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Studiare Marte e Venere per capire l’evoluzione della nostra atmosfera

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This image shows an oblique view focusing on one of the fractures making up the Cerberus Fossae system. The fractures cut through hills and craters, indicating their relative youth. The main image was taken on 27 January 2018 during orbit 17813 by the High Resolution Stereo Camera (HRSC) on ESA’s Mars Express. The ground resolution is approximately 16 m/pixel and the images are centred at about 159°E/10°N. The oblique perspective view was generated using data from the HRSC stereo channels. Copyright ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Le atmosfere dei nostri due vicini, Venere e Marte, possono insegnarci molto sugli scenari passati e futuri del nostro pianeta. Tornando indietro di 4,6 miliardi di anni, al cantiere di costruzione planetaria, vediamo che tutti i pianeti condividono una storia comune: sono nati tutti dalla stessa nuvola vorticosa di gas e polvere, con il neonato Sole acceso al centro. Lentamente ma inesorabilmente, con l’aiuto della gravità, la polvere si è accumulata in macigni, finendo per formare palle di neve in entità di dimensioni planetarie.

Il materiale roccioso può resistere al calore del Sole, mentre il materiale gassoso e ghiacciato può sopravvivere solo più lontano. Così hanno origine i pianeti più interni e i giganti di gas e ghiaccio più esterni. Gli avanzi di questa fucina planetaria andranno a formare asteroidi e comete.

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La formazione delle atmosfere

Le atmosfere dei pianeti rocciosi si sono formate come parte di un processo di costruzione molto energico, per lo più per degassamento da raffreddamento, con alcuni piccoli contributi da eruzioni vulcaniche e minori quantità di acqua, gas e altri ingredienti da comete e asteroidi. Nel corso del tempo le atmosfere hanno subito una forte evoluzione, grazie ad una complessa combinazione di fattori, fino ad raggiungere la composizione attuale, con la Terra che ad oggi è l’unico pianeta conosciuto a sostenere la vita, e l’unico con acqua liquida sulla sua superficie.

Sappiamo da missioni spaziali, come Venus Express dell’ESA, che ha osservato Venere tra il 2006 e il 2014, e Mars Express, che indaga sul Pianeta Rosso dal 2003, che un tempo fluiva acqua liquida anche sui nostri pianeti gemelli. Mentre l’acqua su Venere è stata “bollita”, su Marte è sepolta sottoterra o rinchiusa in calotte polari.

Intimamente legato alla storia dell’acqua – e in definitiva alla grande domanda se la vita potrebbe essere sorta oltre la Terra – è lo stato dell’atmosfera di un pianeta. Collegato a questo, vi è l’interazione e lo scambio di materiale tra l’atmosfera, gli oceani e l’interno roccioso del pianeta.

Riciclo planetario

I nostri pianeti appena formati erano composti da una palla di roccia fusa con un mantello che circondava un nucleo denso. Poi iniziarono a raffreddarsi. Terra, Venere e Marte hanno tutti vissuto attività degenerative in questi primi giorni, che hanno formato le prime atmosfere giovani, calde e dense. Mentre queste atmosfere si raffreddavano, i primi oceani si formavano piovendo dal cielo.

Ad un certo punto, però, le caratteristiche dell’attività geologica dei tre pianeti si fecero divergenti. La crosta solida della Terra si fendette in piastre, che in alcuni punti si tuffavano una sotto l’altra, in zone di subduzione, e in altri luoghi scontrandosi per creare vaste catene montuose o staccandosi per creare spaccature giganti o nuove croste. Le placche tettoniche della Terra sono ancor oggi in movimento, e danno origine a eruzioni vulcaniche o terremoti.

Venere, che è solo leggermente più piccola della Terra, può avere anche ai giorni nostri un’attività vulcanica, e la sua superficie sembra essere stata ricoperta da lava non più tardi di mezzo miliardo di anni fa. Oggi non ha un sistema di tettonica a piastre. I suoi vulcani erano probabilmente alimentati da pennacchi termali che salivano attraverso il mantello – creati in un processo che può essere paragonato a una “lampada di lava” ma su una scala gigantesca.

Marte, essendo molto più piccolo, si raffreddò più rapidamente della Terra e di Venere, e quando i suoi vulcani si estinsero perse un mezzo chiave per reintegrare la sua atmosfera. Vanta però ancora il più grande vulcano dell’intero Sistema Solare, l’Olympus Mons di 25 chilometri di altezza. Anche se ci sono prove di attività tettonica negli ultimi 10 milioni di anni, non si ritiene che il pianeta abbia un sistema tettonico simile alla Terra.

Placche tettoniche e oceani

Non è solo la tettonica globale a placche che rende la Terra speciale, ma la combinazione unica con gli oceani. Oggi i nostri oceani, che coprono circa i due terzi della superficie terrestre, assorbono e immagazzinano gran parte del calore del nostro pianeta, trasportandolo lungo correnti in tutto il mondo. Quando una placca tettonica viene trascinata nel mantello, si riscalda e rilascia acqua e gas intrappolati nelle rocce, che a loro volta percolano attraverso le prese idrotermiche sul fondo dell’oceano.

Forme di vita estremamente resistenti sono state trovate in tali ambienti sul fondo degli oceani della Terra, fornendo indizi su come la vita potrebbe essere iniziata e dando agli scienziati indicazioni su dove cercare altrove nel Sistema Solare. La luna di Giove Europa o la luna ghiacciata di Saturno Encelado, per esempio, che nascondono oceani di acqua liquida sotto le loro croste ghiacciate, dove le missioni spaziali come Cassini suggeriscono l’esistenza di un’attività idrotermale.

La regolazione dell’anidride carbonica presente nell’atmosfera

La tettonica delle placche aiuta anche a modulare la nostra atmosfera, regolando la quantità di anidride carbonica sul nostro pianeta nel lungo termine. Quando l’anidride carbonica atmosferica si combina con l’acqua, si forma l’acido carbonico, che a sua volta dissolve le rocce. La pioggia porta l’acido carbonico e il calcio negli oceani – l’anidride carbonica viene anche dissolta direttamente negli oceani – dove viene riciclata nel fondo dell’oceano. Per quasi la metà della storia della Terra, l’atmosfera conteneva pochissimo ossigeno. I cynobacteria oceanici furono i primi a usare l’energia del Sole per convertire l’anidride carbonica in ossigeno. Senza il riciclaggio e la regolazione planetari tra il mantello, gli oceani e l’atmosfera, la Terra potrebbe essere evoluta come Venere.

Effetto serra estremo

Venere viene a volte indicato come il gemello malvagio della Terra a causa del fatto che è quasi della stessa dimensione ma afflitto da una spessa atmosfera nociva e da una soffocante superficie di 470°C. La sua alta pressione e la sua temperatura sono abbastanza calde da sciogliere il piombo. Grazie alla sua atmosfera densa, è persino più caldo del pianeta Mercurio, che orbita vicino al Sole. La sua drammatica deviazione da un ambiente simile alla Terra è spesso usata come esempio di ciò che accade in un effetto serra fuori controllo.

La nostra fonte di calore

La principale fonte di calore nel Sistema Solare è l’energia del Sole, che riscalda la superficie di un pianeta. Di conseguenza, il pianeta irradia energia nello spazio. Un’atmosfera intrappola parte dell’energia in uscita, trattenendo il calore – il cosiddetto effetto serra. È un fenomeno naturale che aiuta a regolare la temperatura di un pianeta. Se non fosse per i gas serra, come il vapore acqueo, il biossido di carbonio, il metano e l’ozono, la temperatura della superficie terrestre sarebbe di circa 30 gradi più fredda rispetto alla media attuale di +15°C.

Negli ultimi secoli, gli esseri umani hanno alterato questo equilibrio naturale sulla Terra, rafforzando l’effetto serra sin dagli albori dell’attività industriale, contribuendo con l’aggiunta di anidride carbonica, ossidi di azoto, solfati e altri gas. Gli esolfaffetti a lungo termine sul nostro pianeta includono il riscaldamento globale, le piogge acide e l’esaurimento dello strato di ozono. Le conseguenze di un clima di riscaldamento sono di vasta portata, possono influenzare potenzialmente le risorse di acqua dolce, la produzione alimentare globale e il livello del mare e innescare un aumento degli eventi meteorologici estremi.

Venere, un laboratorio naturale

Non c’è attività umana su Venere, ma la sua atmosfera fornisce un laboratorio naturale per capire meglio un effetto serra fuori controllo. Ad un certo punto della sua storia, Venere iniziò a intrappolare troppo calore. Un tempo si pensava ospitasse oceani come la Terra, ma il calore raggiunto ha trasformato l’acqua in vapore e, a sua volta, il vapore acqueo nell’atmosfera intrappolava sempre più calore fino a che interi oceani non sono evaporati completamente. Venus Express ha dimostrato che il vapore acqueo è ancora in fuga dall’atmosfera di Venere ai giorni nostri.

Venus Express ha anche scoperto un misterioso strato di biossido di zolfo ad alta quota nell’atmosfera del pianeta. Si pensa che l’anidride solforosa derivi dalle emissioni dei vulcani. Venus Express ha registrato grandi cambiamenti nel contenuto di anidride solforosa nell’atmosfera. Ciò porta a nubi di acido solforico e goccioline ad altitudini di circa 50-70 km – qualsiasi restante biossido di zolfo dovrebbe essere distrutto dall’intensa radiazione solare. Quindi è stata una sorpresa per Venus Express scoprire uno strato di gas a circa 100 km di altezza. È stato determinato che l’evaporazione delle goccioline di acido solforico libera l’acido solforico gassoso che viene quindi separato dalla luce solare, rilasciando il gas di anidride solforosa.

Il biossido di zolfo nell’atmosfera terrestre

Questa osservazione solleva la domanda su cosa potrebbe accadere se grandi quantità di biossido di zolfo venissero iniettate nell’atmosfera terrestre – una proposta su come mitigare gli effetti del cambiamento climatico sulla Terra. Il concetto è stato dimostrato dall’eruzione vulcanica del 1991 del monte Pinatubo, nelle Filippine, quando il diossido di zolfo espulso dall’eruzione ha creato piccole gocce di acido solforico concentrato – come quelle che si trovano nelle nubi di Venere – a circa 20 km di altitudine. Questo ha generato uno strato di foschia e ha raffreddato il nostro pianeta a livello globale di circa 0,5 °C per diversi anni.

Poiché questa foschia riflette il calore, è stato proposto che un modo per ridurre le temperature globali sarebbe iniettare quantità artificialmente grandi di anidride solforosa nella nostra atmosfera. Tuttavia, gli effetti naturali del monte Pinatubo offrivano solo un effetto di raffreddamento temporaneo. Lo studio dell’enorme strato di gocce di acido solforico su Venere offre un modo naturale per studiare gli effetti a lungo termine; una foschia inizialmente protettiva ad alta quota verrebbe infine riconvertita in acido solforico gassoso, che è trasparente e consente l’attraversamento di tutti i raggi del sole. Per non parlare dell’effetto collaterale delle piogge acide, che sulla Terra possono causare effetti dannosi su suolo, vita vegetale e acqua.

 

 

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