ci aspetta quando viene prodotta per riflessione dall’interfaccia superiore della ionosfera.

Confrontando la mappa di questi eco ottenuta da MARSIS con quella del campo magnetico superficiale ricavata dai dati del Mars Global Surveyor, gli scienziati hanno osservato che le aree ionosferiche che generano gli eco obliqui corrispondono ad aree nelle quali il campo magnetico superficiale è particolarmente rilevante.

Questa corrispondenza fornisce un’ulteriore forte prova di una connessione stretta tra ionosfera e campi magnetici locali, originati nella crosta. Dove i campi magnetici superficiali diventano quasi verticali, si forma nella ionosfera sovrastante una concentrazione di particelle cariche lungo una struttura a fuso diretta verso l’alto, che origina l’eco obliqua registrata da MARSIS.

“In particolare, crediamo che la formazione di questo nucleo di particelle cariche, che incrementa localmente l’altezza della ionosfera, abbia a che fare con il riscaldamento causato dalle particelle cariche (elettroni) trasportate dal vento solare. Queste ultime penetrano nella ionosfera lungo il campo magnetico verticale e contribuiscono a incrementare la densità locale di particelle”, dice Gurnett.

Tuttavia, anche se in questo modo si spiega la maggior parte degli eco obliqui osservati, il campo campo magnetico superficiale non può spiegare tutti i casi rilevati. Nelle analisi future, gli scienziati di MARSIS vogliono esplorare altri meccanismi per la produzione di eco obliqui, includendo fra le possibili cause onde atmosferiche guidate dal vento ed eccitate dalla struttura topologica locale e vari altri tipi di onde generate in atmosfera dall’interazione con il vento solare.

MARSIS è sensibile ai campi magnetici in un modo completamente diverso e inaspettato. Gli impulsi dell’energia del radar eccitano il sottile plasma nelle vicinanze della navicella e i segnali che ne risultano oscillano a una frequenza che dipende dal campo magnetico.

MARSIS ha registrato anche altri eco inattesi. Per esempio, ci sono insolite riflessioni registrate durante le misure notturne: sarebbero impossibili in un’atmosfera stratificata orizzontalmente. Potrebbero indicare la presenza di “buchi” in atmosfera, zone cioè a bassa densità nella ionosfera, come quelle osservate nell’emisfero notturno di Venere.

Le misure di MARSIS hanno permesso fin qua un’ottima descrizione preliminare del modo con il quale la ionosfera reagisce quando l’attività solare e il conseguente bombardamento di particelle cariche aumentano. Per esempio questo effetto viene osservato quando alcune riflessioni superficiali durante lo studio della ionosfera variano in intensità seguendo le fiaccole solari, come quelle che sono occorse il 7 e il 15 settembre di quest’anno.

“Capire come si comporta la ionosfera e come si propagano le onde radio nelle varie condizioni è molto importante per calibrare lo strumento in preparazione poi dello studio degli strati sotto la superficie di Marte,” conclude Picardi. “L’analisi dei dati e la loro interpretazione dipende anche dalla comprensione dell’influenza della ionosfera sul segnale.”

Nota per gli editori

Le scoperte sono apparse nel numero di Science del 30 novembre, con il titolo “Radar soundings of the ionosfera of Mars”.

Gli autori sono: D.A. Gurnett, D.L. Kirchner, R.L. Huff, D.D. Morgan, A.M. Persoon, T.F. Averkamp and F. Duru (Dept. of Physics and Astronomy, Univ. of Iowa, USA); E. Nielsen (Max Planck Institute for Solar System Research, Lindau, Germany); A. Safaeinili and J.J. Plaut (NASA/JPL, Pasadena, USA); G. Picardi (Univ. of Rome, La Sapienza, Italy).

Mars Express è stato lanciato il 2 giungo 2003 ed è in orbita intorno a Marte daldicembre 2003. Il 19 settembre, l’ESA ha deciso di estendere la missione di un anno marziano (23 mesi), a partire dal dicembre 2005.

Per ulteriori informazioni:

Giovanni Picardi, MARSIS Principal Investigator
Univ. di Roma La Sapienza'
E-mail: picar@infocom.uniroma1.it

Jeff Plaut, MARSIS co-Principal Investigator, NASA/JPL
E-mail: plaut@jpl.nasa.gov

Donald Gurnett, MARSIS Co-Investigator for ionosphere studies
Univ. of Iowa, USA
E-mail: donald-gurnett@uiowa.edu

Agustin Chicarro, ESA Mars Express Project Scientist
E-mail: agustin.chicarro@esa.int

Fred Jansen, ESA Mars Express Mission Manager
E-mail: fjansen@rssd.esa.int

Enrico Flamini, ASI Mars Express Mission Manager
E-mail: enrico.flamini@asi.it