L’interesse nello studio della superficie di Marte e della componente solida atmosferica, in termini di natura dei materiali costituenti, deriva dal fatto che dai dati relativi a tali materiali si possono dedurre numerose informazioni sulla storia geologica di Marte quali natura, cronologia e durata dei processi superficiali, storia dell’erosione, del trasporto e della deposizione dei sedimenti, variazioni delle condizioni ambientali e climatiche, la possibile presenza di acqua allo stato liquido sulla superficie del pianeta. La ricerca dell’acqua è attualmente uno degli obiettivi più perseguiti, considerato anche il relativo interesse esobiologico.
La spettroscopia infrarossa è lo strumento principale per la determinazione della mineralogia. L’infrarosso (IR) è l’intervallo spettrale in cui la maggior parte dei minerali e delle molecole atmosferiche mostra intense bande vibrazionali; inoltre, a causa della temperatura tipica superficiale, Marte mostra un massimo di emissione centrato a circa 10 μm, ovvero nel medio infrarosso. Per questo motivo gli spettrometri spaziali lavorano essenzialmente nell’IR. In particolare il Thermal Emission Spectrometer (TES) a bordo dell’MGS copre l’intervallo spettrale 1700-200 cm^-1 e il Planetary Fourier Spectrometer (PFS), a bordo di Mars Express, copre l’intervallo 8333-250 cm^-1 Le camere di simulazione sono generalmente calibrate e utilizzate per riprodurre al meglio le condizioni ambientali del pianeta da simulare.

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Nell’ambito del presente progetto abbiamo sviluppato metodi per l’interpretazione qualitativa e quantitativa degli spettri  ottenuti da questi strumenti attraverso un confronto accurato con quelli di materiali analoghi ottenuti in laboratorio. Il confronto viene eseguito utilizzando modelli di scattering multiplo, quale ad esempio la teoria di Hapke. I parametri chiave in tale confronto sono la distribuzione dimensionale, le costanti ottiche, e le abbondanze relative nelle miscele di minerali.

Esempio di variazione delle proprietà fotometriche di un analogo marziano, l’andesite, al variare della distribuzione dimensionale dei campioni. Gli spettri, misurati nel laboratorio di Napoli, sono nel medio infrarosso, a sinistra, e nel vicino infrarosso, a destra. Negli spettri sono riportati la trasmittanza (c), la riflettanza speculare (b) e la riflettanza diffusa al variare della dimensione d dei grani (a): 200<d<500 μm (curva nera), 100<d<200 μm (curva gialla), 50<d<100 μm (curva verde), 20<d<50 μm (curva blu), d<50 μm (curva rossa).

L’obiettivo di questo studio è quindi un’analisi dettagliata, in termini di determinazione delle proprietà ottiche, chimiche, morfologiche e spettroscopiche di materiali possibili analoghi della superficie di Marte al fine di ricavare composizione, abbondanze e dimensioni dei materiali solidi marziani dall’analisi dei dati osservativi.
Una prima, generale classificazione dei materiali della superficie di Marte può essere fatta a partire dalle misure di albedo, colore e di inerzia termica. Tali dati permettono di distinguere sulla superficie due tipi fondamentali di materiali:

• materiali appartenenti a regioni chiare, cioè materiali essenzialmente rossi e con albedo alta e bassa inerzia termica: presumibilmente polvere;

• materiali appartenenti a regioni scure

Questi ultimi a loro volta possono essere suddivisi in:

• • materiali grigio scuro e ad alta inerzia termica: rocce mafiche miste a polvere simile a palagonite;
  • materiali rosso scuro e ad inerzia termica moderata: probabilmente materiali grezzi o induriti.

  C’è una buona evidenza che le unità di superficie più luminose siano largamente, ma non interamente, composte dello stesso materiale che costituisce la polvere omogenea di aerosol, ossia, presumibilmente materiali palagonitici ricchi di vetri silicici, argille e ossidi cristallini di ferro.
  Le aree scure sono concentrate in due zone: la maggiore si estende sull’intero pianeta tra l’equatore e ~ 40° S, la minore è costituita da due piccole regioni centrate a ~ 50° N di latitudine e rispettivamente 30° e 270° di longitudine. Queste possono presentarsi in forme diverse: la fascia circumpolare, ad esempio, è costituita da distese di sabbia e dune; altre regioni si presentano come bedrock (ossia rocce solide generalmente presenti al di sotto del regolite) esposti o detriti grezzi derivati localmente da questi. Anche molti fondi di crateri e depressioni hanno bassa albedo.
  I materiali delle regioni scure sono stati associati principalmente ai basalti.
  Attualmente sono stati analizzati nel nostro laboratorio rocce e materiali possibili analoghi di entrambe le regioni. Ciascun materiale è stato sottoposto ad analisi di tipo spettroscopico (riflettanza diffusa e speculare, trasmittanza, costanti ottiche nell’IR) e chimico (analisi degli elementi – EDX). I campioni particolati sono stati caratterizzati anche dimensionalmente attraverso analisi al SEM (microscopio elettronico a scansione). Tutti i dati sono stati organizzati in un database accessibile via web.
  I materiali caratterizzati rientrano nel piano scientifico steso per il PFS di Mars Express e costituiscono la base per le analisi future dei dati provenienti da spettrometri spaziali che lavorano nell’infrarosso.
  Un’ulteriore analisi riguarda la caratterizzazione dei solfati e in generale dei sali idrati che sono stati identificati di recente negli spettri dello spettrometro ad immagini OMEGA, sempre a bordo della missione Mars Express. L’identificazione accurata di tali minerali sulla superficie di Marte permette di ripercorrere la storia evolutiva dell’acqua sul pianeta.