Nuove prove dell'impatto della recente tempesta di polvere che ha colpito il pianeta sull'acqua nell'atmosfera, e una sorprendente mancanza di metano, sono tra i punti salienti scientifici del primo anno in orbita dell'ExoMars Trace Gas Orbiter.

Sulla rivista vengono pubblicati due articoli Natura oggi descrivendo i nuovi risultati, e riportato in una conferenza stampa dedicata presso l'Unione europea di geoscienze a Vienna.

Un terzo documento, presentato al Atti dell'Accademia Russa delle Scienze , presenta la mappa più dettagliata mai prodotta di ghiaccio d'acqua o minerali idrati nel sottosuolo poco profondo di Marte.

Il congiunto ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, o TGO, arrivato al Pianeta Rosso nell'ottobre 2016, e ha trascorso più di un anno utilizzando la tecnica di aerofrenatura necessaria per raggiungere la sua orbita scientifica di due ore, 400 km sopra la superficie di Marte.

"Siamo molto soddisfatti dei primi risultati del Trace Gas Orbiter, "dice Håkan Svedhem, Scienziato del progetto TGO dell'ESA.

"I nostri strumenti stanno funzionando molto bene e anche nei primi mesi di osservazione stavano già fornendo dati squisiti a un livello molto più alto di quanto precedentemente raggiunto".

La principale missione scientifica di TGO è iniziata alla fine di aprile 2018, solo un paio di mesi prima dell'inizio della tempesta di polvere globale che alla fine avrebbe portato alla scomparsa del rover Opportunity della NASA dopo 15 anni di esplorazione della superficie marziana.

Veicolo spaziale in orbita, però, sono stati in grado di fare osservazioni uniche, con TGO seguendo l'inizio e lo sviluppo della tempesta e monitorando come l'aumento di polvere ha influenzato il vapore acqueo nell'atmosfera, importante per comprendere la storia dell'acqua su Marte nel tempo.

Sfruttare la tempesta di polvere

Due spettrometri a bordo - NOMAD e ACS - hanno effettuato le prime misurazioni dell'occultazione solare ad alta risoluzione dell'atmosfera, osservando il modo in cui la luce solare viene assorbita nell'atmosfera per rivelare le impronte chimiche dei suoi ingredienti.

Ciò ha consentito la distribuzione verticale del vapore acqueo e dell'acqua "semi-pesante", con un atomo di idrogeno sostituito da un atomo di deuterio, una forma di idrogeno con un neutrone aggiuntivo - da tracciare da vicino alla superficie marziana fino a oltre 80 km di altitudine. I nuovi risultati tracciano l'influenza della polvere nell'atmosfera sull'acqua, insieme alla fuga di atomi di idrogeno nello spazio.

"Alle latitudini settentrionali abbiamo visto caratteristiche come nuvole di polvere ad altitudini di circa 25-40 km che prima non c'erano, e alle latitudini meridionali abbiamo visto strati di polvere spostarsi ad altitudini più elevate, "dice Ann Carine Vandaele, ricercatore principale dello strumento NOMAD presso il Royal Belgian Institute for Space Aeronomy.

"L'aumento del vapore acqueo nell'atmosfera è avvenuto molto rapidamente, in pochi giorni durante l'inizio della tempesta, indicando una rapida reazione dell'atmosfera alla tempesta di polvere."

Le osservazioni sono coerenti con i modelli di circolazione globale. La polvere assorbe la radiazione solare, riscaldando il gas circostante e facendolo espandere, a sua volta ridistribuendo altri ingredienti – come l'acqua – su una gamma verticale più ampia. Viene inoltre creato un contrasto di temperatura più elevato tra le regioni equatoriali e polari, rafforzamento della circolazione atmosferica. Allo stesso tempo, grazie alle temperature più elevate, si formano meno nuvole di ghiaccio d'acqua - normalmente confinano il vapore acqueo ad altitudini più basse.

Le squadre hanno anche effettuato la prima osservazione di acqua semipesante contemporaneamente al vapore acqueo, fornendo informazioni chiave sui processi che controllano la quantità di atomi di idrogeno e deuterio in fuga nello spazio. Significa anche che il rapporto deuterio-idrogeno (D/H) può essere derivato, che è un indicatore importante per l'evoluzione dell'inventario idrico su Marte.

"Vediamo che l'acqua, deuterato o no, è molto sensibile alla presenza di nubi di ghiaccio, impedendogli di raggiungere gli strati atmosferici più in alto. Durante la tempesta, l'acqua ha raggiunto altitudini molto più elevate, " dice Ann Carine. "Questo è stato previsto in teoria dai modelli per molto tempo, ma questa è la prima volta che siamo stati in grado di osservarlo".

Poiché si prevede che il rapporto D/H cambi con la stagione e con la latitudine, Si prevede che le continue misurazioni regionali e stagionali di TGO forniranno ulteriori prove dei processi in gioco.

La trama del mistero del metano si infittisce

I due strumenti complementari hanno anche iniziato le misurazioni dei gas traccia nell'atmosfera marziana. I gas in tracce occupano meno dell'uno per cento dell'atmosfera in volume, e richiedono tecniche di misurazione altamente precise per determinare le loro esatte impronte chimiche nella composizione. La presenza di gas in tracce è tipicamente misurata in "parti per miliardo di volume" (ppbv), quindi per l'esempio per l'inventario del metano terrestre che misura 1800 ppbv, per ogni miliardo di molecole, 1800 sono metano.

Il metano è di particolare interesse per gli scienziati di Marte, perché può essere una firma di vita, così come i processi geologici – sulla Terra, Per esempio, Il 95% del metano nell'atmosfera proviene da processi biologici. Poiché può essere distrutto dalla radiazione solare su scale temporali di diverse centinaia di anni, qualsiasi rilevamento della molecola nei tempi attuali implica che deve essere stato rilasciato in tempi relativamente recenti, anche se il metano stesso è stato prodotto milioni o miliardi di anni fa ed è rimasto intrappolato in giacimenti sotterranei fino ad ora. Inoltre, i gas traccia vengono miscelati in modo efficiente su base giornaliera vicino alla superficie del pianeta, con i modelli di circolazione del vento globale che imponevano che il metano si sarebbe mescolato uniformemente in tutto il pianeta entro pochi mesi.

I rapporti sul metano nell'atmosfera marziana sono stati oggetto di accesi dibattiti perché i rilevamenti sono stati molto sporadici nel tempo e nel luogo, e spesso cadeva al limite dei limiti di rilevabilità degli strumenti. Mars Express dell'ESA ha contribuito con una delle prime misurazioni dall'orbita nel 2004, in quel momento indicando la presenza di metano pari a 10 ppbv.

I telescopi terrestri hanno anche riportato sia non rilevamenti che misurazioni transitorie fino a circa 45 ppbv, mentre il rover Curiosity della NASA, esplorando il cratere Gale dal 2012, ha suggerito un livello di fondo di metano che varia con le stagioni tra circa 0,2 e 0,7 ppbv, con alcuni picchi di livello più elevati. Più recentemente, Mars Express ha osservato un picco di metano un giorno dopo una delle letture di livello più alto di Curiosity.

I nuovi risultati di TGO forniscono l'analisi globale più dettagliata finora, trovando un limite superiore di 0,05 ppbv, questo è, 10-100 volte meno metano rispetto a tutti i precedenti rilevamenti riportati. Il limite di rilevamento più preciso di 0,012 ppbv è stato raggiunto a 3 km di altitudine.

Come limite superiore, 0,05 ppbv corrispondono ancora a un massimo di 500 tonnellate di metano emesse su un ciclo di vita previsto della molecola di 300 anni se si considerano i soli processi di distruzione atmosferica, ma disperso in tutta l'atmosfera, questo è estremamente basso.

"Abbiamo belle, segnali di tracciamento dei dati ad alta precisione dell'acqua all'interno della gamma di dove ci aspetteremmo di vedere il metano, ma tuttavia possiamo solo segnalare un modesto limite superiore che suggerisce un'assenza globale di metano, ", afferma il ricercatore principale di ACS Oleg Korablev dello Space Research Institute, Accademia Russa delle Scienze, Mosca.

"Le misurazioni ad alta precisione del TGO sembrano essere in contrasto con i rilevamenti precedenti; per riconciliare i vari set di dati e abbinare la rapida transizione dai pennacchi precedentemente segnalati ai livelli di fondo apparentemente molto bassi, dobbiamo trovare un metodo che distrugga in modo efficiente il metano vicino alla superficie del pianeta".

"Proprio come la questione della presenza di metano e da dove potrebbe provenire ha causato così tanto dibattito, quindi il problema di dove sta andando, e quanto velocemente può scomparire, è altrettanto interessante, " dice Håkan.

"Non abbiamo ancora tutti i pezzi del puzzle o vediamo il quadro completo, ma è per questo che siamo lì con TGO, effettuando un'analisi dettagliata dell'atmosfera con i migliori strumenti di cui disponiamo, per capire meglio quanto sia attivo questo pianeta, sia geologicamente che biologicamente".

La migliore mappa di acque sotterranee poco profonde

Mentre prosegue il vivace dibattito sulla natura e la presenza del metano, una cosa certa è che l'acqua una volta esisteva su Marte - e c'è ancora sotto forma di ghiaccio d'acqua, o come minerali idratati in acqua. E dove c'era l'acqua, potrebbe esserci stata la vita.

Per aiutare a capire la posizione e la storia dell'acqua su Marte, TGO's neutron detector FREND is mapping the distribution of hydrogen in the uppermost metre of the planet's surface. Hydrogen indicates the presence of water, being one of the constituents of the water molecule; it can also indicate water absorbed into the surface, or minerals that were formed in the presence of water.

The instrument's mapping task will take about one Mars year – almost two Earth years – to produce the best statistics to generate the highest quality map. But the first maps presented based on just a few month's data already exceed the resolution of previous measurements.

"In just 131 days the instrument had already produced a map that has a higher resolution than that of the 16 years data from its predecessor onboard NASA's Mars Odyssey – and it is set to continue getting better, " says Igor Mitrofanov, principal investigator of the FREND instrument at the Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Mosca.

Aside from the obviously water-rich permafrost of the polar regions, the new map provides more refined details of localised 'wet' and 'dry' regions. It also highlights water-rich materials in equatorial regions that may signify the presence of water-rich permafrost in present times, or the former locations of the planet's poles in the past.

"The data is continually improving and we will eventually have what will become the reference data for mapping shallow subsurface water-rich materials on Mars, crucial for understanding the overall evolution of Mars and where all the present water is now, " adds Igor. "It is important for the science on Mars, and it is also valuable for future Mars exploration."

"We have already been enjoying beautiful images and stereo views of Mars thanks to the TGO's imaging system and now we are delighted to share the first look at data from the other instruments, " concludes Håkan.

"We have a promising future in contributing to the many fascinating aspects of Mars science, from the distribution of subsurface water, to active surface processes and to the mysteries of the martian atmosphere."