Sacche sparse di magnetismo sulla superficie di Marte hanno un'influenza significativa sull'atmosfera superiore del pianeta, secondo le osservazioni del Mars Express dell'ESA. Comprendere questi effetti può essere cruciale per garantire comunicazioni radio sicure tra Marte e la Terra e, infine, tra esploratori sulla superficie del pianeta.

Il campo magnetico terrestre è dominato da un singolo, fonte forte:la dinamo in profondità sotto la superficie del pianeta. Però, lo stesso non si può dire per Marte. Piuttosto che possedere un'unica fonte di campo magnetico, Marte ne ha molti.

Il Pianeta Rosso ha numerose sacche di forte magnetismo rinchiuse nella sua crosta, resti dei suoi primi giorni. Marte moderno può essere noto per la sua relativa mancanza di magnetismo, ma il giovane Marte era probabilmente un mondo diverso; probabilmente era più caldo e umido, con un'atmosfera più densa e un nucleo più caldo. Gli scienziati ritengono che il giovane pianeta avesse anche un campo magnetico considerevole, guidato dal movimento circolante del materiale fuso all'interno del suo nucleo (noto come dinamo planetaria).

Questo campo globale si è spento molto tempo fa, probabilmente quando il nucleo si è raffreddato e solidificato, congelando la dinamo sul posto - ma il pianeta vanta ancora macchie anomale di forte magnetismo residuo sparsi sulla sua superficie, noti come "campi crostali".

Ricordi magnetici del primo Marte

Parti della crosta e della roccia di Marte rimangono oggi magnetizzate a causa di un fenomeno noto come "ferro-magnetismo", che dura anche quando il campo magnetico esterno non è più presente (come nel caso di Marte).

La crosta di Marte si è raffreddata al di sotto di una temperatura specifica, nota come temperatura di Curie, quando la dinamo centrale del pianeta, e quindi il suo campo magnetico, era ancora attivo e presente, causando il blocco permanente del magnetismo residuo all'interno del materiale ferroso (contenente ferro) nella crosta. Campi magnetici crostali simili si trovano anche sulla Terra e sulla Luna.

Questi campi possono essere successivamente rimossi riscaldando il materiale al di sopra della temperatura di Curie - tramite grandi impatti, per esempio – e poi lasciarlo raffreddare nuovamente in assenza di un campo magnetico.

Si pensa che il magnetismo sia stato spazzato via da zone considerevoli della crosta marziana in questo modo, ma grandi porzioni del sud, e parti più piccole del nord, l'emisfero di Marte rimane magnetizzato in una certa misura, con tasche sparse in tutto il pianeta. Questi campi crostali sono abbastanza forti da guidare le caratteristiche nell'atmosfera superiore di Marte simili alle aurore viste sulla Terra - tali caratteristiche sono state viste dal Mars Express dell'ESA).

"Potrebbero essere deboli in termini di forza assoluta:in media centinaia di nanotesla nell'alta atmosfera, o tra lo 0,1 e l'1 per cento dell'intensità di campo prodotta dalla dinamo terrestre all'altitudine equivalente, ma i campi crostali di Marte sono significativamente più forti di quelli che si trovano sulla Terra o sulla Luna, " afferma Markus Fraenz del Max Planck Institute for Solar System Research di Göttingen, Germania. "Ciò indica che il campo della dinamo di Marte una volta era almeno forte quanto quello della Terra, ma per produrre macchie così forti di magnetizzazione crostale residua, probabilmente era più forte di quanto non sia mai stato quello del nostro pianeta".

Sfortunatamente nessun lander o rover ha ancora raggiunto questi siti di forte magnetizzazione, ma osservazioni complete da orbitali di lunga durata come Mars Global Surveyor della NASA e Mars Express dell'ESA hanno aiutato gli scienziati a caratterizzare l'ambiente magnetico di Marte.

Mars Express è in orbita attorno a Marte dal 2003, e ha completato numerosi studi utilizzando i suoi strumenti MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) e ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms) per esplorare l'effetto che questi campi crostali hanno sulla ionosfera di Marte.

"I campi crostali di Marte sembrano controllare fortemente il plasma nell'atmosfera superiore del pianeta, " afferma David Andrews dell'Istituto svedese di fisica spaziale di Uppsala. Più specificamente, colpiscono uno strato di gas debolmente ionizzato noto come ionosfera, che si trova stretta tra la maggior parte dell'atmosfera neutra di Marte e l'intensa radiazione dello spazio esterno (compreso il vento solare, un flusso di particelle cariche – protoni ed elettroni – che emana dal Sole).

Plasma rampicante nella ionosfera di Marte

La ionosfera di Marte è abbastanza simile a quella della Terra sotto molti aspetti, come le densità tipiche, altitudini, e così via. "La ionosfera terrestre è un po' più complessa in termini di struttura, e ha un numero maggiore di strati distinti, " dice Andrews. "Ciò è in parte dovuto al fatto che l'atmosfera terrestre è una miscela di azoto e ossigeno, a differenza dell'atmosfera marziana dominata dalla CO2.

I campi crostali di Marte influenzano il movimento e la dinamica del suo plasma ionosferico, influenzando il modo in cui circola, si accumula, e fugge nello spazio. Per esempio, il plasma sale ad altitudini molto più elevate del previsto nelle regioni con campi crostali orientati verticalmente, e le aree con campi crostali più forti sono sormontate da strati di ionosfera più densi ed estesi rispetto a campi più deboli o assenti.

La ionosfera di Marte si trova al confine tra la bassa atmosfera di Marte e il vento solare, che si riversa nello spazio dal Sole. Il vento solare trascina anche il campo magnetico solare nel Sistema Solare mentre viaggia, creando il campo magnetico interplanetario (IMF).

Quando viene trascinato nelle vicinanze di Marte, Le linee di campo dell'IMF possono connettersi con le linee di campo provenienti da alcune regioni della crosta di Marte (un processo noto come "riconnessione magnetica"). Questo processo consente al plasma di correre verso l'alto lungo le linee appena create e fuggire nello spazio, creando cavità strette all'interno della ionosfera di Marte che sono relativamente prive di elettroni.

"La grande domanda, però, è se questi campi crostali influenzano o meno la velocità con cui Marte perde la sua atmosfera nello spazio e, in tal caso, come, " dice Andrews. "È probabile che mentre il plasma viene riconfigurato in regioni in cui il campo è forte, le medie a lungo termine della fuga atmosferica non sono molto diverse, ma non ne siamo sicuri".

Dal giorno alla notte

Il comportamento e le proprietà della ionosfera differiscono tra la regione più vicina al Sole (il 'giorno', tra Marte e il Sole) e quello che si allontana da esso (il 'lato notturno', allontanandosi da Marte verso il Sistema Solare esterno).

I dati di Mars Express hanno mostrato che la ionosfera diurna è sorprendentemente complessa e variabile, con densità di elettroni e strati strutturati di plasma che cambiano bruscamente e in modo incoerente. Il satellite ha anche segnalato quanto c'è da capire sul lato notturno, e perché alcune delle sue proprietà differiscono notevolmente da quelle diurne.

Il processo di fuga del plasma tramite riconnessione magnetica, Per esempio, è particolarmente efficiente al confine giorno-notte (le regioni che circondano questo confine, o terminatore, sono talvolta chiamati "mattina" e "sera" o "alba" e "tramonto"). Allo stesso modo, la ionosfera sul lato diurno è più densa e si estende ad altitudini più elevate sulle anomalie crostali rispetto al lato notturno. Anche il plasma sembra fluire verso Marte sul lato diurno, e via al confine tra giorno e notte.

Generalmente, il numero e la densità degli elettroni nella ionosfera aumenta con l'intensità del campo durante il giorno e al confine tra giorno e notte - ma sul lato notturno, è vero il contrario. La ionosfera del lato notturno di Marte è irregolare; è reintegrato da parte del plasma della ionosfera diurna, e facendo precipitare gli elettroni dal vento solare e dalla magnetosfera (la regione dello spazio su cui domina il piccolo campo magnetico intrinseco di Marte).

"Tutto ciò rafforza l'idea che l'ambiente del plasma di Marte sia fortemente influenzato da entrambi i livelli di radiazione solare in arrivo, e la forza e la distribuzione dei campi crostali del pianeta, " afferma Eduard Dubinin del Max Planck Institute for Solar System Research di Göttingen, Germania. "Dobbiamo capire molto di più su queste interazioni e sulla ionosfera di Marte in generale per dipingere un quadro dettagliato dell'evoluzione a lungo termine di Marte in termini di clima, abitabilità, perdita di acqua e atmosfera, e altro."

Problemi per la radio del pianeta rosso?

Oltre a formare una migliore comprensione scientifica di Marte come pianeta, conoscere di più sulla ionosfera marziana e sui campi crostali è vitale per le missioni attualmente su Marte, e per quelli pianificati in futuro (comprese le missioni con equipaggio).

Per esempio, la ionosfera determina come, quando, e dove possono operare le apparecchiature radar di Mars Express (MARSIS). La ionosfera diurna di Marte è più densa e riflette di più le onde radio. MARSIS può quindi sondare la ionosfera di Marte sul lato diurno, poiché il plasma riflette gli impulsi radar in arrivo alle frequenze appropriate (~MHz). Sul lato notturno, però, MARSIS esegue il sondaggio sotto la superficie. Le onde radio dello strumento raggiungono la ionosfera relativamente scarsa e possono arrivare molto più lontano prima di essere riflesse, raggiungendo la superficie di Marte e fino a circa 10 km al di sotto.

"MARSIS può sfruttare le diverse proprietà della ionosfera, rendendolo un ottimo strumento per sondare sia la ionosfera che il sottosuolo di Marte, "dice Dmitri Titov, scienziato del progetto per Mars Express dell'ESA.

La variabilità della ionosfera marziana potrebbe essere un problema, però, per qualsiasi comunicazione sulla superficie di Marte.

Lander e rover su Marte comunicano con la Terra tramite un orbiter, che a sua volta utilizza frequenze radio (GHz) sufficientemente elevate che la ionosfera non è un enorme ostacolo. Però, questo potrebbe diventare un problema più grande se e quando gli umani metteranno piede sul pianeta.

"Le comunicazioni radio a onde corte (MHz) sulla superficie possono essere influenzate dalla variabilità della ionosfera di Marte, specialmente intorno a campi crostali più forti, e la nostra comprensione qui è ancora incompleta, " aggiunge Titov. "Capire di più sull'ambiente magnetico e plasmatico di Marte è fondamentale. Risultati come questi da Mars Express sono cruciali per la nostra continua esplorazione del Sistema Solare, sia con robot che con equipaggi umani."