Per quanto riguarda l’atmosfera, è quasi del tutto sparita. Bisogna ammettere che se si entra nell’atmosfera marziana alla velocità di un meteorite, come ha fatto l’incauto Mars Climate Observer a settembre, ce n’è ancora abbastanza per distruggerti. Ma nella maggior parte delle altre circostanze, è una povera scusa per un’atmosfera. Sulla superficie del pianeta, la pressione è un misero 1% di quella della Terra.

Perché Marte dovrebbe avere così poca atmosfera quando Venere e la Terra ne hanno così tanta? Anche se potrebbe semplicemente essere nato così, ci sono molti indizi che l’atmosfera un tempo era molto più spessa – le prove di acqua, per esempio. Oggi la superficie marziana è fredda ed estremamente arida. Ma la superficie porta segni inequivocabili che l’acqua liquida un tempo imperversava attraverso canali e valli alluvionali, lasciava coste nei crateri e potrebbe persino aver formato oceani nel Grande Bacino Settentrionale. È difficile essere bagnati con una temperatura media di circa -53 °C, quindi l’acqua liquida implica calore. E il calore implica una spessa atmosfera isolante, piena di gas serra riscaldanti come l’anidride carbonica.

Se l’atmosfera marziana una volta era molto più spessa, dove è andato tutto il gas? Nonostante la ricerca diligente, nessuno lo sa. Ma nell’ultimo anno, il Mars Global Surveyor della NASA – che ha usato l’atmosfera per frenare e cambiare orbita – ha raccolto informazioni che potrebbero rispondere a questa domanda. E i suoi risultati non sono affatto quelli che i suoi progettisti si aspettavano.

Negli anni ’80, i ricercatori hanno sviluppato una teoria sul perché Marte fosse un tempo caldo e umido. Prima hanno calcolato quanta CO2 ci sarebbe voluta per sciogliere il ghiaccio marziano e permettere all’acqua di scorrere, e sono arrivati a una cifra compresa tra 5 e 10 bar (un bar è la pressione di circa un’atmosfera terrestre). Questo è un po’ troppo per un pianeta con solo pochi millibar oggi, quindi hanno dovuto spiegare dove la CO2 potrebbe essere scomparsa da allora. Secondo il loro quadro, l’atmosfera ha seminato i semi della sua stessa distruzione.

Quando c’è acqua liquida, un’atmosfera di CO2 diventa instabile – il gas si dissolve, bagna chimicamente le rocce di silicato sulla superficie del pianeta e alla fine viene bloccato sotto forma di carbonati. La prova è sotto i vostri piedi. C’è stato un tempo in cui la CO2 dominava l’atmosfera terrestre, che era probabilmente molto più densa di oggi. Ora, nonostante i tentativi dell’umanità di rimediare alla situazione, il CO2 si è ridotto a una traccia del suo antico splendore, costituendo meno di un millesimo dell’aria che respiriamo.

La ragione è che nel corso di miliardi di anni, gli agenti chimici hanno immagazzinato una grande quantità di CO2 sotto forma di carbonati. Secondo Jim Kasting della Pennsylvania State University di University Park, che è stato uno dei ricercatori che ha messo insieme la teoria di Marte caldo, umido e precoce – e uno dei primi a sottolineare alcuni dei suoi difetti – se si rilasciasse tutta la CO2 che ora è rinchiusa nei sedimenti carbonatici della Terra, si otterrebbe circa 60 atmosfere di quella roba.

Se gli agenti chimici possono distruggere le serre così facilmente, perché la Terra non si è congelata come Marte? La risposta, hanno deciso i ricercatori, è il riciclaggio. Sulla Terra, parte della CO2 dai carbonati viene riciclata attraverso la tettonica a placche. Quando i sedimenti ricchi di carbonati iniziano il loro viaggio nel mantello in una zona di subduzione, dove una placca scivola sotto un’altra, vengono riscaldati e rilasciano CO2 nell’atmosfera, dove può riscaldare il pianeta.

Sul piccolo e freddo Marte, però, il riciclaggio non sembra essere stato così buono. A differenza della Terra, Marte non ha abbastanza calore interno per continuare a spingere in giro pezzi della sua crosta, o per riemergere con grandi rutti, come potrebbe aver fatto Venere. Ci sono poche prove che i fuochi interni di Marte abbiano mai guidato un sistema di tettonica a placche, e mentre il pianeta potrebbe aver avuto altri modi di usare il suo calore interno per riciclare i carbonati, questi avrebbero esaurito l’energia abbastanza presto quando le viscere del pianeta si sono raffreddate. Il riciclaggio di CO2 avrebbe iniziato a rimanere indietro rispetto alla produzione di nuovi carbonati, e l’atmosfera avrebbe iniziato a ridursi sul serio.

Fin qui tutto bene. Ora tutto quello che i ricercatori dovevano fare era trovare alcuni carbonati sulla superficie del pianeta per confermare la loro storia. La migliore tecnologia per fare questo lavoro dallo spazio è la spettroscopia a infrarossi, che raccoglie le caratteristiche nello spettro infrarosso uniche di specifici minerali. Quest’anno, lo spettrometro del Mars Global Surveyor, il Thermal Emission Spectrometer (TES), ha completato il suo primo studio approfondito del pianeta, coprendo quasi tre quarti della superficie. Secondo lo scienziato responsabile dello strumento, Phil Christensen dell’Arizona State University di Tempe, ha scoperto che i carbonati costituiscono meno del 15% della superficie. Probabilmente molto meno. “Stiamo cercando di essere conservativi con il 10 o 15 per cento – fondamentalmente non c’è nessuna firma di carbonato distinguibile”, dice Christensen. “La mia ipotesi è che la scoperta più profonda che TES farà e l’articolo più interessante che scriveremo è che non ci sono carbonati su Marte, almeno in superficie”.

Se i sospetti di Christensen sono corretti, allora i ricercatori marziani si trovano di fronte ad alcune scelte intriganti. Devono trovare un altro modo per sbarazzarsi dell’atmosfera o accontentarsi di meno atmosfera in primo luogo – o forse fare un po’ di entrambi.

Prendete prima gli altri nascondigli. Probabilmente c’è della CO2 congelata nel suolo del pianeta, o nascosta in depositi di ghiaccio secco sotto gli esterni di acqua e ghiaccio delle calotte polari (anche se altre osservazioni del Mars Global Surveyor stanno mettendo in dubbio questa seconda possibilità). Serbatoi come questi potrebbero rappresentare dieci volte la quantità di CO2 che si vede attualmente nell’atmosfera. Ma poiché l’atmosfera attuale è meno di un centesimo di bar, questo non è sufficiente a spiegare la differenza tra passato e presente.

Allora potrebbero esserci carbonati nascosti sotto la superficie. Le 13 meteoriti marziane trovate sulla Terra contengono tutte deboli tracce di carbonato, e la più antica di esse, ALH 84001, ha venature di carbonato che la attraversano. È concepibile che si possa perdere una discreta quantità di CO2 nel sottosuolo marziano. Di nuovo, però, non sembra probabile che ci si possa sbarazzare di qualche barra di atmosfera senza lasciare sedimenti di carbonato distinguibili sulla superficie.

Quindi forse l’atmosfera ha abbandonato del tutto il pianeta. Ci sono due modi in cui questo potrebbe essere accaduto: impatti molto grandi e impatti molto piccoli. Gli asteroidi e le comete che colpiscono la superficie di un pianeta possono lanciare porzioni di atmosfera a velocità così elevate da sfuggire definitivamente alla gravità del pianeta. Nei primissimi tempi del sistema solare, quando i pianeti erano appena stati assemblati, c’erano molte macerie rimaste. Durante questo periodo, noto come bombardamento pesante tardivo, Marte è stato colpito da decine di grossi pezzi e centinaia di pezzi più piccoli, che potrebbero tutti segnare il passaggio di parti dell’atmosfera.

Dopo che gli impatti degli asteroidi hanno eroso la prima atmosfera marziana dal basso verso l’alto, un processo più sottile potrebbe averla rosicchiata dall’alto verso il basso. L’atmosfera superiore del pianeta è costantemente battuta dal vento solare. Di per sé questo vento è abbastanza innocuo, poiché è sottile e fatto di particelle molto leggere, ma porta anche un campo magnetico. Questo può raccogliere ioni dall’atmosfera superiore, accelerarli e poi sbatterli di nuovo contro i loro compagni. “Si possono avere ioni sbattuti nell’atmosfera superiore a più di 400 chilometri al secondo”, dice Bruce Jakosky dell’Università del Colorado a Boulder. “È come giocare a biliardo. Al tiro di break si sbatte tutto all’inferno. Si può buttare via tutto dall’atmosfera”. Questo processo, chiamato sputtering, si pensa ancora oggi che stia erodendo l’atmosfera di Marte, anche se nessuno sa quanto velocemente.

Come si conciliano questi diversi processi? Il fattore più importante è stato probabilmente l’impatto. Secondo Kevin Zahnle dell’Ames Research Center della NASA in California, le prove suggeriscono che essi hanno rimosso un’enorme quantità dell’atmosfera originale – più del 99% di essa, in effetti. Questa cifra, dice, deriva dall’osservazione dei rapporti dei diversi isotopi di xeno nell’atmosfera.

La miscela di isotopi di xeno nell’atmosfera marziana contiene oggi una proporzione di xeno-129 molto più alta di quella che si trova nell’atmosfera terrestre o nel Sole. Lo xeno-129 è prodotto dal decadimento dello iodio-129. Perché lo xeno-129 sia così predominante, l’atmosfera originaria – in cui la miscela di isotopi di xeno era presumibilmente simile a quella del resto del sistema solare – deve essere stata più o meno spogliata dal pianeta prima che la maggior parte dello iodio radioattivo all’interno del pianeta fosse decaduto. Con quasi nessun altro xeno in giro, il gas appena rilasciato sarebbe arrivato rapidamente a dominare la distribuzione isotopica, come fa oggi.

Ma anche se i calcoli di Zahnle suggeriscono che l’erosione da impatto è stato un flagello di proporzioni bibliche, non è riuscito a scorticare tutta l’atmosfera. È difficile dire quanto fosse spessa quell’atmosfera residua, ma potrebbe essere stata un bel po’ più spessa di quanto lo sia oggi.

Zahnle pensa che parte dell’atmosfera possa aver resistito al bombardamento intrappolata nella crosta, emergendo solo quando era sicuro farlo. In un documento presentato alla quinta conferenza internazionale su Marte a Pasadena, in California, quest’estate – il primo vero grande incontro ad essere saturato dalle inebrianti nuove scoperte del Mars Global Surveyor – Kattathu Mathew e Kurt Marti della University of California, San Diego, hanno descritto una nuova analisi dei gas intrappolati nel meteorite ALH 84001.

Questi antichi gas marziani corrispondono apparentemente al tempo in cui la roccia si è formata. Hanno un rapporto di xeno abbastanza simile a quello visto oggi, e quindi presumibilmente postdatano il primo grande scuotimento. Ma gli isotopi di azoto del meteorite lo distinguono dalla moderna atmosfera marziana. L’atmosfera di oggi è altamente arricchita con l’isotopo pesante dell’azoto. Ma i campioni di Mathew di ALH 84001 non mostrano tale arricchimento.

Si dà il caso che lo sputtering sia particolarmente bravo a rimuovere l’azoto leggero. Nella parte alta dell’atmosfera c’è pochissima turbolenza, e così avviene una delicata stratificazione isotopica, con gli isotopi più leggeri di ogni gas che salgono verso l’alto. Poiché lo sputtering funziona dall’alto verso il basso, è più probabile che faccia fuoriuscire gli isotopi più leggeri rispetto a quelli più pesanti. Quindi il campione in ALH 84001 sembra provenire da un periodo in cui lo sputtering non era ancora iniziato – da un periodo in cui l’atmosfera superiore di Marte era protetta dalle depredazioni del vento solare. Ed è qui che entra in gioco un’altra intrigante scoperta del Mars Global Surveyor.

Mentre la sonda stava usando l’atmosfera superiore di Marte per cambiare la sua orbita, ha volato molto bassa sopra gli altipiani meridionali del pianeta, abbastanza bassa perché il suo magnetometro raccogliesse segnali inaspettati dalla crosta. Da allora è diventato chiaro che, anche se oggi Marte non ha un campo magnetico globale, in gioventù ne aveva uno molto forte, le cui tracce erano impresse sulla sua crosta. Di nuovo, Marte era troppo piccolo per mantenere a lungo tali sforzi. L’energia interna che guidava la sua dinamo magnetica deve essersi esaurita abbastanza rapidamente, poiché è solo nella crosta più antica che è stata vista la firma del campo magnetico.

Finché il campo magnetico è stato in giro, avrebbe protetto il pianeta dalle depredazioni del vento solare. Quindi l’atmosfera post-bombardamento potrebbe essere stata in grado di rimanere ragionevolmente spessa – o almeno più spessa di oggi – finché il campo magnetico ha retto.

Ma c’era abbastanza per spiegare l’acqua? È difficile dirlo. Nessuno sa quanto velocemente avvenga lo sputtering oggi, o quanto fosse forte il vento solare all’inizio del sistema solare. Mentre la maggior parte delle stime hanno messo la perdita di sputtering a un decimo di bar o giù di lì nel corso della vita del pianeta, Jakosky – che ha fatto alcune di quelle previsioni – pensa che potrebbe plausibilmente essere stato dieci volte di più.

Questo ancora non aggiungerebbe alla pressione tra 5 e 10 bar che i ricercatori originariamente pensavano di aver bisogno per spiegare un periodo sostenuto, relativamente umido all’inizio. Ma potrebbero aver sovrastimato i requisiti del pianeta. I modelli che richiedevano molti bar di CO2 per spiegare la presenza di acqua liquida non tenevano conto della formazione delle nuvole. Si scopre che, in linea di principio, le nuvole di CO2 solida avrebbero potuto riscaldare Marte abbastanza bene, anche con una pressione atmosferica di solo mezzo bar.

Nel novembre 1997, Francois Forget dell’Università Pierre e Marie Curie di Parigi e Raymond Pierrehumbert dell’Università di Chicago hanno calcolato che i grandi cristalli di ghiaccio secco in una tale atmosfera potrebbero essere molto bravi a disperdere la radiazione termica verso il suolo, lasciando passare la luce visibile e ultravioletta in arrivo (Science, vol 273, p 1273). Un’atmosfera sottile ma nuvolosa potrebbe aver riscaldato Marte durante le prime fasi della sua storia e poi essere stata espulsa quando il nucleo in raffreddamento ha spento il campo magnetico. Man mano che l’atmosfera si assottigliava, il suolo sarebbe stato in grado di assorbire la maggior parte della relativamente piccola quantità di CO2, e la produzione di carbonato potrebbe essere stata minima.

Il problema è che solo perché le nuvole di raffreddamento possono essere trovate in un modello, non significa che siano mai state presenti nella vita reale. E Kasting fa notare che mentre alcuni tipi di nuvole potrebbero aver riscaldato la superficie, altri potrebbero averla raffreddata – proprio come nuvole diverse influenzano la temperatura in modi diversi sulla Terra.

Poi c’è la possibilità che non sia mai stato davvero tutto così caldo in primo luogo. L’acqua può riuscire ad essere liquida in alcuni luoghi piuttosto freddi, almeno fugacemente, e alcuni pensano che un gran numero di filigrane sulla superficie di Marte possa essersi formato in alcune brevi catastrofi umide. Come dice Zahnle, “Ho visto prove di lave di silicati liquidi sulla superficie della Terra: devo concludere che la temperatura globale era di 1500 K? Tutto quello che posso concludere è che il liquido era lì, e che il liquido era caldo”. Le valli fluviali potrebbero essersi formate attraverso l’azione delle acque sotterranee riscaldate dal vulcanismo locale o dagli impatti. Oppure potrebbero essersi formate sotto lastre di ghiaccio transitorie che poi si sono sublimate.

Forse il calore è arrivato in brevissimi periodi. Questo spiegherebbe perché, nonostante la presenza di valli, ci sono poche prove di erosione sostenuta in molti dei vecchi crateri, e alcuni di essi mantengono una nitidezza quasi lunare.

Victor Baker dell’Università di Tucson in Arizona ritiene che Marte sia stato talvolta molto umido grazie ai gas provenienti dall’interno del pianeta che hanno spinto l’acqua calda dalle profondità della crosta verso la superficie. Ma queste inondazioni sarebbero durate solo dieci mila anni o giù di lì. Anche una dozzina di questi periodi umidi rappresenterebbe solo una piccola frazione della storia marziana, e lascerebbe gli altipiani meridionali intatti dall’erosione.

Non dovrebbe essere una sorpresa che non si possa dare un senso ad un intero pianeta con poche missioni spaziali. Ma le complessità e le apparenti contraddizioni del passato di Marte stanno forzando la lezione. La storia di Marte potrebbe essere più complessa di quanto il modello “caldo e umido allora, freddo e secco adesso” permetta. Il primo miliardo di anni di Marte potrebbe aver sollevato ogni sorta di perplessità, e per risolverle i ricercatori proporranno teorie che si estendono, come le idee di Jakosky, dal cuore fuso del pianeta fino ai confini dello spazio. La sottile atmosfera marziana può essere una povera coperta planetaria, ma come trampolino di lancio per la speculazione non è seconda a nessuno.n

Oliver Morton è uno scrittore di scienze con sede a Londra

New Scientist numero: 20 novembre 99