Su Marte domina un colore: il rosso. Il terreno è rosso: rosso ovunque. Le pianure sono rosse; gli altopiani sono rossi; i letti dei fiumi prosciugati sono rossi; le dune di sabbia sono rosse; è tutto rosso. Anche l’atmosfera stessa è rossa in ogni luogo in cui possiamo misurarla. L’unica eccezione sembra essere le calotte glaciali e le nuvole, che sono bianche; Marte è, insomma, davvero un Pianeta Rosso.
Tuttavia, sorprendentemente, il “rosso” di Marte è incredibilmente superficiale; basta scalfire appena la superficie che, al di sotto di questa, il rosso svanisce. Ecco ciò che rende il pianeta rosso così rosso.
Quando guardiamo il nostro pianeta Terra dallo spazio, vediamo una miriade di colori diversi. Il cielo è blu, poiché l’atmosfera diffonde preferenzialmente la luce blu a lunghezza d’onda più corta in tutte le direzioni, conferendo alla nostra atmosfera il suo colore caratteristico. Gli oceani sono blu, poiché le molecole d’acqua assorbono meglio la luce rossa di lunghezza d’onda maggiore rispetto alla luce blu. I continenti, invece, appaiono marroni o verdi, a seconda della vegetazione (o della sua mancanza) che vi cresce, mentre le calotte glaciali e le nuvole appaiono sempre bianche.
Dallo spazio, non si può negare l’aspetto rosso di Marte. Per tutta la storia registrata in un’ampia varietà di lingue, Marte è indicato come il Pianeta Rosso.
Mangala, la parola sanscrita per Marte, vuole dire rosso. Har decher, il suo antico nome in egiziano, significa letteralmente “rosso”. E quando siamo progrediti nell’era spaziale, le foto ravvicinate che distinguono la superficie dall’atmosfera mostrano chiaramente che l’aria stessa sopra Marte ha un colore intrinsecamente rosso.
Pianeta Rosso, la spiegazione
Nell’atmosfera terrestre, la diffusione di Rayleigh domina, proiettando luce blu in tutte le direzioni mentre la luce rossa viaggia relativamente indisturbata. Tuttavia, l’atmosfera di Marte è spessa solo lo 0,7% di quella terrestre, il che rende la dispersione di Rayleigh provocata dalle molecole di gas nell’atmosfera di Marte un effetto trascurabile.
Invece, le particelle di polvere nell’atmosfera marziana dominano in (probabilmente) due modi:
- maggiore assorbimento a lunghezze d’onda ottiche corte (400-600 nm) rispetto a lunghezze d’onda maggiori (600+ nm),
- e che le particelle di polvere più grandi (~ 3 micron e più grandi) disperdono la luce di lunghezza d’onda più lunga in modo più efficiente rispetto alle particelle di gas atmosferico che disperdono la luce di lunghezza d’onda più corta attraverso la diffusione di Rayleigh.
Se guardiamo in dettaglio la polvere atmosferica sospesa su Marte e ci chiediamo “com’è“, la risposta è incredibilmente istruttiva. Solo osservando le sue proprietà spettrali – o “come influenza la luce” – possiamo vedere che la polvere è molto simile alle regioni su Marte che:
- sono ad alta riflettività,
- rappresentano depositi di terreno luminosi,
- e sono ricchi di ferro: cioè contengono grandi quantità di ossidi ferrici.
Quando guardiamo la polvere in dettaglio, in particolare con lo strumento OMEGA sulla missione Mars Express dell’ESA, scopriamo che il tipo più comune di polvere proviene dall’ematite rossa nanocristallina, che ha la formula chimica α-Fe2 O3 .
Le particelle che compongono questa ematite sono piccole: tra circa 3 e 45 micron di diametro. È la giusta dimensione e composizione in modo che i rapidi venti marziani, che tipicamente soffiano a velocità vicine a ~ 100 km / h, spazzano continuamente grandi quantità di polvere nell’atmosfera, dove rimane abbastanza ben miscelata, anche quando non ci sono tempeste di polvere.
Quando guardiamo la superficie marziana stessa, tuttavia, Marte resta il Pianeta Rosso ma la storia diventa molto più interessante.
Da quando abbiamo iniziato ad esaminare in dettaglio la superficie marziana – prima con gli orbiter e, successivamente, con lander e rover – abbiamo notato che le caratteristiche della superficie sono cambiate nel tempo. In particolare, notiamo che c’erano aree più scure e aree più luminose e che le aree scure si sono evolute secondo uno schema particolare:
- erano scure,
- si sono ricoperte di polvere che sospettiamo provenga da aree più luminose,
- e poi sono tornate di nuovo ad essere scuri.
Per molto tempo non abbiamo saputo perché, fino a quando non abbiamo iniziato a notare che le aree scure che cambiano luminosità avevano tutte alcune cose in comune, in particolare se paragonate alle aree scure che non cambiano.
Osservandole nel dettaglio, le aree scure del Pianeta Rosso che variano nel tempo si trovano a quote relativamente più basse e pendii più dolci, ed sono circondate da aree più luminose. Al contrario, le aree scure più elevate, con pendenza più ripida e molto grandi non sono cambiate in questo modo nel tempo.
È stato un duo di scienziati – uno dei quali era Carl Sagan – a trovare la sconcertante risposta: Marte è ricoperto da uno strato di questa polvere sottile e sabbiosa spinta dai venti su tutta la superficie marziana. Questa sabbia viene soffiata da un’area all’altra, ma è più facile che quella polvere:
- percorra brevi distanze,
- viaggi da quote più alte a quote più basse o a quote comparabili, piuttosto che fino a quote molto più alte,
- e che venga spazzata via da aree con pendii più ripidi, al contrario di aree con pendii meno profondi.
In altre parole, la polvere rossa che domina la tavolozza dei colori di Marte è solo superficiale. Non è nemmeno una frase poetica in questo caso: la maggior parte del Pianeta Rosso è ricoperta da uno strato di polvere spesso solo pochi millimetri!
Anche nella regione in cui la polvere è più densa – il grande altopiano noto come regione di Tharsis, costituito da tre vulcani molto grandi appena sfalsati dal Mons Olimpus (che sembra a nord-ovest dell’altopiano) – si stima che lo spessore sia al massimo 2 metri.
Potremmo quindi guardare a questi fatti e chiederci quanto segue: abbiamo una mappa topografica di Marte e una mappa degli ossidi ferrici su Marte e queste mappe sono in qualche modo correlate tra loro?
È un pensiero intelligente, a cui daremo un’occhiata tra un secondo, ma “ossido ferrico” non significa necessariamente “polvere rossa di Marte” come molti potrebbero pensare. Innanzitutto, gli ossidi ferrici sono presenti ovunque sul pianeta:
- all’interno della crosta,
- nei deflussi di lava,
- e nella polvere marziana che è stata ossidata dalle reazioni con l’atmosfera.
Dato che l’atmosfera del pianeta Rosso, ancora oggi, contiene quantità significative sia di anidride carbonica che di acqua, c’è una fonte di ossigeno prontamente disponibile per ossidare qualsiasi materiale ricco di ferro che arriva in superficie: dove viene a contatto con l’atmosfera.
Di conseguenza, quando guardiamo una mappa dell’ossido ferrico di Marte – ancora una volta, realizzata dal favoloso strumento OMEGA a bordo del Mars Express dell’ESA – scopriamo che sì, gli ossidi ferrici sono ovunque, ma le abbondanze sono più alte nel nord e nelle latitudini medie, mentre sono minori alle latitudini meridionali.
D’altra parte, la topografia di Marte mostra che l’elevazione del pianeta rosso varia in modo interessante sulla sua superficie e in un modo che è solo parzialmente correlato all’abbondanza di ossidi ferrici. L’emisfero meridionale, prevalentemente, si trova a un’altitudine molto più elevata rispetto alle pianure del nord. Le elevazioni maggiori si verificano nella regione di Tharsis, ricca di ossido ferrico, ma nelle pianure ad est di essa, l’abbondanza di ossidi ferrici precipita.
Quello che dobbiamo capire è che la forma di ossido ferrico dell’ematite rossa, che è forse il colpevole del “rossore” di Marte, non è l’unica forma di ossido ferrico. C’è anche la magnetite: Fe3 O4 , che è di colore nero invece che rosso. Sebbene la topografia globale di Marte sembri giocare un ruolo nell’abbondanza di ossido ferrico, chiaramente non è l’unico fattore in gioco e potrebbe non essere nemmeno il fattore principale nel determinare il colore di Marte.
Quello che pensiamo stia accadendo – e questo si è dimostrato un quadro coerente per molti anni – è che c’è un insieme di polvere luminosa, distribuita a livello globale, globalmente omogenea che viene spazzato via nell’atmosfera e rimane lì.
Quella polvere è fondamentalmente sospesa nella sottile atmosfera marziana e, sebbene eventi come le tempeste di sabbia ne possano aumentare la concentrazione, non scende mai a un valore trascurabilmente basso. L’atmosfera di Marte è sempre ricca di questa polvere; quella polvere fornisce il colore all’atmosfera; ma le caratteristiche cromatiche della superficie di Marte non sono affatto uniformi.
La “sedimentazione della polvere atmosferica” è solo uno dei fattori nel determinare il colore della superficie di varie regioni di Marte. Questo è qualcosa che abbiamo imparato molto bene dai nostri lander e rover: Marte non è affatto di un colore rosso uniforme.
In effetti, la superficie stessa è più sull’arancio e vari oggetti e depositi rocciosi sulla superficie sembrano avere una varietà di colori: marrone, dorato, marrone chiaro e persino verdastro o giallo, a seconda di quali minerali prevalgono in quei depositi.
Una domanda che è ancora in fase di studio è il meccanismo esatto con cui si formano queste particelle di ematite rossa. Sebbene ci siano molte idee che coinvolgono l’ossigeno molecolare, si trova solo in minuscole quantità di tracce dalla fotodissociazione dell’acqua. Sono possibili reazioni che coinvolgono acqua o alte temperature, ma sono termodinamicamente sfavorite.
Le due possibilità più probabili sono le reazioni che coinvolgono il perossido di idrogeno (H2 O2 ), che si trova naturalmente su Marte in bassa abbondanza, ma è un ossidante molto forte. Il fatto che vediamo grandi quantità di α-Fe2 O3 ma nessun minerale ferrico idrato potrebbe essere un’indicazione di questo percorso.
In alternativa, potremmo ottenere l’ematite semplicemente da un processo puramente fisico: l’erosione. Se mescoli insieme polvere di magnetite, sabbia di quarzo e polvere di quarzo e la agiti in una fiaschetta, parte della magnetite si converte in ematite.
In particolare, una miscela “nera” (dominata dalla magnetite) apparirà rossa, quando il quarzo si frattura, esponendo atomi di ossigeno, che si attaccano ai legami di magnetite rotti, formando ematite. Forse l’idea che l’acqua sia responsabile degli ossidi ferrici è davvero una falsa pista, dopotutto.
Quindi, tutto sommato, Marte è rosso a causa dell’ematite, che è una forma rossa di ossido ferrico.
Sebbene gli ossidi ferrici si trovino in molti luoghi, solo l’ematite è in gran parte responsabile del colore rosso, e le piccole particelle di polvere che sono sospese nell’atmosfera e che ricoprono la parte superiore di pochi millimetri della superficie di Marte sono interamente responsabili del colore rosso che vediamo.
Se potessimo in qualche modo calmare l’atmosfera per lunghi periodi di tempo e lasciare che la polvere marziana si depositi, potremmo aspettarci che lo scattering di Rayleigh domini, come fa sulla Terra, rendendo i cieli blu.
Ciò è corretto solo in parte, però; poiché l’atmosfera marziana è così sottile e tenue, il cielo sembrerebbe molto scuro: quasi completamente nero, con una leggera sfumatura bluastra. Se riuscissi a bloccare con successo la luminosità proveniente dalla superficie del pianeta, potresti probabilmente vedere alcune stelle e fino a sei pianeti – Mercurio, Venere, Terra, Giove, Saturno e talvolta Urano – anche durante il giorno.
Marte è il pianeta rosso, ma solo una minuscola parte di lui è effettivamente rossa. Fortunatamente per noi, quella parte rossa è lo strato più esterno della sua superficie, pervasivo nell’atmosfera marziana, e questo spiega il colore che effettivamente percepiamo.
