MESSA IN FUGA DALLE CORRENTI ELETTRICHE NELLA IONOSFERA

Maven sulle tracce dell’atmosfera perduta di Marte

Grazie a cinque anni di dati raccolti dalla sonda spaziale Maven della Nasa, è stato possibile creare una mappa delle correnti elettriche che fluiscono nell'atmosfera marziana. Svolgendo un ruolo fondamentale nella perdita dell’atmosfera, queste correnti hanno contribuito a trasformare il Pianeta rosso da mondo potenzialmente adatto alla vita a deserto inospitale. Tutti i dettagli su Nature Atronomy.

     02/06/2020
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I dati della sonda Maven della Nasa hanno permesso di ricostruire la prima mappa dei sistemi di corrente elettrica (frecce blu e rosse) che modellano il campo magnetico indotto che circonda Marte. Crediti: Nasa/Goddard/Maven/Cu Boulder/Svs

Si pensa che l’atmosfera di Marte, quattro miliardi di anni fa, fosse molto più densa di quanto lo sia oggi. Come ha fatto l’atmosfera di allora a evolversi in quella di oggi, fredda e arida? Maven (Mars Atmosphere e Volatile EvolutioN) è un satellite della Nasa in orbita attorno a Marte dal 2014, il cui obiettivo principale è proprio quello di capire come ciò sia potuto accadere, e lo facendo studiando l’atmosfera del Pianeta rosso, e in particolare il modo in cui i gas presenti nella sua parte superiore potrebbero essere riusciti a fuggire via, nello spazio.

Cinque anni dopo l’entrata in orbita attorno a Marte, i dati della missione hanno permesso la creazione di una mappa dei sistemi delle correnti elettriche che fluiscono nell’atmosfera marziana. «Queste correnti svolgono un ruolo fondamentale nella perdita atmosferica che ha trasformato Marte da un mondo che avrebbe potuto sostenere la vita in un deserto inospitale», dice il fisico sperimentale Robin Ramstad dell’Università del Colorado, Boulder. «Attualmente stiamo lavorando all’utilizzo delle correnti per determinare la quantità precisa di energia che viene prelevata dal vento solare e che alimenta la fuga dell’atmosfera». Ramstad è primo autore dell’articolo con il quale il gruppo ha presentato la ricerca, che è stato pubblicato il 25 maggio su Nature Astronomy.

Aurora australe ripresa l’11 settembre 2005 da un satellite Nasa. Crediti: Nasa.

Anche sulla Terra esistono questi sistemi di correnti, alcune delle quali riusciamo a vederle molto bene: sono le coloratissime aurore che dipingono i cieli notturni in prossimità delle regioni polari. L’aurora terrestre è fortemente legata alle correnti generate dall’interazione del campo magnetico terrestre con il vento solare: le particelle cariche del vento solare spiraleggiano lungo le linee di forza del campo magnetico, confluendo nei poli. Studiare il flusso di energia elettrica a migliaia di chilometri sopra le nostre teste, tuttavia, ci aiuta solo in parte a capire quanto è avvenuto (e sta avvenendo tuttora) su Marte. Fondamentalmente, la differenza sta nei campi magnetici dei due pianeti, perché mentre il magnetismo della Terra viene dall’interno, per Marte non è affatto così.

Il magnetismo terrestre proviene dal suo nucleo dove il ferro fuso, elettricamente conduttore, scorre sotto la crosta. Il suo campo magnetico è globale, il che significa che circonda l’intero pianeta. Poiché Marte è un pianeta roccioso, come la Terra, si potrebbe supporre che su di esso si verifichi la stessa cosa. Tuttavia, Marte da solo non genera un campo magnetico, se non piccole zone di crosta magnetizzata. È chiaro quindi che sul Pianeta rosso deve accadere qualcosa di diverso da ciò che osserviamo sulla Terra.

Il vento solare, costituito in gran parte da elettroni e protoni elettricamente carichi, soffia costantemente dal Sole a circa un milione e mezzo di chilometri all’ora, e interagisce con gli oggetti nel nostro Sistema solare. Anche il vento solare è magnetizzato e questo campo magnetico non riesce facilmente a penetrare nell’atmosfera superiore di pianeti non magnetizzati, come Marte. Ma le correnti che induce nella ionosfera del Pianeta rosso causano un accumulo e un rafforzamento del campo magnetico stesso, creando quella che viene chiamata magnetosfera indotta. Contrariamente agli analoghi sistemi di correnti nelle magnetosfere intrinseche – che sulla Terra sono stati mappati decenni fa – gli attuali sistemi di magnetosfere indotte sono in gran parte inesplorati. In particolare, il modo in cui il vento solare alimenta questa magnetosfera indotta su Marte non è ancora del tutto compreso.

Questa immagine è stata ottenuta da una visualizzazione scientifica delle correnti elettriche attorno a Marte. Le correnti elettriche (frecce blu e rosse) circondano Marte in una struttura annidata a doppio anello che avvolge il pianeta, dal suo lato giorno a quello notturno. Questi circuiti distorcono il campo magnetico del vento solare (non nella foto), che si estende intorno a Marte per creare una magnetosfera indotta in tutto il pianeta. Nel processo, le correnti collegano elettricamente l’atmosfera superiore di Marte e la magnetosfera indotta al vento solare, trasferendo energia elettrica e magnetica generata al confine della magnetosfera indotta (debole paraboloide interno) e allo shock dell’arco del vento solare (debole paraboloide esterno). Crediti: Nasa/Goddard/Maven/CU Boulder/Svs/Cindy Starr

Quando gli ioni e gli elettroni del vento solare si infrangono in questo forte campo magnetico indotto, sono costretti a separarsi a causa della loro opposta carica elettrica. Gli ioni scorrono in una direzione e gli elettroni nell’altra, formando correnti elettriche che si propagano dal lato illuminato a giorno al lato in cui è notte. Contemporaneamente, i raggi X e le radiazioni ultraviolette ionizzano in modo costante parte dell’atmosfera superiore, trasformandola in una combinazione di elettroni e ioni carichi elettricamente che possono condurre elettricità. «L’atmosfera di Marte si comporta un po’ come una sfera di metallo che chiude un circuito elettrico», spiega Ramstad. «Le correnti scorrono nella parte superiore dell’atmosfera, con gli strati di correnti più forti che persistono a 120-200 chilometri sopra la superficie del pianeta». Anche alcune missioni precedenti avevano osservato le prove della presenza di questi strati di correnti, ma non erano state in grado di mappare l’intero circuito, dalla sua generazione nel vento solare, a dove l’energia elettrica si deposita nell’atmosfera superiore.

Rilevare direttamente queste correnti nello spazio è incredibilmente difficile. Fortunatamente, le correnti distorcono i campi magnetici nel vento solare, rilevabili dal sensibile magnetometro di Maven. È così che il team ha utilizzato Maven per mappare in tre dimensioni la struttura del campo magnetico attorno a Marte e ha calcolato le correnti a partire dalla distorsione della struttura del campo magnetico stesso. «Con un’unica ed elegante operazione, è stato possibile derivare l’intensità e i percorsi delle correnti dalla mappa del campo magnetico», conclude Ramstad.

Rappresentazione artistica dell’ambiente marziano primitivo (a sinistra) – che si ritiene contenesse acqua liquida e un’atmosfera più densa – rispetto all’attuale ambiente freddo e secco. Maven orbita attorno a Marte per studiare la sua atmosfera superiore, la ionosfera e le interazioni con il Sole e il vento solare. Gli scienziati stanno usando i dati di Maven per determinare il ruolo che la perdita di sostanze volatili dall’atmosfera di Marte allo spazio ha avuto nel tempo, fornendo informazioni sulla storia dell’atmosfera e del clima di Marte, sull’acqua liquida e sull’abitabilità planetaria. Crediti: Nasa’s Goddard Space Flight Center

Senza un campo magnetico globale che circonda Marte, le correnti indotte dal vento solare possono formare una connessione elettrica diretta all’atmosfera superiore marziana. Le correnti trasformano l’energia del vento solare in campi magnetici ed elettrici che accelerano le particelle atmosferiche cariche nello spazio, guidando in questo modo la loro fuga.

I nuovi risultati rivelano diverse caratteristiche inaspettate rispetto all’obiettivo di Maven di comprendere come sia avvenuta la perdita di parte dell’atmosfera da parte del pianeta: l’energia che guida la fuga sembra essere attinta da un volume molto più grande di quanto si sia sempre ritenuto.

La perdita atmosferica guidata dal vento solare è andata avanti per miliardi di anni e ha contribuito alla trasformazione di Marte da un pianeta caldo e umido, che avrebbe potuto ospitare la vita, in un freddo e arido deserto. Tuttora Maven sta continuando a esplorare l’atmosfera del Pianeta rosso per indagare ulteriormente il processo e capire quanta dell’atmosfera originale del pianeta sia andata perduta.

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