Come la Terra, Marte subisce variazioni climatiche nel corso di un anno a causa della natura inclinata della sua orbita (ovvero cambiamento stagionale). Allo stesso modo, queste variazioni di temperatura determinano l'interazione tra l'atmosfera e le calotte polari. Sulla terra, le variazioni stagionali della temperatura e delle precipitazioni fanno sì che la calotta polare in un emisfero cresca mentre la calotta nell'altro emisfero si restringa.

Su Marte, però, le cose funzionano in modo leggermente diverso. Oltre alla neve che piove sulle calotte polari durante l'inverno, le calotte polari marziane ricevono anche una grande quantità di anidride carbonica congelata ("ghiaccio secco") oltre alla neve. Recentemente, un team internazionale di scienziati ha utilizzato i dati della missione Mars Global Surveyor (MGS) della NASA per misurare come crescono e si ritirano le calotte polari del pianeta. I loro risultati potrebbero fornire nuove informazioni su come varia il clima marziano a causa del cambiamento stagionale.

Lo studio che descrive i loro risultati è stato condotto da Haifeng Xiao, un assistente di ricerca presso l'Istituto di Geodesia e Scienze della Geoinformazione presso l'Università Tecnica di Berlino. È stato raggiunto da ricercatori della Stanford University, l'Université Paris-Saclay, l'Istituto Universitario di Francia, e l'Istituto di ricerca planetaria del Centro aerospaziale tedesco (DLR) e l'Istituto di fisica dell'atmosfera.

Quello che sappiamo delle calotte polari marziane indica che sono composte da tre parti. Primo, c'è la calotta glaciale residua (o permanente), che consiste in lastre di ghiaccio d'acqua spesse diversi metri al Polo Nord, e un foglio spesso 8 metri (~10 piedi) di anidride carbonica congelata al Polo Sud. Al di sotto di questi ci sono i depositi stratificati polari (PLD), che sono spessi da 2 a 3 km (mi) e composti da ghiaccio d'acqua e polvere.

L'ultima è la calotta di ghiaccio stagionale, uno strato di CO . congelata ₂ depositati in cima alle calotte glaciali permanenti ogni inverno. Per il loro studio, Haifeng e i suoi colleghi si sono concentrati sulle calotte glaciali stagionali per rivelare come sono influenzate dalle variazioni delle temperature stagionali e dalla radiazione solare, e come questo è associato alle variazioni annuali del clima di Marte. Come ha detto Haifeng a Universe Today via e-mail:

"Ogni anno marziano, circa il 30% della CO . dell'atmosfera ₂ la massa è in vivo scambio con le superfici polari attraverso la deposizione/sublimazione stagionale. Le variazioni temporali dei livelli e dei volumi di neve/ghiaccio associate a questo processo possono porre vincoli cruciali al sistema climatico di Marte e ai modelli di circolazione volatile.

"Inoltre, l'accumulo stagionale della CO ₂ il ghiaccio per formare queste calotte polari stagionali può essere colpito da tempeste di polvere, punti freddi, venti catabatici e orografici, e ombra locale. Così, le variabilità a breve e lungo termine delle calotte polari stagionali potrebbero anche indicare le variabilità del clima di Marte».

Durante un anno marziano, che dura oltre 687 giorni terrestri (o 668,5 sol), i cambiamenti stagionali portano alla migrazione dell'anidride carbonica atmosferica dal Polo Nord al Polo Sud (e viceversa). Queste azioni stagionali sono responsabili del trasporto di grandi quantità di polvere e vapore acqueo, che porta a gelate e alla formazione di grandi cirri visibili dallo spazio.

Questo processo di sublimazione e scambio tra i poli è anche responsabile di notevoli caratteristiche geologiche su Marte, come il terreno araneiforme (noto anche come "ragni") vicino al Polo Sud e il modo in cui i campi di dune nei piani settentrionali si solcano con l'arrivo delle stagioni. Come ha spiegato Haifeng, comprendere la relazione tra le calotte polari stagionali e la formazione delle caratteristiche geologiche su Marte potrebbe portare a una migliore comprensione dell'ambiente marziano.

Negli ultimi due decenni, le misurazioni delle calotte polari sono state condotte utilizzando vari metodi:variazione di gravità, neutrone, e flusso di raggi gamma e modellato sulla base dei modelli di circolazione generale e bilancio energetico. Per il loro studio, Haifeng e i suoi colleghi si sono basati sui dati ottenuti dallo strumento Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) a bordo dell'MGS per ottenere misurazioni accurate dell'altezza e del volume delle calotte polari di Marte nel tempo.

Ciò consisteva nel rielaborare i record di dati dell'esperimento di precisione MOLA (PEDR) - o le letture dell'altimetria individuali di MOLA - utilizzando gli ultimi dati orbitali MGS disponibili e il modello rotazionale di Marte. Hanno quindi autoregistrato questi profili in un modello digitale del terreno (DTM) autoconsistente, che serviva come misura di superficie media statica per Marte. Come ha spiegato Haifeng:

"Abbiamo proposto e convalidato la co-registrazione di segmenti di profilo dinamico locale Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) a modelli statici Digital Terrain Models (DTM) come approccio per ottenere CO stagionale ₂ variazioni di profondità della copertura di ghiaccio su Marte. Inoltre, abbiamo anche proposto una procedura di post-correzione basata sugli pseudo cross-over di profili MOLA per migliorare ulteriormente la precisione delle serie temporali di variazione di profondità."

Il risultato di ciò è stata una serie di misurazioni del cambiamento di altezza con una precisione di ~ 4,9 cm (1,93 pollici) e variazioni di altezza da picco a picco di ~ 2,2 m (7,2 piedi). Il team ha anche esteso questi risultati all'intero Polo Sud, che sperano di trattare in maggior dettaglio in un altro studio di prossima pubblicazione. Haifeng e i suoi colleghi hanno anche in programma di confrontare i loro risultati con i dati dell'altimetria radar ottenuti dall'ecoscandaglio SHAllow RADar (SHARAD) a bordo del Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) della NASA.

"Come passo successivo, Proveremo l'altimetria radar SHARAD per convalidare in modo incrociato le misurazioni MOLA e per derivare l'evoluzione stagionale della profondità a lungo termine delle calotte polari stagionali di Marte, che sarà importante anche per valutare la stabilità a lungo termine delle calotte polari residue marziane sottostanti, in particolare la calotta polare meridionale residua che è considerata in uno stato quasi stabile, ", ha detto Haifeng.

Queste misurazioni consentiranno agli scienziati planetari di imparare molto di più sul clima marziano e sui cambiamenti annuali che subisce. Aiuteranno anche a preparare future missioni di esplorazione robotica e umana sul Pianeta Rosso, che sono ancora previste per qualche tempo nel prossimo decennio.