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I terremoti lunari e la sua dinamica geologica attiva

“L’idea che un corpo roccioso di 4,6 miliardi di anni come la Luna sia riuscito a rimanere abbastanza caldo all’interno e a produrre questa rete di faglie cozza contro il buon senso”, dice il coautore dello studio  Thomas Watters dello Smithsonian Institution a Washington, DC.

La Luna si sta restringendo mentre il suo interno si raffredda, più di 50 metri nelle ultimi centinaia di milioni di anni. Proprio come una acino d’uva che si restringe, la Luna si riempie di rughe. La crosta superficiale della Luna è fragile, quindi si rompe quando la Luna si restringe, formando “faglie di spinta” in cui una sezione di crosta si sovrappone a una parte vicina.

“La nostra analisi ci fornisce la prima prova che queste faglie sono ancora attive e probabilmente producono terremoti mentre la Luna continua a raffreddarsi e restringersi gradualmente”, ha detto Thomas Watters, scienziato senior del Center for Earth and Planetary Studies presso lo Smithsonian National Air and Space Museo di Washington. “Alcuni di questi terremoti possono essere abbastanza forti, intorno al quinto grado della scala Richter”.

Viste dalla superficie lunare queste faglie assomigliano a piccole scogliere a forma di scalino, tipicamente alte decine di metri e si estendono per diversi chilometri. Gli astronauti Eugene Cernan e Harrison Schmitt pilotarono il loro rover lunare sulla parete rocciosa della della faglia di Lee-Lincoln durante la missione Apollo 17 che sbarcò nella valle del Taurus-Littrow nel 1972.

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Vista della valle del Taurus-Littrow presa dalla navicella spaziale Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA. La valle fu esplorata nel 1972 dagli astronauti della missione Apollo 17 Eugene Cernan e Harrison Schmitt. Crediti: [NASA / GSFC / Arizona State University
Watters è l’autore principale di uno studio che analizza i dati di quattro sismometri posizionati sulla Luna dagli astronauti dell’Apollo utilizzando un algoritmo o un programma matematico, sviluppato per localizzare il terremoto rilevato da una rete sismica. L’algoritmo ha fornito una stima migliore delle località di Moonquake. I sismometri sono strumenti che misurano l’agitazione prodotta dai terremoti, registrando il tempo di arrivo e la forza delle onde di terremoto per ottenerne una stima di posizione, chiamata epicentro. Lo studio è stato pubblicato il 13 maggio su Nature Geoscience.

Gli astronauti hanno posizionato gli strumenti sulla superficie lunare durante le missioni Apollo 11, 12, 14, 15 e 16. Il sismometro dell’Apollo 11 operò solo per tre settimane, ma i quattro rimanenti registrarono 28 terremoti poco profondi, come ci si aspettava da queste faglie dal 1969 al 1977. I terremoti andavano da circa 2 a circa 5 sulla scala Richter.

Usando le stime di posizione riviste dal nuovo algoritmo, il team ha scoperto che otto dei 28 terremoti superficiali erano collocati dentro un’area di 30 chilometri. Dati sufficienti per attribuire temporaneamente i terremoti alle faglie, dal momento che la modellazione del team mostra che questa è la distanza oltre la quale si prevede una forte scossa. Inoltre la nuova analisi ha rilevato che sei degli otto terremoti si sono verificati quando la Luna si trovava vicino al suo apogeo, il punto più lontano dalla Terra nella sua orbita. È qui che l’ulteriore sforzo di marea della gravità terrestre causa un picco nei sismi lunari, rendendo più probabili gli eventi di slittamento delle faglie.

faglia lunare
Questa faglia lunare è una delle migliaia scoperte dalla Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC). La faglia o scogliera è come un gradino nel paesaggio lunare (frecce bianche a sinistra) formatesi quando la crosta della superficie vicina esercita una spinta, si rompe e viene spinta verso l’alto mentre la Luna si contrae. Immagine LROC NAC frame M190844037LR. Crediti: NASA / GSFC / Arizona State University / Smithsonian

“E’ molto probabile che questi otto terremoti siano stati prodotti da difetti dovuti allo stress accumulato in seguito alla contrazione globale e alle forze mareali della crosta lunare, i sismometri dell’Apollo hanno registrato la contrazione della Luna ancora tettonicamente attiva” ha detto Watters.

I ricercatori hanno eseguito 10.000 simulazioni per calcolare la possibilità di una coincidenza che produce molti terremoti vicino alle faglie al momento dello stress maggiore. Hanno scoperto che è inferiore al 4%. Inoltre, mentre altri eventi, come gli impatti del meteoroide, possono produrre terremoti, producono una prova sismica diversa rispetto ai terremoti dovuti a eventi di errore.

Maree rocciose

La sismicità sulla Luna si basa su meccanismi sotterranei abbastanza diversi da quelli della Terra, afferma Weber. La maggior parte dell’attività lunare proviene dalle forze gravitazionali che la Terra esercita sul piccolo satellite grigio, praticamente una forza opposta a quella con cui la luna attira i nostri oceani e causa il regolare innalzamento e calo delle maree. Essendo priva di acqua, la superficie lunare si deforma, passando da una forma sferica a una più oblunga e viceversa.

Anche le enormi escursioni termiche dal giorno alla notte, che possono superare i 260 gradi Celsius, provocano alcune attività sismiche lunari. Alcuni dei terremoti misurati hanno persino un’origine umana, essendo stati causati dalla base di controllo delle missioni che ha ordinato alle parti di astronavi sacrificabili, di schiantarsi sulla luna per calibrare i sismometri.

Ma 28 degli eventi registrati sembravano avere il baricentro a poche miglia sotto la superficie lunare. Questi eventi hanno avuto una potenza pari ai terremoti di magnitudo 5,5 sul nostro pianeta, e hanno sfidato le spiegazioni per oltre 40 anni.

Ricerca sismica

Dal 2009, Watters ha utilizzato le immagini del Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA per mappare migliaia di pendii su tutta la Luna. Basandosi sull’apparente giovinezza del materiale lunare intorno ad essi, egli ha potuto stabilire che si sono formati in epoca relativamente recente, forse meno di 50 milioni di anni fa, “che è un periodo geologicamente recente, ma non giovane in assoluto”, dice.

Watters sospettava che i pendii potessero essere i siti responsabili dei piccoli terremoti, ma aveva bisogno di ulteriori prove. Con quattro sismometri che evidenziavano dati di qualità relativamente bassa, gli strumenti dell’Apollo potevano solo registrare le scosse fino ad un centinaio di miglia di distanza.

Così i ricercatori hanno usato un algoritmo normalmente impiegato per determinare la posizione dei terremoti sulla Terra quando vi sono reti di sismometri sparse, creando una griglia di ipotetici punti di origine per i terremoti lunari. Dei 28 eventi registrati, otto potrebbero essere avvenuti entro circa 18 miglia da un pendio, e sei quando la Luna si trovava nel punto più lontano dalla Terra, proprio nel momento in cui le forze di marea sulla superficie lunare raggiungono il massimo valore.

Per verificare se la correlazione possa essere casuale, il team ha simulato 10.000 eventi sismici per capire con quale frequenza si produrrebbe uno schema simile. Si è scoperto che vi è una probabilità dell’un per cento che tutti questi fattori si presentino allineati in questo modo. Per Watters, questo suggerisce che i pendii sono gli epicentri più probabili dei terremoti.

“Ciò significa, a tutti gli effetti, che la luna è tettonicamente attiva”, afferma. “Per me si tratta di un risultato sorprendente.”

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La valle del Taurus-Littrow è la sede del sito di atterraggio dell’Apollo 17 (asterisco). Il taglio attraverso la valle, appena sopra il sito di atterraggio, è la scarpata della faglia di Lee-Lincoln. Il movimento sulla faglia fu la probabile fonte di numerosi terremoti che innescarono eventi nella valle. 1) Le grandi frane sulle pendici del Massiccio del Sud coprivano rocce e polvere relativamente luminose (regolite) sopra e sopra la scarpata di Lee-Lincoln. 2) I massi rotolavano lungo le pendici del Massiccio del Nord lasciando tracce o strettoie nella regolite sulle pendici del Massiccio del Nord. 3) Frane sulle pendici sud-orientali delle Colline scolpite. Crediti: NASA / GSFC / Arizona State University / Smithsonian

Viste sul pendio

Comunque le incertezze sui risultati fanno si che altri ricercatori ancora non diano per scontata questa spiegazione.

“Usano diversi argomenti statistici e penso che facciano della buona scienza, ma non direi che la spiegazione sia definitiva”, afferma Ceri Nunn, che lavora sulla sismologia lunare al Jet Propulsion Laboratory della NASA in California. Tuttavia, considerando la qualità non ideale dei dati di partenza, la stessa scienziata pensa anche che al momento, il team abbia individuato le posizioni degli epicentri nel migliore dei modi possibili.

Weber e altri si stanno preparando a proporre una missione che posizionerà una nuova rete di sismometri all’avanguardia sulla Luna, con uno che tocchi o si avvicini ad un pendio.

Nel frattempo, dato il rinnovato interesse per l’esplorazione lunare da parte di paesi e società private di tutto il mondo, i risultati forniscono una buona mappa dei luoghi che i futuri lander dovrebbero evitare.

Questo video della scarpata di Lee Lincoln è stato creato con fotografie della Lunar Reconnaissance Orbiter e da mappe altimetriche. La scarpata è una bassa cresta o un gradino di circa 80 metri di altezza e corre da nord a sud attraverso l’estremità occidentale della valle del Taurus-Littrow, il sito dell’Atlante 17 della Luna. 

Struttura interna

La Luna è un corpo celeste internamente differenziato: come la Terra ha una crosta geochimicamente distinta, un mantello, la cui astenosfera è parzialmente fusa (di fatto le onde S rilevate dai sismografi non sono in grado di attraversarla), e un nucleo.

La parte interna del nucleo, con un raggio di 240 km, è ricca di ferro allo stato solido ed è circondata da un guscio esterno fluido costituito principalmente da ferro liquido, con un raggio di circa 300 km. Attorno al nucleo si trova una fase parzialmente fusa con un raggio di circa 500 km. La sua composizione non è stata ancora pienamente identificata, ma si dovrebbe trattare di ferro metallico in lega con piccole quantità di zolfo e nichel; sono le analisi della variabilità della rotazione lunare a indicare che esso è almeno parzialmente fuso.

Struttura interna della Luna
Struttura interna della Luna

Si ritiene che questa struttura si sia sviluppata attraverso una cristallizzazione frazionata dell’oceano di magma che ricopriva il satellite 4,5 miliardi di anni fa, al tempo della sua formazione.

La cristallizzazione dell’oceano di magma avrebbe creato il mantello femico per precipitazione e separazione dei minerali di olivina e pirosseno; dopo che circa tre quarti del magma si erano cristallizzati, i minerali di plagioclasio, a densità più bassa, poterono galleggiare e formare la crosta superficiale. Gli ultimi liquidi a cristallizzare furono quelli che si trovarono compressi tra la crosta e il mantello, con un’elevata abbondanza di elementi scarsamente compatibili ed esotermici. A conferma di questo, la mappatura geochimica effettuata dalle sonde in orbita, mostra che la crosta è prevalentemente a base di anortosite; anche i campioni di roccia lunare della lava eruttata sulla superficie da fusioni parziali del mantello, confermano la composizione mafica del mantello, più ricco in ferro di quello terrestre. Attraverso i dati inviateci dalla missione GRAIL, le ultime stime effettuate, dimostrano invece che la crosta lunare è più sottile di quanto si pensasse, in media 32–34 km contro i 45 km delle stime precedenti.

La Luna è il secondo satellite più denso del sistema solare dopo Io. Tuttavia le dimensioni del nucleo interno lunare sono piuttosto piccole in confronto alla dimensione totale del satellite, solo il 20% rispetto al circa 50% della maggioranza degli altri satelliti di tipo terrestre.

Nucleo: Numerosi dati portano a pensare che il nucleo lunare sia piccolo, con un raggio di circa 350 km o meno. La grandezza del nucleo lunare è pari a circa il 20% quella della Luna, in contrasto con il 50% circa che si trova nella maggior parte degli altri corpi terrestri. La composizione del nucleo lunare non è del tutto fissa, ma la maggioranza ritiene che sia composto di ferro metallico, legato a una piccola quantità di zolfo e nichel. L’analisi del tempo variabile di rotazione della Luna indica che il nucleo è fuso perlomeno in parte.

Nel 2010, un riesame dei dati sismici dell’ALSEP sui terremoti lunari profondi con l’utilizzo di moderni metodi di elaborazione dati conferma che la Luna ha un nucleo ricco di ferro con un raggio di 330 ± 20 km. Lo stesso esame ha stabilito che lo strato solido più interno del nucleo di ferro puro ha un raggio di 240 ± 10 km. Il nucleo è circondato da uno strato parzialmente fuso (dal 10 al 30%) del mantello inferiore con un raggio di 480 ± 20 km (per uno spessore di circa 150 km). Questi risultati implicano che il 40% (in volume) del nucleo è allo stato solido. La densità del liquido esternamente al nucleo è di circa 5 g cm-3 e potrebbe contenere un 6% in peso di zolfo. La temperatura del nucleo è probabilmente di circa 1600-1700 K

Riferimenti e approfondimenti

  1.  NASA Research Team Reveals Moon Has Earth-Like Core, NASA, 01.06.11 
  2. (EN) J.G. Williams, Turyshev, S.G.; Boggs, D.H.; Ratcliff, J.T., Lunar laser ranging science: Gravitational physics and lunar interior and geodesy, in Advances in Space Research, vol. 37, nº 1, 2006, p. 6771, Bibcode:2006AdSpR..37…67W, DOI:10.1016/j.asr.2005.05.013, arXiv:gr-qc/0412049.
  3. A. Nemchin, N. Timms, R. Pidgeon, T. Geisler, S. Reddy e C. Meyer, Timing of crystallization of the lunar magma ocean constrained by the oldest zircon, in Nature Geoscience, vol. 2, nº 2, 2009, pp. 133-136, Bibcode:2009NatGe…2..133N, DOI:10.1038/ngeo417.
  4. C. Shearer et al., Thermal and magmatic evolution of the Moon, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, nº 1, 2006, pp. 365-518, DOI:10.2138/rmg.2006.60.4.
  5. M. Wieczorek et al., The constitution and structure of the lunar interior, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, nº 1, 2006, pp. 221-364, DOI:10.2138/rmg.2006.60.3.
  6. P. Lucey et al., Understanding the lunar surface and space-Moon interactions, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, nº 1, 2006, pp. 83-219, DOI:10.2138/rmg.2006.60.2.
  7. Paul D.. Spudis; A. Cook; M. Robinson; B. Bussey; B. Fessler, Topography of the South Polar Region from Clementine Stereo Imaging, in Workshop on New Views of the Moon: Integrated Remotely Sensed, Geophysical, and Sample Datasets, 01/1998, p. 69, Bibcode:1998nvmi.conf…69S.

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Ciro Cesare Antonaci
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Analisi abbastanza soddisfacente, una domanda che forse non centra tanto, l’uomo che è abituato a convivere col magnetismo terrestre, come potrebbe sopravvivere in un posto dove il magnetismo è assente?

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