Pochi scienziati dubitano che Marte fosse un tempo caldo e umido. Le prove di un passato caldo e acquoso continuano ad accumularsi, e anche il sano scetticismo non può ignorarle. Tutte queste evidenze pongono la domanda successiva: cosa è successo?

Marte porta i segni di un passato in cui l’acqua scorreva liberamente sulla sua superficie. Ci sono chiari canali fluviali, laghi e persino linee di riva. Il rover Perseverance della NASA sta esplorando il Cratere Jezero, un antico paleolago, trovando minerali che possono formarsi solo in presenza d’acqua. Anche il rover Curiosity ha trovato le stesse evidenze nel Cratere Gale.

L’acqua che ha creato queste caratteristiche del paesaggio è ormai scomparsa. Parte di essa si è ritirata verso i poli, dove rimane congelata. Ma a parte questo, ci sono solo due luoghi dove l’acqua antica di Marte potrebbe essere andata: nel sottosuolo o nello spazio.

Gli scienziati ritengono che ci sia acqua sotto la superficie di Marte. Nel 2018, i ricercatori hanno trovato evidenze di un grande lago sotterraneo circa 1,5 km sotto la regione polare meridionale, anche se questi risultati sono stati accolti con un certo scetticismo. Anche se il lago è reale, non c’è affatto abbastanza acqua lì per spiegare tutta l’acqua persa di Marte.

In una nuova ricerca pubblicata su Science Advances, un team di scienziati utilizza i dati dal Telescopio Spaziale Hubble e dall’orbiter della NASA Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) per spiegare come Marte abbia perso gran parte della sua acqua nello spazio. La ricerca è intitolata “Idrogeno atmosferico marziano e deuterio: cambiamenti stagionali e paradigma per la fuga nello spazio.”

“In generale, i risultati presentati qui offrono forti prove a sostegno di un periodo caldo e umido con un’abbondanza di acqua su Marte primordiale e una grande quantità di perdita d’acqua nello spazio nel corso della vita del pianeta.”

“Ci sono solo due posti dove l’acqua può andare. Può congelarsi nel terreno, oppure la molecola d’acqua può rompersi in atomi, e gli atomi possono sfuggire dalla parte superiore dell’atmosfera nello spazio,” ha spiegato nella comunicazione stampa. “Per capire quanto acqua c’era e cosa le è successo, dobbiamo capire come gli atomi sfuggono nello spazio.”

La ricerca si concentra su due tipi di idrogeno: quello che possiamo definire ‘normale’ (H) e deuterio (D). Il deuterio è idrogeno con un neutrone nel suo nucleo. L’acqua è H2O—due atomi d’idrogeno legati a un atomo di ossigeno—e le molecole d’acqua possono contenere o idrogeno o deuterio. Il neutrone contribuisce massa aggiuntiva e rende il deuterio il doppio più pesante dell’idrogeno.

La luce ultravioletta proveniente dal Sole può separare le molecole d’acqua nei loro atomi costituenti di idrogeno eossigeno. In uno scenario di fuga nello spazio, è probabile che il deuterio più pesante venga lasciato indietro rispetto all’idrogeno.

Con il passare del tempo su Marte e l’idrogeno che continuava a sfuggire nello spazio, più deuterio pesante è rimasto sul pianeta. Col passare del tempo, questa ritenzione preferenziale ha spostato il rapporto di idrogeno rispetto al deuterio nell’atmosfera. In questa ricerca, Clarke e i suoi co-autori hanno utilizzato MAVEN per vedere come entrambi gli atomi attualmente sfuggono da Marte.

NASA ha lanciato MAVEN nel 2013, e ha raggiunto l’orbita marziana nel 2014. Da allora, la navetta spaziale in grado ha osservato l’atmosfera marziana, rendendola la prima navetta spaziale dedicata a questo compito. Il suo obiettivo principale è determinare come Marte ha perso la sua atmosfera. Uno dei suoi obiettivi specifici è misurare il tasso di perdita di gas dall’atmosfera superiore del pianeta verso lo spazio e quali fattori e meccanismi governano questa perdita.

Il veicolo spaziale MAVEN è rappresentato in orbita attorno a un’interpretazione artistica del pianeta Marte, mostrato mentre transita dal suo antico passato ricoperto d’acqua al mondo freddo, secco e polveroso che è diventato oggi. Credito: NASA

Il sistema di strumenti di MAVEN contiene otto strumenti potenti. Tuttavia, ogni missione ha i suoi compromessi, e nel caso di MAVEN, non è in grado di monitorare le emissioni di deuterio durante l’intero anno marziano. L’orbita di Marte è più ellittica rispetto a quella della Terra. Durante l’inverno marziano, si allontana di più dal Sole rispetto a un’orbita circolare. Durante quel periodo, le emissioni di deuterio sono molto deboli.

Qui entra in gioco il Telescopio Spaziale Hubble. Ha contribuito con osservazioni dai suoi due potenti strumenti UV ad alta risoluzione spettrale, il Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) e lo Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). Combinando le osservazioni di Hubble e i dati di MAVEN, Clarke e il suo team hanno monitorato la fuga di deuterio per tre anni marziani completi.

Hubble ha anche fornito dati antecedenti alla missione MAVEN. I dati di Hubble sono critici perché il Sole guida la fuga atmosferica, e il suo effetto cambia nel corso dell’anno marziano. Più Marte è vicino al Sole, più rapidamente le molecole d’acqua salgono attraverso l’atmosfera, dove si separano ad alta quota.

Queste immagini di Hubble di Marte all’afelio (in alto) e al perielio (in basso) mostrano come la sua atmosfera sia più brillante e più estesa quando Marte è più vicino al Sole. Credito Immagine: NASA, ESA, STScI, John T. Clarke (Boston University); Elaborazione: Joseph DePasquale (STScI)

Il effetto del Sole sull’atmosfera marziana è sorprendente.

“Negli ultimi anni, gli scienziati hanno scoperto che Marte ha un ciclo annuale molto più dinamico di quanto ci si aspettasse 10 o 15 anni fa,” ha spiegato Clarke. “L’intera atmosfera è molto turbolenta, riscaldandosi e raffreddandosi in brevi lassi di tempo, perfino in poche ore. L’atmosfera si espande e si contrae mentre la luminosità del Sole su Marte varia del 40 percento nel corso di un anno marziano.”

Prima di questa ricerca, gli scienziati marziani pensavano che gli atomi di idrogeno e deuterio si diffondessero lentamente verso l’alto attraverso l’atmosfera sottile fino a raggiungere un’altezza sufficiente per sfuggire. Ma questi risultati cambiano questa prospettiva.

Questi risultati mostrano che quando Marte è vicino al Sole, le molecole d’acqua si alzano molto rapidamente e rilasciano i loro atomi ad alte altitudini.

“Gli atomi di H nell’atmosfera superiore vengono persi rapidamente per fuga termica in tutte le stagioni, e il flusso di fuga è limitato dalla quantità che si diffonde verso l’alto dall’atmosfera inferiore, in modo che il flusso di fuga sia effettivamente uguale al flusso verso l’alto,” spiegano gli autori nella loro ricerca.

È diverso per gli atomi di deuterio, però. “Il flusso di fuga dal deuterio per fuga termica è trascurabile, nel qual caso un flusso verso l’alto con il rapporto D/H basato sull’acqua risulterebbe in un grande surplus di D nell’atmosfera superiore,” scrivono gli autori.

Affinché il rapporto D/H venga ripristinato all’equilibrio misurato con H vicino all’afelio e per essere coerente con i cambiamenti più rapidi osservati nella densità di D vicino al perielio, qualcosa deve aumentare la fuga degli atomi di D. “In questo scenario, il fattore di frazionamento diventa molto più grande, coerente con un grande serbatoio primordiale di acqua su Marte,” scrivono gli autori. “Consideriamo questo come lo scenario probabile, mentre sono necessari ulteriori studi per comprendere i processi fisici responsabili degli atomi supertermici e della loro fuga.”

“In generale, i risultati presentati qui offrono forti prove a sostegno di un periodo caldo e umido con un’abbondanza di acqua in Marte primordiale e una grande quantità di perdita d’acqua nello spazio nel corso della vita del pianeta,” scrivono Clarke e i suoi colleghi.

La ricerca ha anche raggiunto un’altra conclusione. L’atmosfera superiore marziana è fredda, quindi la maggior parte degli atomi ha bisogno di un impulso energetico per diventare supertermici e sfuggire alla gravità marziana. Questa ricerca mostra che i protoni del vento solare possono entrare nell’atmosfera e collidere con gli atomi per fornire la spinta. La luce solare può anche fornire un impulso energetico attraverso reazioni chimiche nell’atmosfera superiore.

Questa ricerca non risponde a tutte le nostre domande riguardo all’acqua perduta di Marte, ma fa significativi progressi, e questo è sempre benvenuto. “Le tendenze riportate qui rappresentano progressi sostanziali verso la comprensione dei processi fisici che governano la fuga di idrogeno nello spazio su Marte e la nostra capacità di collegare questi all’isotopic frazionamento di D/H e alla profondità dell’acqua primordiale su Marte,” scrivono gli autori.

Come Marte ha perso la sua acqua è una delle grandi domande nella scienza spaziale attuale. Non si tratta solo di Marte; può aiutarci a capire la Terra, Venere e i pianeti rocciosi che troviamo in altre zone abitabili e come evolvono.

Per dirla senza giri di parole, Marte ha perso la sua acqua, mentre la Terra no. Perché?

Ci stiamo avvicinando alla risposta.