Francesca Esposito (1998)
Università degli studi di Napoli Federico II
Abstract
Negli ultimi anni Marte è tornato ad essere uno dei principali obiettivi di missioni spaziali. Sia gli Stati Uniti che la Russia e, recentemente l’Europa, infatti, si sono impegnati in missioni come Mars Global Surveyor (MGS), Mars Pathfinder, Mars ’96, (missione purtroppo fallita), Mars Express, ed altre minori.
Le precedenti missioni spaziali hanno rivelato un pianeta freddo, dalla superficie arida e inospitale, dall’atmosfera tenue e composta per lo più da anidride carbonica e sconvolto da continue tempeste di polvere che coinvolgono spesso l’intero globo. Non sono stati riscontrati i segni di un’attività geologica attuale, anche se la presenza dei vulcani più imponenti del Sistema Solare (come il Mons Olympus) fa prevedere un’attività passata; non è stata riscontrata la presenza di acqua allo stato liquido sulla superficie ma le tracce di antichi fiumi fanno presupporre un’antica presenza di acqua fluente sul pianeta.
Rimangono, dunque, ancora molti misteri a cui rispondere come, ad esempio, qual’è la storia evolutiva che ha portato Marte a divenire un pianeta così arido, freddo e privo di vita, dove è finita l’acqua, quale è la storia geologica del pianeta, come si originano le tempeste di polvere, quale è la composizione della superficie e della polvere atmosferica.
L’interesse verso lo studio della superficie del pianeta, in termine 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, come ad esempio l’assottigliamento dell’atmosfera nel corso dell’evoluzione planetaria (legata alla velocità annua di deposizione dei sedimenti).
In questo lavoro siamo interessati, appunto, alla determinazione della composizione della superficie e della polvere atmosferica di Marte.
Le uniche informazioni relative alla composizione della superficie e dell’atmosfera marziana provengono da dati spettroscopici acquisiti da Terra e dallo spazio. Per interpretare correttamente tali dati è necessaria un’attività sistematica di laboratorio volta alla caratterizzazione delle proprietà spettrali di materiali analoghi marziani. Tali dati sono fondamentali per un riconoscimento, mediante confronto, delle strutture spettrali rivelabili negli spettri osservati. Questo lavoro di tesi si inserisce in tale contesto.
La novità di questo lavoro consiste nella esecuzione di misure spettroscopiche di diverso tipo, effettuate con lo stesso strumento e quindi confrontabili, per la deduzione delle proprietà ottiche dei materiali analizzati. Un aspetto originale del lavoro svolto consiste nell’aver ottenuto e confrontato tra loro dati di trasmittanza, riflettanza speculare e diffusa da grani di diverse dimensioni preselezionate. Questo approccio ha consentito di identificare la natura delle strutture spettrali riscontrate; è stato cioè possibile distinguere bande fondamentali e bande di combinazione o overtoni. Le misure, inoltre, sono state acquisite in un intervallo di frequenze molto interessante per la determinazione delle strutture spettrali marziane, cioè il medio e vicino infrarosso. La maggior parte dei dati presenti in letteratura sono relativi, invece, al lontano infrarosso e al visibile. Inoltre nel nostro lavoro sono stati analizzati dettagliatamente e discussi i differenti comportamenti spettrali in riflettanza al variare della dimensione dei grani di campioni particolati. Tali risultati sono di interesse notevole poiché, utilizzando modelli teorici, è possibile determinare la dimensione della polvere marziana a partire dalle misure spettroscopiche spaziali. Tuttavia le teorie disponibili fino ad oggi non sono ancora del tutto affidabili: la sovrapposizione con i dati sperimentali, infatti, non è sempre perfetta. Pertanto i dati di laboratorio costituiscono attualmente l’unico elemento affidabile per un efficace confronto con le osservazioni. L’analisi del comportamento spettrale degli overtoni e delle bande di combinazione al variare della dimensione dei grani ci ha permesso di evidenziare la loro importanza nell’analisi dei dati osservativi. Infatti, fino ad oggi, si è dato maggior risalto alla rivelazione, negli spettri marziani, delle bande fondamentali dei materiali rispetto alla ricerca degli overtoni e delle bande di combinazione. Tale scelta, però, non è molto appropriata nel caso di strutture spettrali provenienti da radiazione diffusa da grani di dimensioni microniche o minori. Le analisi di laboratorio, infatti, hanno evidenziato una diminuzione dell’intensità delle bande fondamentali al decrescere delle dimensioni dei grani. Comportamento opposto è stato riscontrato nel caso delle bande di combinazione e degli overtoni. Tali bande risultano, quindi, molto più evidenti negli spettri di riflettanza diffusa di grani di piccole dimensioni. Questi sembrano essere ampiamente presenti su Marte.
La risoluzione spettrale con cui sono state acquisite le nostre misure di laboratorio (2 cm-1) è migliore di quella impiegata nelle analisi realizzate finora e coincide con quella dello spettrometro spaziale PFS, che farà parte dell’equipaggiamento tecnico-scientifico della missione Mars Express programmata per il 2003. Le missioni spaziali presenti e future sono volte all’acquisizione di una mappa spettroscopica di Marte sempre più completa e con risoluzione spaziale e spettrale sempre migliore. Ben presto avremo quindi a disposizione una notevole quantità di dati spettroscopici, sempre più precisi, da interpretare ed analizzare. Il nostro lavoro risulta quindi utile per almeno due aspetti: da un lato costituisce la base per la calibrazione delle caratteristiche di spettrometri spaziali destinati all’esplorazione di Marte; dall’altro è un elemento indispensabile per la corretta interpretazione dei dati che tali strumenti offriranno.
Per impostare adeguatamente il lavoro di confronto con i dati provenienti dallo spazio sono stati prodotti alcuni spettri sintetici di Marte utilizzando i nostri risultati sperimentali in un modello di trasporto radiativo in grado di simulare l’ambiente marziano (Modtran) nella regione spettrale “termica”.
In futuro si prevede di realizzare un confronto sistematico tra gli spettri sintetici di Marte e i dati reali provenienti dalle missioni spaziali. Un ulteriore implementazione degli strumenti a disposizione consisterà nel modificare il codice Modtran in modo da permettere la simulazione di spettri marziani anche nella regione spettrale oltre i 2000 cm-1 dando, in questo modo, la possibilità di simulare la risposta spettrale del pianeta anche all’irraggiamento solare. L’attività di laboratorio deve continuare per acquisire dati spettroscopici di nuovi materiali e di miscele di diverse percentuali di più materiali. Inoltre bisogna lavorare all’ottimizzazione delle teorie di riflettanza disponibili cercando di migliorarne prestazioni e previsioni.
Relatori:
- Luigi Antonio Smaldone – Università degli studi di Napoli Federico II
- Luigi Colangeli – INAF OACN