ExoMars scopre un nuovo gas e identifica perdite di acqua su Marte

Un importante studio nell'esplorazione di Marte è alla ricerca di gas atmosferici collegati all'attività biologica o geologica, e sta cercando anche di comprendere l'inventario passato e presente di acqua del pianeta, per determinare se Marte possa mai essere stato un pianeta abitabile e se eventuali riserve d'acqua possano essere accessibili per future esplorazioni abitate. Due nuovi risultati dal team di ExoMars appena pubblicati su Science Advances svelano una nuova chimica e forniscono maggiori informazioni sui cambiamenti stagionali e sulle interazioni superficie-atmosfera come forze trainanti dietro alle nuove osservazioni.

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 HCl, comprende un atomo di idrogeno e cloro. 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'HCl 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 HCl 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".

Il vapore acqueo in ascesa contiene gli indizi per l'evoluzione del clima

Oltre a nuovi gas, Trace Gas Orbiter sta affinando la nostra conoscenza di come Marte ha perso la sua acqua – un processo che è anche collegato ai cambiamenti stagionali.

Si pensa che una volta scorreva acqua allo stato liquido sulla superficie di Marte come evidenziato nei numerosi esempi di antiche valli asciutte e letti di fiume. Oggi, l'acqua è principalmente imprigionata nelle calotte polari e sepolta nel sottosuolo. Marte perde acqua ancora oggi, sotto forma di idrogeno e ossigeno che fuoriescono dall'atmosfera.

Comprendere l'interazione di potenziali riserve che potrebbero contenere acqua e il loro comportamento stagionale e sul lungo termine è la chiave per comprendere l'evoluzione del clima di Marte. Ciò può essere effettuato attraverso lo studio del vapore acqueo e di acqua 'semi-pesante' (dove un atomo di idrogeno è sostituito da un atomo di deuterio, una forma di idrogeno con un neutrone in più).

"Il rapporto deuterio-idrogeno, D/H, è il nostro cronometro – una potente metrica che ci racconta la storia dell'acqua su Marte, e come la perdita di acqua si è evoluta nel tempo. Grazie al Trace Gas Orbiter di ExoMars, adesso possiamo meglio comprendere e calibrare tale cronometro e testarlo per potenziali nuovi bacini d'acqua su Marte", afferma Geronimo Villanueva del Centro Spaziale Goddard della NASA e autore principale del nuovo risultato.

"Con TGO possiamo vedere il percorso degli isotopologhi dell'acqua mentre si alzano nell'atmosfera con un livello di dettaglio non possibile prima. Le precedenti misurazioni fornivano solamente la media nella profondità dell'atmosfera nell'insieme. È come se avessimo avuto soltanto una visione in 2D prima, mentre ora possiamo esplorare l'atmosfera in 3D", dice Ann Carine Vandaele, ricercatrice principale di NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), lo strumento utilizzato per questa indagine.

Le nuove misurazioni rivelano una drammatica variabilità di D/H con l'altitudine e la stagione quando l'acqua sale dalla sua sede originaria. "In maniera molto interessante, i dati ci dicono che una volta che l'acqua è completamente vaporizzata, si identifica principalmente un grande arricchimento comune nell'acqua semi-dura, e un rapporto D/H in tutte le riserve su Marte sei volte maggiore a quella della Terra, confermando che grandi quantità di acqua sono andate perdute nel tempo", aggiunge Giuliano Liuzzi dell'American University e Centro Spaziale Goddard della NASA, e uno degli scienziati principali dell'investigazione.

I dati ExoMars raccolti tra aprile 2018 e aprile 2019 hanno inoltre mostrato tre casi che hanno accelerato la perdita di acqua dall'atmosfera: la tempesta di sabbia globale del 2018, una breve ma intensa tempesta a livello regionale nel gennaio 2019, e rilascio di acqua dalla calotta polare meridionale durante i mesi estivi legata al cambiamento di stagione. Di particolare nota è una scia di vapore acqueo in ascesa durante l'estate al sud che potenzialmente inietta acqua nell'atmosfera superiore su base stagionale e annuale.

Future osservazioni coordinate con altri veicoli spaziali, incluso MAVEN della NASA che si concentra sull'atmosfera superiore, forniranno indicazioni complementari all'evoluzione dell'acqua nell'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”.

Nota per gli editori

Transient HCl in the atmosphere of Mars di Korablev et al, e Water heavily fractionated as it ascends on Mars as revealed by ExoMars/NOMAD di G. Villanueva e altri sono stati pubblicati nel numero del 10 febbraio 2021 di Science Advances.

I documenti si basano sui dati raccolti dagli strumenti ACS e NOMAD a bordo del Trace Gas Orbiter della missione ESA-Roscosmos ExoMars.

Un articolo di prossima pubblicazione, "Seasonal reappearance of HCl in the atmosphere of Mars during the Mars year 35 dusty season" by K. Olsen e altri è stato accettato per la pubblicazione su Astronomy & Astrophysics.

Per maggiori informazioni, si prega di contattare:

Oleg Korablev
ExoMars TGO ACS Principal Investigator
Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences
Email: Korab@iki.rssi.ru
 
Ann Carine Vandaele
ExoMars TGO NOMAD Principal Investigator
Royal Belgian Institute for Space Aeronomy,
Email: a-c.vandaele@aeronomie.be

Kevin Olsen
Department of Physics, University of Oxford, UK
Email: Kevin.Olsen@physics.ox.ac.uk

Geronimo Villanueva
NASA Goddard Space Flight Center,
Greenbelt, MD, USA
Email: geronimo.villanueva@nasa.gov

Giuliano Liuzzi
American  University / NASA Goddard Space Flight Center, USA.
Email: giuliano.liuzzi@nasa.gov

Håkan Svedhem
ESA ExoMarsTGO project scientist
Hakan.Svedhem@esa.int

ESA media relations
Media@esa.int