Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Il ghiaccio nel Sistema Solare

Il ghiaccio svolge un ruolo importante nell’evoluzione dei pianeti e nella regolazione del clima: sulla Terra la quantità di ghiaccio è un importante indicatore dei cambiamenti climatici. Su tutti i pianeti, in base alla loro distanza dal Sole e di conseguenza alla loro temperatura superficiale, si trovano diversi tipi di ghiaccio, come quelli di anidride carbonica, di miscele di metano e azoto nei corpi più esterni del sistema solare o, nel caso di Io, di anidride solforosa! Ghiaccio è stato osservato su tutti i grandi corpi solidi, compresi i crateri in ombra di Luna e Mercurio, ed è un componente abbondante degli oggetti oltre l’orbita di Giove. Recentemente, la scoperta di un getto di vapore acqueo su Cerere conferma l’ipotesi da tempo formulata che questo pianeta nano sia ricoperto da un involucro ghiacciato. Anche Venere, nonostante il suo clima infernale, mostra tracce della possibile presenza di ghiaccio.

Giaccio foto 01Fig. 1: la calotta polare meridionale di Marte è costituita per la maggior parte di acqua ghiacciata sovrapposto da un permanente strato di anidride carbonica congelata, o ghiaccio secco, spesso 8 metri. L’orbiter Mars Express dell’Agenzia Spaziale Europea ha catturato questa immagine a infrarossi.

Circa ventiquattro tipi di ghiaccio sono stati osservati o ne è stata ipotizzata l’esistenza all’interno dei corpi del sistema solare, ultra freddi e ultra compatti, composti puri o miscele ghiacciate di più tipi di composti. La maggior parte di essi presentano una struttura cristallina, ma si trovano anche esempi di ghiaccio allo stato “amorfo”, generatosi in conseguenza ad un repentino congelamento, che non ha dato alle molecole abbastanza tempo per organizzarsi. Sotto le pressioni presenti negli strati più profondi dei satelliti ghiacciati, quali Titano o Ganimede, il ghiaccio cristallino diventa sempre più compatto e mostra una grande varietà di strutture. A pressioni estremamente alte, le molecole di ghiaccio possono anche organizzarsi intorno a molecole di gas formando una struttura chiamata “clatrati idrati”. Non è necessario viaggiare fino alla periferia del sistema solare per trovare questo materiale: clatrati idrati si trovano in abbondanza anche sul pavimento dei mari terrestri, dove le molecole ghiacciate vengono intrappolate dal metano. Si potrebbe accendere un fiammifero vicino ad essi e vedere così il “ghiaccio ardente”!

Perché studiamo il ghiaccio?

Il ghiaccio rappresenta un termometro del Sistema Solare primitivo. Quando questo si stava formando, il Sole era incorporato in una spessa nuvola di gas molto caldo che formava la nebulosa proto-solare. Con il passare del tempo le condizioni di temperatura e pressione variarono e raggiunsero valori compatibili con il raffreddamento del gas , che iniziò a cristallizzare in minerali simili a neve, separandosi dalla nebulosa originaria. Vicino al Sole il materiale condensò per lo più privo di acqua; mentre più lontano da esso, l’acqua e una varietà di altre sostanze volatili divennero stabili e formarono più del 50 per cento del contenuto dei corpi planetari. Qualche milione di anni più tardi, il palcoscenico per la formazione del ghiaccio era pronto: ghiaccio d’acqua e ghiaccio di composti volatili in minor quantità, come l’ammoniaca, si formarono nella cintura principale di asteroidi, circa a metà della fascia in una zona di confine, detta linea della neve. Tuttavia questa situazione non rimase stabile a lungo perché i moti orbitali dei pianeti giganti non erano costanti e la modellizzazione di tali movimenti indica che le interazioni dinamiche tra Giove e Saturno portarono ad un rimpasto delle grandi cinture planetesimali, quali ad esempio quelle di comete e asteroidi associate ai pianeti giganti. Questa teoria sui primi stadi di evoluzione del Sistema Solare si chiama Modello di Nizza ed è stata introdotta circa una decina di anni fa. In essa si ipotizza che durante il processo di formazione, un rilevante numero di planetesimi migrò verso il Sistema Solare interno, arricchendolo in acqua; mentre altri serbatoi di ghiaccio, quali la fascia di Kuiper e la nube di Oort, si formarono ed organizzarono oltre l’orbita di Nettuno. Per comprendere cosa sia accaduto nel passato, gli scienziati lavorano allo stesso modo dei detective, utilizzando la composizione dei corpi planetari come indizi per scoprire la natura del sistema primitivo. Tramite la loro composizione elementare e la mineralogia i ghiacci hanno conservato tracce dell’ambiente in cui si sono formati, pertanto il loro campionamento lungo tutto il Sistema Solare e la successiva analisi della composizione forniscono un valido mezzo per decifrarne la storia dei primi momenti di formazione e capirne lo sviluppo fino alla sua attuale architettura.

Dove c’è il ghiaccio, ci può essere la vita.

Quando i corpi ricchi di ghiaccio sono grandi diverse centinaia di chilometri, la modellizzazione della loro evoluzione termica mostra che le temperature interne potrebbero diventare sufficientemente calde da consentire ad una parte del ghiaccio di fondere. Le missioni spaziali hanno rilevato la presenza di oceani di acqua al di sotto della superficie di molti oggetti, come i satelliti di Giove, Europa, Ganimede e Callisto, e le lune di Saturno, Titano ed Encelado.

Giaccio foto 1(Fig.2: le osservazioni delle missioni spaziali hanno rilevato ghiaccio d’acqua e oceani nel sottosuolo di Callisto, Ganimede e Europa. Anche Io presenta ghiaccio, nella forma di anidride solforosa congelata.)

Gli scienziati ritengono che altri oggetti avrebbero posseduto per una parte della loro evoluzione un oceano profondo, poi scomparso per il persistere di prolungati periodi a temperature troppo basse per il liquido. Sembra che questo possa essere il caso della luna di Saturno Tethys, o degli oggetti di 100 chilometri di diametro della fascia di Kuiper. La presenza di impurità volatili agisce come antigelo e svolge un ruolo fondamentale nella conservazione a lungo termine dei corpi liquidi profondi all’interno di questi oggetti, nello stesso modo in cui i sali aiutano la conservazione a lungo termine dei laghi sepolti in Antartide, come il Lago di Vostok.
Giaccio foto 3

Fig.3: Questa immagine raccolta dal satellite rivela una zona di copertura di ghiaccio liscio del Lago Vostok in Antartide, che si trova sepolto sotto 4 km (circa 2,5 miglia) di ghiaccio. Impurità volatili mantengono i mari sotterranei
in altri mondi in uno stato liquido, allo stesso modo in cui i sali agiscono per preservare il lago Vostok. Qualsiasi conferma della presenza di vita in Vostok potrebbe rafforzare la prospettiva di vita in simili corpi liquidi sulle lune ghiacciate.

La prova di acqua liquida in profondità arriva dallo studio della composizione della superficie e della storia geologica dei corpi ghiacciati. Gli scienziati possono ricostruire questa storia e dedurre i limiti di presenza, profondità e composizione dell’acqua liquida dalle caratteristiche visualizzate sulle loro superfici ghiacciate. Le tecniche geofisiche, quali le misure della gravità e del campo magnetico, possono anche sondare la profondità interna. Ad esempio l’esistenza di oceani profondi in Europa, Ganimede e Callisto sono stati tutti desunti dalla presenza di acqua salata rilevata dal magnetometro della sonda Galileo. Modelli recenti dell’interno, ricavati dal confronto tra la superficie di Europa e le caratteristiche che si trovano in Antartide, suggeriscono che sacche di acqua possono essere presenti all’interno del guscio ghiacciato di questo satellite di Giove.

Il tempo dei corpi ghiacciati

I prossimi due anni saranno favorevoli all’esplorazione dei corpi ghiacciati. L’orbiter Cassini continuerà il suo giro nel sistema di Saturno con 24 flyby su Titano e tre su Enceladus. Ci saranno, inoltre, tre missioni che sveleranno i segreti di corpi planetari mai esplorati prima.
La missione Rosetta (……)
Dopo la sua spettacolare indagine su Vesta, la sonda Dawn raggiungerà il suo secondo obiettivo, Cerere, nella primavera del 2015, per effettuare un’ampia mappatura della sua superficie e studiarne le caratteristiche geologiche e della composizione. Dawn utilizzerà uno strumento in grado di misurare gli elementi espulsi dalla superficie di Cerere come una conseguenza di raggi gamma impattanti e mapperà la distribuzione e la profondità di acqua sul pianeta nano.
Infine, nel luglio del 2015, la missione New Horizons, lanciata nel gennaio 2006, raggiungerà il sistema di Plutone. Questo pianeta nano presenta un’eccellente varietà di ghiacci sulla sua superficie e la navicella trasporta strumenti capaci di misurarne accuratamente la composizione. La più grande luna di Plutone, Caronte, è circa delle stesse dimensioni di Cerere, il che offre la prospettiva di interessanti confronti tra questi due corpi, simili per molti aspetti ma con ambienti di evoluzione molto diversi.
Queste prossime missioni apriranno nuovi orizzonti per la nostra comprensione dell’evoluzione dei nano pianeti e la loro potenzialità di ospitare un ambiente favorevole alla vita.

Giaccio foto 4(fig.4) Il Modello di Nizza. Mentre la nebulosa proto-solare si condensava, l’acqua e altri gas volatili che si trovavano lontano dal giovane Sole poterono rimanere stabili. Milioni anni più tardi, cominciarono a formarsi i vari tipi di ghiaccio e le comete e i planetesimi trasportarono quest’acqua fin nei dintorni del Sistema Solare appena nato. Nello stesso tempo, oltre l’orbita di Nettuno, enormi riserve di ghiaccio si formarono nel vasto disco composto di nuclei di comete di breve e medio periodo chiamato Cintura di Kuiper. Altri andarono a formare la Nube di Oort, un’immensa, sferica conchiglia di corpi ghiacciati che circonda l’intero Sistema Solare

Qual è il futuro per corpi ghiacciati?

Nel 2016, la missione Juno entrerà in orbita attorno a Giove ed effettuerà misurazioni che possono aiutare gli scienziati a capire se Giove possiede un nucleo al suo interno. Nel 2017, la sonda Cassini farà uno spettacolare tuffo all’interno degli anelli di Saturno e attiverà le prime osservazioni da vicino. Ma dopo il 2017 la mappa per l’esplorazione dei corpi ghiacciati rimarrà vuota per qualche anno. Sebbene molte fantastiche missioni siano in fase di sviluppo, l’esplorazione dei corpi ghiacciati entrerà in stallo. Allo scopo di completare la campionatura di ghiacci e corpi ghiacciati lungo tutto il sistema solare, l’attenzione viene rivolta a diverse mete. Una di queste è la fascia principale di asteroidi più esterni, che ospita la maggiore zona di corpi cometari e Themis 24, il primo asteroide in cui ghiaccio d’acqua e molecole di composti organici sono stati rilevati dalle osservazioni astronomiche, ed ancora i gruppi di asteroidi che si trovano lungo l’orbita di Giove nella regione chiamata “Nube dei Troiani”. Si stima che questa area contenga un milione di corpi, probabilmente catturati dal grande rimpasto delle prime fasi del sistema solare, come prevede il Modello di Nizza, menzionato sopra. L’origine di questi oggetti può essere desunta dalla valutazione della loro composizione chimica, usando il ghiaccio come un termometro. Data l’importanza scientifica dei Troiani, quale confine tra l’interno ed esterno del sistema solare, è stata approvata una missione dall’attuale sezione di Valutazione Decennale delle Scienze Planetarie del National Research Council’s, che precisa le domande chiave e le priorità per l’esplorazione dello spazio da qui ai primi anni del 2020. Altra nuova importante missione, riconosciuta dalla comunità per le scienze planetarie, è dedicata al sistema di Urano che, al tempo delle missioni Voyager, ha sollevato alcuni grandi misteri, quali le inusuali caratteristiche geologiche di Miranda e Ariel. Queste strane strutture mostrano la molteplicità delle forme prese dal materiale ghiacciato in funzione della composizione e del contesto geologico e, nel caso di Ariel, anche un probabile criovulcanismo.
Nel 2030 la missione Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), in fase di preparazione da parte dell’Agenzia Spaziale Europea e il cui lancio è previsto nel 2022, seguirà le tracce della sonda Galileo per un’osservazione ravvicinata di Giove, Ganimede, Callisto ed Europa. L’Europa Clipper, che recentemente ha ricevuto il via libera per lo sviluppo preliminare, potrebbe lasciare la Terra tra circa un decennio e effettuerebbe una vasta mappatura e una valutazione di abitabilità di Europa.

Conclusione

Le origini dei ghiacci del sistema solare e l’evoluzione dei corpi ghiacciati sono i temi di esplorazione planetaria di maggiore interesse. Le osservazioni in remoto e in-situ dei corpi ghiacciati possono aiutare gli scienziati a tornare indietro nel tempo alle prime condizioni del solare sistema e comprendere le principali dinamiche che hanno caratterizzato i nostri vicini planetari come li conosciamo oggi. Spingere l’esplorazione verso le parti più lontane ha portato anche alla scoperta di molteplici corpi che possono ospitare condizioni favorevoli allo sviluppo di forme di vita. Una maggiore conoscenza dell’ambiente del nostro sistema solare, sia vicino che lontano, a sua volta aiuterà ad individuare regioni in sistemi di esopianeti che favoriscano lo sviluppo del Santo Graal dell’esplorazione spaziale: la vita.

 

traduzione di  SIMONETTA ERCOLI

Titolo originale: Ice In the Solar System, Deciphering Clues to Planetary Origins and Habitability by Julie Castillo-Rogez

L’articolo è stato pubblicato su The Planetary Report vol. 34 n.2 – giugno 2014

JULIE CASTILLO-ROGEZ è una studiosa di geofisica planetaria, specializzata in lune ghiacciate e piccoli corpi celesti. E’ stata uno dei fondatori del Laboratorio di Fisica del Ghiaccio presso il JPL. Ha preso parte alla pianificazione degli esperimenti scientifici delle missioni Cassini-Huygens e Dawn, ed è stata membro del Science Definition Team del Titan-Saturn System Mission Study

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12 gennaio 2015 - Posted by | Astrofisica, Astronautica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , ,

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