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Un modello sulla formazione di ematite marziana

Nel 1996 la NASA lanciò la sonda Mars Global Surveyor (MGS) per eseguire la mappatura globale di Marte. Uno degli strumenti, lo spettrometro a emissione termica (TES), con il compito di mappare la mineralogia della superficie marziana usando la spettroscopia a infrarossi. L’imaging TES rivelò la presenza di ematite grigia cristallina su Marte in Sinus Meridiani.

ematite su marte
Distribuzione globale di ematite su Marte utilizzando lo spettrometro di emissione termica sul Mars Global Surveyor Spacecraft (immagine in alto). L’immagine in basso è una foto ravvicinata dell’abbondanza di ematite in Sinus Meridiani. (Immagine per gentile concessione di USGS, NASA / JPL).

Nella figura la distribuzione di ematite è mostrata in rosa ed etichettata come H nelle aree di Aram Chaos e Sinus Meridiani. L’immagine in basso mostra la distribuzione dell’ematite in Sinus Meridiani.

L’ematite copre un’area di oltre 175.000 km 2. Il bordo della zona è brusco e immobile e tutta l’ematite è probabilmente confinata in uno strato sottile. Questo strato potrebbe essere di soli 100 micron, poiché TES dà misurazioni di superficie. L’età dell’ematite è stimata in 3,5 miliardi di anni.

Il cratere mostrato nell’immagine in basso non mostra ematite, indicando che si è formata dopo il deposito di ematite. Gli autori hanno suggerito che questi depositi di ematite erano formati da precipitazioni chimiche o fluidi acquosi, e i dati TES forniscono la prova che l’acqua liquida su Marte era presente e stabile per milioni di anni.

Il Rover Opportunity trova l’ematite minerale su Marte

Il Mars Exploration Rover “Opportunity” sbarcò nel cratere Eagle su Meridiani Planum nella parte occidentale della regione di Sinus Meridiani il 24 gennaio 2004.

L’osservazione di grandi quantità di sferule di ematite su Marte del Mars Exploration Rover della NASA “Opportunity”, che sbarcò nel cratere di Eagle su Meridiani Planum, creò un’enorme eccitazione tra la comunità scientifica. La scoperta dell’ematite è stata significativa in quanto suggerisce la presenza passata di acqua su Marte.

Le sferule di ematite sono la conseguenza di precipitazione di fluidi acquosi. Tra i vari misteri osservati delle sferule di ematite marziana, noti anche come “mirtilli”, per quanto riguarda la loro dimensioni era sconcertante. Tutti i milioni di mirtilli osservati su Marte erano più piccoli di 6,2 mm di diametro. Poiché le concrezioni sulla Terra non presentano limiti nelle dimensioni, la formazione dei mirtilli marziani diventò difficile da spiegare.

ematite marziana
Il mosaico mostra alcune sferule parzialmente incorporate, distribuite sui grani del suolo (più piccoli).

In pochi giorni dall’atterraggio su Marte, il rover Opportunity inviò immagini di un gran numero di sferule, come mostrato in immagini in falsi colori. Le sferule sono state studiate utilizzando strumenti a bordo del rover Opportunity. Lo spettrometro Mössbauer è stato utilizzato per confermare la mineralogia delle sferule come ematite.

Per tagliare alcune delle sferule è stato utilizzato un attrezzo per l’abrasione della roccia (RAT), rilevandone una estrema durezza. Gli strumenti del rover fornirono dati di validazione del terreno che confermano la presenza di ematite su Marte, come previsto dai dati TES orbitali ottenuti dalla sonda spaziale MGS. Le sferule di ematite grigia apparivano blu nei dati falsi di Marte e venivano quindi soprannominate “mirtilli”.

La scoperta dei mirtilli marziani divenne rapidamente un’entusiasmante scoperta scientifica quando gli scienziati principali conclusero che le sferule di ematite erano concrezioni e che la loro scoperta provò la presenza di acqua nella storia di Marte.

ematite su marte
Osservazioni di sferule ematite su Marte dal rover Opportunity. (Credit NASA / JPL).

L’idea che le sferule di ematite marziane siano concrezioni è stata largamente accettata dalla maggior parte degli scienziati planetari negli ultimi anni. Diversi scienziati hanno anche trovato analoghi terrestri di concrezioni nello Utah meridionale, nell’arenaria navajo del Giurassico, e nel lago Brown, in Australia.

Il Rover Curiosity della NASA trova ancora ematite

Nel settembre 2017 in un’area su Marte chiamata “Vera Rubin Ridge” dove il team di Curiosity ha cercato di determinare se i rivestimenti di polvere nascondono il contenuto di ematite delle rocce, il rover ha trovato una roccia chiamata “Christmas Cove”. Il pennello a setole del rover, lo strumento per la rimozione della polvere, ha spazzolato un’area di circa 6 cm. Mars Hand Lens Imager (MAHLI) di Curiosity scattò un’immagine della zona appena spazzolata.

“La rimozione della polvere da una parte dell’obiettivo di Christmas Cove faceva parte di un esperimento per verificare se la polvere nascondesse l’ematite in alcuni dei fondali della zona. La tinta violacea dell’area spazzolata in un’immagine del MAHLI era caratteristica dell’ematite a grana fine, un minerale di ossido di ferro che può fornire informazioni sulle antiche condizioni ambientali. La spazzolatura di questo obiettivo ha anche rivelato dettagli nella stratificazione fine e nelle vene luminose all’interno del substrato roccioso di questa parte di Vera Rubin Ridge.” Spiegarono i ricercatori del team rover.

ematite su marte
Questa immagine mostra come particolari filtri disponibili sulla telecamera Mastcam di Curiosity può rivelare la presenza di determinati minerali nelle rocce. È un insieme di immagini prese attraverso tre filtri “scientifici” scelti per far risaltare l’ematite come un viola accentuato. I filtri a banda stretta di Mastcam utilizzati per questa immagine aiutano ad aumentare il contrasto spettrale, rendendo i blu più blu e rossi più rossi, in particolare con l’elaborazione utilizzata per aumentare il contrasto in ciascuna delle immagini componente di questo composito. L’ematite a grana fine assorbe preferenzialmente la luce del sole nella parte verde dello spettro intorno a 527 nm. Ciò gli conferisce l’aspetto viola da una combinazione di luce rossa e blu riflessa dall’ematite e raggiunge la fotocamera attraverso gli altri due filtri. Le linee luminose all’interno delle rocce sono fratture piene di minerali di solfato di calcio. Credito immagine: NASA / JPL-Caltech / MSSS.

Il giorno successivo, 17 settembre 2017 le osservazioni con la Camera Mast del rover (Mastcam) e la sua Chimica e Camera (ChemCam) hanno confermato una forte presenza di ematite.

“ChemCam a volte sposta le rocce con un laser, ma può anche essere usato, come in questo caso, in una modalità ‘passiva’. In questo tipo di ricerca, il telescopio dello strumento fornisce agli spettrometri la luce solare riflessa da una piccola roccia bersaglio”  affermarono gli scienziati.

Ematite su marte
Lo strumento ChemCam di Curiosity ha esaminato un’area della Christmas Cave etrovò prove spettrali di ematite. La foto in alto a sinistra di questo grafico è un’immagine della Micro-Imager remota di ChemCam con cinque punti etichettati analizzati dallo strumento. L’immagine copre un’area di 5 cm di larghezza e le linee luminose sono fratture nella roccia riempite con minerali di solfato di calcio. Le cinque linee tracciate del grafico corrispondono a questi cinque punti e mostrano le misurazioni dello spettrometro della luminosità a migliaia di diverse lunghezze d’onda, da 400 nm (all’estremità violetta dello spettro della luce visibile) a 840 nm (nel vicino infrarosso). Le sezioni delle misure dello spettro che sono utili per identificare l’ematite sono annotate. Questi includono un tuffo intorno a 535 nm, la porzione di luce verde dello spettro in cui l’ematite a grana fine tende ad assorbire più luce e riflette meno rispetto ad altre parti dello spettro. Gli spettri mostrano anche valori di riflettanza massimi vicino a 750 nm, seguiti da una forte diminuzione della pendenza spettrale verso 840 nm, entrambi compatibili con l’ematite. Credito immagine: CNRS.

Come si è formata l’ematite

L’ematite (Fe2O3) è un minerale di colorazione variabile dal grigio al rosso scuro, al rosso brillante, risultato di una serie di reazioni chimico-fisiche che si possono riassumere nel processo di cristallizzazione, cioè nel passaggio da un insieme di atomi disordinati a porzioni di materia ordinata. Ogni specie minerale dipende dalle caratteristiche dell’ambiente in cui si forma: temperatura, pressione e concentrazione dei diversi elementi chimici presenti. La presenza di un minerale in un dato luogo, quindi, fornisce informazioni sull’ambiente di formazione. È proprio per questo che i “mirtilli marziani potrebbero far luce sulle condizioni atmosferiche presenti un tempo su Marte.

Sulla Terra concrezioni sferiche di ematite simili a quelle marziane (le quali però appaiono blu per la presenza di manganese, motivo per cui sono state chiamate simpaticamente “mirtilli”) sono state trovate in due posti: lo Utah meridionale (USA) sull’arenaria navajo, una roccia sedimentaria risalente all’era Giurassica, e in Mongolia sulla formazione rocciosa di Djadokhta, risalente al Cretaceo. A lungo gli scienziati hanno cercato di capire quale fosse la loro origine, il meccanismo e le precise condizioni in cui questi “mirtilli “ terrestri si sono formati. Grazie a Yoshida e al suo team di ricercatori questo enigma è stato risolto.

Utilizzando la diffrazione a raggi X (XRF) direttamente sul campo, il team di ricercatori giapponesi hanno trovato nei mirtilli terrestri la presenza in tracce di un altro minerale: la calcite (a base di carbonato di calcio, CaCO3) che, dunque, con alta probabilità è il precursore. A partire da questa prima scoperta, Yoshida e colleghi hanno provato a riprodurre in laboratorio il processo di formazione dei mirtilli terrestri mettendo a contatto rocce sedimentarie contenenti sfere di calcite con acqua acida ricca di ferro. E ha funzionato.

ematite marziana

Una volta entrata in contatto con il carbonato di calcio, l’acqua ha indotto la formazione di ossidi di ferro che, pian piano “rimpiazzando” il carbonato di calcio, hanno formato una “crosta” che in certe condizioni può dare luogo alle sfere di ematite. Ecco svelato il processo di formazione dei mirtilli terrestri. Ma anche i mirtilli marziani si sono formati così 3,7 miliardi di anni fa ?

La risposta affermativa arrivò dal rover della NASA Opportunity, che ha individuato sul suolo marziano – nel Meridiani Planum – minerali ricchi di solfato (che si formano in condizioni acide e ossidanti) e prove della presenza abbondante di acqua in un lontano passato. Due elementi che avrebbero reso possibile la formazione delle sfere di ematite, grazie alla percolazione di acqua acida nelle rocce sedimentarie.

Questa scoperta non solo fornisce indicazioni sulle condizioni ambientali presenti su Marte nel tardo Noachiano (4,1 miliardi e 3,7 miliardi di anni fa) ma anche su quelle antecedenti: un’atmosfera densa di anidride carbonica, che avrebbe permesso la formazione di materiali a base di carbonato di calcio, la cui successiva dissoluzione avrebbe portato alla formazione delle concrezioni sferiche di ematite.

Le sfere di ematite quindi possono essere considerate come le “reliquie” dei carbonati precursori e la prova di un’atmosfera primitiva su Marte più densa, più calda e più umida. Ad oggi non sono state ancora trovate tracce di rocce carbonatiche nelle aree marziane studiate. La prova definitiva per confermare questo modello di Yoshida per la formazione del mirtillo marziano sarebbe l’individuazione di resti di calcite in un’area di Marte in cui l’influenza dell’acqua acida era minima come ad esempio il cratere di Jezero. La speranza del gruppo è che gli strati sedimentari in questo sito conservino i carbonati che stanno cercando.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Fe-oxide concretions formed by interacting carbonate and acidic waters on Earth and Mars, H. YoshidaH. HasegawaN. Katsuta … – Science Advances  05 Dec 2018: Vol. 4, no. 12, eaau0872 DOI: 10.1126/sciadv.aau0872
  2. Dvorsky, George (15 febbraio 2019). “L’eterno mistero dei mirtilli marziani ‘Scoperto da Opportunity Rover” . Gizmodo . Estratto il 15 febbraio 2019 .
  3. “Mars Exploration Rover Mission: Press Releases” . NASA
  4. “Dining on Diamonds – Astrobiology Magazine” . Rivista di Astrobiologia . 2004-08-05 

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