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Ghiaccio e acqua nel Sistema Solare

Generalità

Un paesaggio unico nel Sistema SolareNon ci sono vie di mezzo. Fino ad oggi non conosciamo altri pianeti, sia solari sia extrasolari, che presentano acqua liquida in superficie. Il nostro pianeta invece ne è ricoperto per il 71%, sebbene rappresenti soltanto lo 0,3% della massa terrestre.

Proprio l'acqua è l'elemento determinante per lo sviluppo ed il mantenimento della vita per come noi la conosciamo. Certo, su altri mondi la vita potrebbe svilupparsi su chimiche molti diverse (e a tal riguardo una "prova", seppur discussa, ce l'abbiamo in casa con microrganismi basati sull'arsenico), ma date proprio per questo parliamo di vita "come la conosciamo noi".

Contrariamente a ciò che si pensa, la molecola d'acqua è molto presente nell'universo e si è accumulata nei nostri dintorni a partire dalla nebulosa solare che ha dato origine alla nostra stella ed ai nostri pianeti. La formazione dei pianeti è avvenuta tramite collisione di planetesimi, in grado di innalzare di molto la temperatura il che, unito alla vicinanza con il Sole, dovrebbe aver fatto evaporare l'acqua originaria. Come ci è tornata?

 

L'acqua originaria

Nube molecolare R2 in MonocerorIl nostro Sistema Solare deriva dal collasso di una gigantesca nube cosmica, dovuto forse all'esplosione di una supernova che ha smosso la nube stessa generandone il processo di contrazione. Questo iniziò circa 4,6 miliardi di anni fa.

Le molecole di acqua sono composte di idrogeno ed ossigeno e rappresentano il terzo elemento più comune nell'universo in termini di abbondanza, eppure è raro che questi due elementi vengano a collidere nella misura di due atomi di idrogeno (H2) e uno di ossigeno (O) visto che l'estensione della nube è immensa e la sua densità è bassissima. Il merito di facilitare queste collisioni spetta alle polveri, minuscoli granelli che rappresentano circa un centesimo della massa gassosa. Gli atomi di idrogeno ed ossigeno che si urtano, infatti, si diffondono sulla superficie di questi granelli incrementando la loro concentrazione e favorendo, quindi, ulteriori scontri. Le polveri si coprono quindi di uno spesso mantello ghiacciato, formato da acqua e altre sostanze volatili. Parte dei materiali creati viene così protetta dai raggi ultravioletti del Sole, che li dissocierebbero subito, e si conserva a qualche decina di gradi kelvin, dando vita al ghiaccio amorfo.

Comete, strani asteroidi e linea della neve

Fino a poco tempo fa esisteva una linea della neve ben definita, corrispondente al punto in cui - all'epoca della formazione del Sistema Solare - smettevano di formarsi corpi rocciosi per dar vita ai corpi gassosi o ghiacciati come i pianeti giganti, le comete e i satelliti dei pianeti giganti.

Linea della neve, a marcare il confine tra pianeti rocciosi e gassosi

ACQUA DALLE COMETE?

In una tale figura, idea dominante era ricondurre la provenienza dell'acqua terrestre ad un impatto cometario. Una cometa, ghiacciata perché proveniente dalla parte al di là della linea della neve, impattando con la Terra l'avrebbe ricoperta di acqua.
La linea della neve era quindi posta nella zone più esterna della Fascia Principale degli Asteroidi, poco prima di Giove.

Una grande spallata a questa teoria derivò dallo studio di alcune comete come la Halley, la Hyakutake e la Hale Bopp. La loro composizione, infatti, non corrispondeva a quella presente negli oceani terrestri: il rapporto tra idrogeno e deuterio (isotopo pesante dell'idrogeno) era diverso. Ancor più schiacciante la prova ottenuta dall'analisi "in loco" della cometa 67P Churyumov-Gerasimenko effettuata dalla sonda Rosetta. E allora non sono state le comete a portare acqua sulla Terra. E chi altri?

STRANI ASTEROIDI

Non è antica la scoperta di strani oggetti all'interno della Fascia Principale degli Asteroidi. Negli anni Novanta infatti si iniziò a notare che alcuni asteroidi presentavano chiome e code proprio come le comete. Se inizialmente si assegnò la motivazione a impatti tra asteroidi, fu in seguito chiaro che le sembianze cometarie erano dovute proprio alla presenza di ghiaccio che sublimava. Questi oggetti furono chiamati "comete della fascia principale". Nel momento in cui giungono al perielio inizia la sublimazione, che si manifesta anche in seguito a collisioni che privano il ghiaccio dello strato che, rivestendolo, lo protegge dall'alta temperatura solare.

La scoperta di questi oggetti gettò la sua ombra definitiva sulla linea della neve: oggetti ghiacciati laddove non ne erano previsti alteravano sensibilmente il perimetro di questa linea. Ma allora non è che l'acqua proviene da questi asteroidi? In fondo nel 2005 le foto di Hubble portarono a capire che Cerere, di forma sferica e con bassa densità, probabilmente è coperto da uno strato di ghiaccio. I dati parlano di uno strato di ghiaccio di circa 100 chilometri di spessore, coperto da uno strato opaco e sottile di minerali idrati.
A sostenere questa tesi ci sono i messaggeri degli asteroidi: le meteoriti che giungono sul nostro suolo. Molte presentano minerali che incorporano molecole di idrossido (OH), che potrebbero essere ciò che resta di scorte iniziali di ghiaccio poi sciolto, ma nonostante questo l'ipotesi venne a lungo sottovalutata.

L'asteroide (24) Themis e il suo strato ghiacciato

Il 29 aprile del 2010, invece, sulla rivista Nature appare uno studio fondamentale: un gruppo di ricercatori guidati da Humberto Campins dell'Università della Florida studiando lo spettro dell'asteroide (24) Themis, notarono un avvallamento alla lunghezza di 28 micrometri, alla quale l'acqua sotto forma di ghiaccio assorbe la luce infrarossa. Il risultato era del tutto inatteso, visto che Themis dista soltanto 3.1 Unità Astronomiche dal Sole e tutto il ghiaccio, alle reletive temperature elevate dell'asteroide, doveva essere già evaporato del tutto. E perché è ancora li? Il motivo più acccreditato è fatto risalire ad una antica collisione con una cometa: l'acqua proveniente da questo corpo ghiacciato è stata poi trattenuta negli strati più interni dell'asteroide, coperta dai raggi solari da uno spesso strato di polveri interplanetarie.

 

Spettro di (65) Cybele e (24) Themis

Lo spettro di (65) Cybele e di (24) Themis. Entrambi crollano a 3.1 micrometri a causa dell'assorbimento da parte del ghiaccio. Credit: NASA

L'acqua di Themis è la stessa di quella terrestre? Abbiamo visto che quella cometaria ha un rapporto idrogeno-deuterio diverso dal "nostro", ma purtroppo non è possibile fare lo stesso calcolo per l'asteroide perché non ci sono chiome o code da analizzare. Anche le meteoriti ritrovate a Terra sono strumenti incerti visto che non sappiamo da quali asteroidi vengono. L'unico modo sarebbe andare a raccogliere campioni direttamente sull'asteroide. La sonda Dawn, lanciata nel 2007, dovrebbe giungere quest'anno su Vesta e poi puntare su Cerere, mentre la sonda Hayabusa ha raccolto campioni, ancora in fase di analisi, dell'asteroide Itokawa. Ghiaccio sembra esserci anche sull'asteroide (65) Cybele, ma nessuna missione è destinata per ora né a questo asteroide né a Themis.

Quando è arrivata l'acqua?

Visti i dubbi sull'arrivo dell'acqua sulla Terra, si potrebbe sperare che ci sia più concordanza sul "quando" quest'acqua sarebbe arrivata. Ma ovviamente anche qui ci sono tante ipotesi, che vanno dal bombardamento appena successivo alla formazione planetaria, durante il quale ha preso vita la Luna e che avrebbe trasformato la Terra in un calderone di lava incandescente in grado di far evaporare tutta l'acqua, al periodo del Bombardamento Pesante avvenuto circa 3,9 miliardi di anni fa e che va sotto il nome di Late Heavy Bombardment (LHB).
Una possibile migrazione planetaria, soprattutto di Giove e Saturno, potrebbe aver destabilizzato le orbite degli asteroidi, alcuni dei quali avrebbero impattato la Terra rilasciando il loro carico di acqua. Sono tutte ipotesi, ed un modo per avvalorarne una anziché un'altra sta nel cercare indizi non solo nello spazio ma anche nella Terra stessa.
Le rocce più antiche che abbiamo a disposizione sono vecchie di 4 miliardi di anni, e l'erosione e la deriva dei continenti cancellano ogni traccia della storia terrestre. Tuttavia ci sono piccoli minerali, noti come zirconi, che mantengono intatte le informazioni riguarda l'ambiente nel momento della loro formazione. Alcuni, risalenti a ben 4,38 miliardi di anni fa, mostrano la maggior presenza di Ossigeno-18 rispetto all'Ossigeno-16, a mostrare che la formazione è avvenuta in acqua liquida. Questo fatto induce a spostare l'arricchimento di acqua a 4,4 miliardi di anni fa, molto presto rispetto alla nascita del nostro pianeta.

La stima di come e quando sarebbe molto più affinata se solo conoscessimo la quantità di acqua non superficiale che possiede la Terra, visto che le stime vanno da 10 masse oceaniche ad una sola massa oceanica.

Il discorso, tuttavia, sembra far convergere su un punto: non si cerca più una soluzione unica ma un mix di possibili provenienze. Ed è chiaro che trattandosi di un mix anche le percentuali di idrogeno e deuterio sono il risultato di un miscuglio rintracciabile molto difficilmente nei singoli oggetti solari.
 

Usciamo dalla Terra

L'acqua terrestre è presente come liquido, ghiaccio e vapore. Vapore acqueo si trova nelle galassie più lontane e nel mezzo interstellare, mentre le zone vicine a noi sono ricche di ghiaccio.

MERCURIO

Mercurio è il pianeta più vicino al Sole con una temperatura di 400°C nelle regioni illuminate, eppure la grande riflettività di alcune zone polari sembrano proprio raccontare una storia di ghiaccio per questo pianeta, soprattutto perché le zone a maggior riflessione coincidono con le zone più depresse del pianeta, sempre in ombra. Dal momento che Mercurio ha un piano equatoriale perfettamente in linea con la sua orbita, i raggi del Sole giungono come tangenti ai poli e non entrano mai nei crateri più profondi, che restano a -180°C.
L'acqua interna a questi crateri, proveniente da impatti cometari o asteroidali oppure dal degassamento di rocce interne, è quindi rimasta allo stato ghiacciato.

Immagine che svela il ghiaccio sulla calotta polare di Mercurio

Immagine che svela il ghiaccio su Mercurio, nella regione polare nord del pianeta

 

VENERE

Venere è un pianeta caldissimo a causa del suo spessissimo strato di nubi di biossido di carbonio e zolfo. L'effetto serra porta la temperatura a 450°C, che impedisce la presenza di ghiaccio.

LUNA

Il nostro satellite stiamo imparando a conoscerlo proprio in questo periodo, ma già nel 1998 il Lunar Prospector lasciò pensare che i poli lunari potessero ospitare acqua ghiacciata, proveniente forse da asteroidi e comete. Le conferme sono giunte dalle sonde LRO della NASA e dalla Chandrayaan-1 cinese, tramite visione diretta nei crateri polari e tramite, soprattutto, l'analisi dei detriti sollevati dalla straordinaria missione LCROSS.

MARTE

Calotta polare di Marte

 

Su Marte i dubbi sono minori. Al polo nord del pianeta rosso, infatti, è presente una calotta ghiacciata che si estende su una superficie doppia rispetto a quella dell'Italia e spessa centinaia di metri. Marte ha una temperatura media di circa -55°C ed il terreno è perennemente congelato. La bassa pressione fa sì che il ghiaccio esposto al Sole non diventi liquido, sublimando direttamente.


FASCIA DEGLI ASTEROIDI

Asteroide P2008-R1

Il discorso sugli asteroidi è stato già trattato parlando della fonte di acqua, ed abbiamo anche detto che si sta attendendo l'ufficialità del ghiaccio che avvolge Cerere. Alcuni dei corpi della fascia mostrano anche una attività cometaria, con una sublimazione che li dota di un aspetto tipico delle comete, con chioma e coda. Esempi ne sono 133P/Elst-Pizarro, P/2005 U1 (Read) e P/2008 R1 (Garradd).

I PIANETI ESTERNI

Laddove si poteva pensare che l'acqua fosse presente in percentuale maggiore, la sonda Galileo ha fornito invece risultati del tutto diversi. Questo vale per Giove e per Saturno, che rivelano soltanto piccole quantità di ghiaccio. Urano potrebbe contenere ghiaccio fino ad un decimo della propria massa: un nucleo roccioso avvolto da uno strato ghiacciato a sua volta avvolto da idrogeno ed elio gassosi. In tali condizioni, il ghiaccio non sarebbe del tutto solido ma sarebbe un fluido molto denso.
Anche su Nettuno sono presenti particelle di acqua ghiacciata nell'atmosfera.

SATELLITI E VULCANI DI GHIACCIO

Ghiaccio superficiale è stato trovato con certezza su tre lune di Giove e sulle lune principali di Urano e Nettuno. La presenza dovrebbe essere dovuta a bombardamenti massicci avvenuti circa 4 miliardi di anni fa, che hanno creato anche crio-vulcani (vulcani che anziché lava espellono sostanze volatili). Vulcani del genere dovrebbero essere presenti su Europa, Ganimede, Titano, Miranda e Tritone.

I getti di Encelado ripresi da Cassini. Credit NASA


Encelado, satellite di Saturno, sarebbe invece "alimentatore" dell'anello E tramite le sue eruzioni di ghiaccio. In realtà la gran parte degli anelli di Saturno è composta da tantissimi oggetti inferiori al metro di diametro in gran misura composti da acqua ghiacciata.
L'anello più esterno di Urano dovrebbe essere composto anche dal ghiaccio fornito dal satellite Mab. Giapeto di Saturno e Tritone di Nettuno sembrano contenere grandi scorte superficiali di ghiaccio.

I TNOs

Immagine composita di Plutone e Caronte. Credit NASA

Immagine composita di Plutone e Caronte. Credit NASA

Oltre Nettuno ci sono due sacche di comete, corpi ricchissimi di acqua: sono la Cintura di Kuiper e la Nube di Oort dalle quali originano le comete, rispettivamente, di breve e di lungo periodo. Ma non solo visto che secondo uno studio del Goddard Space Flight Center (Icarus, Novembre 2017) la zona oltre Nettuno può essere ricca di corpi catturati gravitazionalmente e che, sottoposti a forze mareali intense, possono contenere oceani sotterranei di acqua molto longevi. Questi luoghi si conterebbero, nel Sistema Solare, a dozzine. Si tratta di oggetti noti come Trans-Nettuniani (TNO) e sono troppo freddi per avere acqua in superficie, con temperature al di sotto dei -200°C. Alcuni, però, potrebbero avere oceani sotterranei visto che rivelano densità simili a quelle di Europa e Encelado e spettri che evidenziano ghiaccio di acqua e ammoniaca idrata. Alle temperature di queste fasce orbitali, il ghiaccio di acqua dovrebbe trovarsi in forma amorfa e non cristallina e anche la radiazione dello spazio tende a convertire il ghiaccio di acqua nella forma amorfa spezzando gli idrati amorfi, quindi strutture di questo tipo non dovrebbero durare a lungo in zone così fredde e distanti. I composti potrebbero quindi provenire dall'interno, da un oceano sotterraneo emerso tramite criovulcanismo. Il calore interno ai TNO proviene in gran parte dal decadimento radioattivo di elementi presenti negli oggetti stessi e questo calore potrebbe essere abbastanza da fondere uno strato di crosta ghiacciata generando un oceano sub-superficiale in grado di mantenersi per miliardi di anni. Calore addizionale può provenire dalle forze mareali, dalle interazioni gravitazionali di una luna, specialmente se formatasi tramite impatti e collisioni. Il team NASA ha applicato i modelli alle coppie Eris-Dysnomia e ad altri oggetti di nuova scoperta oltre Nettuno, scoprendo che il calore mareale può giocare un ruolo davvero interessante. 

 

 


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