Ossigeno su Marte: il mistero dell’atmosfera del pianeta rosso

Nell’atmosfera marziana c’è più ossigeno del previsto, ma solo in primavera ed estate. Questa la scoperta che si deve alle analisi del laboratorio a bordo del rover Curiosity della NASA, che ha raccolto campioni di gas nella porzione di atmosfera sopra al cratere Gale di Marte. In particolare, gli scienziati hanno scoperto che se in inverno e autunno la quantità di ossigeno nell’aria è inferiore allo 0,2%, in primavera ed estate i livelli aumentano del 30% rispetto a quanto previsto, per diminuire di nuovo al cambio della stagione.

Proprio come accade per le concentrazioni di metano nell’atmosfera marziana, dunque, anche quelle di ossigeno su Marte sono soggette ad un cambiamento stagionale. Un risultato che ha sorpreso i ricercatori guidati da Melissa Trainer, del Goddard Space Flight Center della NASA, che è stato pubblicato sulla rivista Journal of Geophysical Research: Planets. Sushil Atreya, professore della University of Michigan di Ann Arbor e co-autore dello studio, ha raccontato: “La prima volta che abbiamo visto i risultati, è stato strabiliante”.

I ricercatori hanno tentato di spiegare questo inusuale fenomeno, ma al momento non c’è teoria che sia in grado di giustificare sia l’aumento sproporzionato di ossigeno marziano che la sua diminuzione. La Trainer e il suo team ritengono che la risposta sia in qualche sconosciuto processo chimico-geologico che interessa la superficie del suolo di Marte, ma nulla è confermato. Per questo motivo i ricercatori della NASA hanno lanciato un appello alla comunità scientifica per trovare una soluzione a quello che è diventato l’enigma dell’ossigeno marziano.

Atmosfera marziana, le fluttuazioni osservate da SAM

Lo studio dell’atmosfera marziana e della sua composizione iniziò nel 1976 con gli strumenti a bordo dei lander Viking della NASA. I risultati della missione furono eccezionali: per la prima volta si ebbero dati sull’atmosfera del pianeta rosso, ma la presa dati durò appena pochi giorni. Troppo pochi per poter osservare eventuali fluttuazioni stagionali nei gas e nella sua composizione.

Per questo motivo la NASA ha dotato il rover Curiosity dello strumento Sample Analysis at Mars, o SAM, che da 3 anni marziani, circa 6 anni terrestri, raccoglie campioni dell’atmosfera e analizza i gas presenti in essa. Analizzando i campioni raccolti vicino al cratere Gale di Marte, SAM ha permesso la ricostruzione della composizione così ripartita: 95% del volume di diossido di carbonio (CO2), 2,6% di azoto molecolare (N2), 1,9% di Argon (Ar), 0,16% di ossigeno molecolare (O2) e 0,06% di monossido di carbonio (CO).

I risultati di SAM hanno evidenziato che esiste, in funzione delle stagioni, un rimescolamento delle molecole nell’atmosfera e soprattutto una variazione delle concentrazioni e quindi della sua composizione. Secondo i ricercatori della NASA, questo rimescolamento si deve ai cambiamenti di pressione indotti dal congelamento del gas di diossido di carbonio (CO2) ai poli del pianeta rosso in inverno.

Quando il gas si congela, provoca un abbassamento della pressione atmosferica che per essere riportata in equilibrio ha bisogno di una ridistribuzione della sua composizione. Quando in estate invece il gas di diossido di carbonio evapora, la pressione aumenta e la composizione varia nuovamente. Studiando questo meccanismo di bilanciamento della pressione atmosferica, i ricercatori hanno scoperto che l’azoto e l’argon seguono un modello stagionale che permette di prevedere come i livelli cambieranno.

Gli scienziati si attendevano un modello di fluttuazione prevedibile anche per l’ossigeno, ma con loro grande sorpresa si sbagliavano. I livelli di ossigeno molecolare infatti aumentano tra la primavera e l’estate di oltre il 30% rispetto a quelli previsti, per tornare ai livelli attesi in autunno. Queste variazioni inusuali dell’ossigeno implicano che qualcosa lo produce e lo immette nell’atmosfera in primavera, per poi riassorbirlo in autunno.

Ossigeno e metano marziano: le somiglianze

Non solo l’ossigeno ha concentrazioni stagionali che cambiano nell’atmosfera del pianeta rosso. Questo inusuale e inaspettato comportamento era già stato osservato, sempre nella zona del cratere di Gale da Curiosity, per il gas metano. In questo caso, lo strumento SAM ha rivelato che i livelli di metano aumentano in estate del 60% rispetto a quanto previsto, per poi diminuire in inverno ai livelli attesi. Un’altra variazione che rimane senza spiegazione al momento.

Quello che ora gli scienziati guidati dalla Trainer si chiedono è se queste variazioni stagionali inattese di ossigeno e metano siano guidate dallo stesso meccanismo chimico, dato che le fluttuazioni dei due gas sembrano avvenire contemporaneamente. Atreya ha spiegato: “Stiamo iniziano a osservare questa correlazione tra variazione del metano e dell’ossigeno in buona parte dell’anno su Marte. Sicuramente c’è un legame, solo che non ho ancora una risposta e nessuno di noi ce l’ha”.

Sia l’ossigeno che il metano possono essere prodotti attraverso processi biologici, per esempio da microbi, oppure abiotici, come dalla chimica legata all’acqua e alle rocce. Al momento, il rover Curiosity non è dotato di strumenti che permettano di determinare se la sorgente del metano e dell’ossigeno marziani siano di tipo biologico o geologico, anche se per i ricercatori il principale “sospettato” di queste fluttuazioni dei gasi sarebbe un processo abiotico non ancora identificato.

Come si forma (e sparisce) l’ossigeno marziano?

Prima di iniziare a trovare una spiegazione per il mistero dell’ossigeno marziano, gli scienziati della NASA hanno effettuato verifiche su verifiche per assicurarsi che i dati raccolti e analizzati da SAM fossero esatti. Solo allora sono iniziate le ricerche di una risposta a quello che sembra essere l’ennesimo enigma che arriva dal pianeta rosso.

Secondo i ricercatori, una prima spiegazione potrebbe venire da processi chimici nell’atmosfera. Le molecole di monossido di carbonio e di acqua potrebbero rompersi, rilasciando così ossigeno molecolare. Una ipotesi che però è complicate da validare: servirebbe infatti una quantità di acqua su Marte 5 volte superiore a quella scoperta affinché sia prodotto abbastanza ossigeno molecolare da spiegare il fenomeno osservato. Inoltre, le molecole di diossido di carbonio si rompono troppo lentamente per giustificare un aumento dei livelli stagionali così rapido.

Oltre al problema della sua comparsa, gli scienziati stanno cercando anche una spiegazione al perché improvvisamente l’ossigeno marziano scompaia dall’atmosfera. Tra le ipotesi esposte, quella che le molecole di ossigeno siano state divise in due atomi dalla radiazione solare. Ma anche questa teoria è stata rapidamente scartata: ci vorrebbero, per le simulazioni, circa 10 anni prima che tutto l’ossigeno prodotto sia smaltito con questo meccanismo.

La Trainer, autrice dello studio e ricercatrice della NASA, ha spiegato: “Ci stiamo struggendo per spiegare quanto osservato. Il fatto che il comportamento dell’ossigeno non è perfettamente ripetibile ogni stagione ci fa pensare che questo processo non abbia a che fare con le dinamiche atmosferiche. Deve esserci qualche sorgente chimica o un pozzo che non siamo stati ancora in grado di individuare”.

Ossigeno marziano: e se fosse prodotto…dal suolo?

La Trainer e colleghi ritengono che la principale sorgente dell’ossigeno “extra” possa essere il suolo marziano: esso infatti è ricco di elementi chimici in forma di composti come il perossido di idrogeno o i perclorati, che potrebbero rilasciare ossigeno sotto alcune condizioni chimico-geologiche.

D’altronde, uno degli esperimenti dei lander Viking negli anni Settanta ha evidenziato come in particolari condizioni di calore e umidità il suolo marziano sia in grado di rilasciare ossigeno. L’esperimento del lander non era stato pensato per spiegare questo fenomeno e le condizioni in cui è stato condotto non sono esattamente uguali a quelle in cui il rover Curiosity ha raccolto i campioni poi analizzati. Un processo di questo tipo, però, spiegherebbe il perché con l’aumento delle temperature in primavera ed estate i livelli di ossigeno aumentino. Allo stesso tempo, questo processo non spiega perché tali livelli diminuiscano in autunno.

Un’altra teoria prevede che radiazioni ad alta energia che permeano il suolo siano in grado di produrre livelli extra di ossigeno che entrano in atmosfera, ma questo processo chimico richiederebbe milioni di anni per accumulare abbastanza ossigeno che possa giustificare i livelli osservati nel cratere Gale. Insomma, al momento nessuna delle teorie avanzate dai ricercatori è in grado di spiegare il fenomeno osservato.

Timothie McConnochie, ricercatore della University of Maryland di College Park e altro co-autore dello studio, ha spiegato: “Non siamo stati in grado di individuare un solo processo che fosse in grado di produrre la quantità di ossigeno osservata, ma riteniamo che debba esserci qualcosa nella superficie del suolo marziano che cambia al variare delle stagioni, liberando gli atomi di ossigeno nell’atmosfera e creando le fluttuazioni”.

La Trainer, sottolineando il mistero che avvolge l’ossigeno marziano, ne ha approfittato per lanciare un appello alla comunità scientifica: “E’ la prima volta che osserviamo un comportamento del genere in anni di raccolta dati. Al momento, non sappiamo cosa stia accadendo. Lanciamo quindi un appello a tutte le persone intelligenti che sono interessate alla materia: uniamoci per vedere cosa riusciremo a scoprire”.