Dove è finito il carbonio di Marte?

Oramai gli scienziati sembrano concordi nel ritenere che Marte deve aver avuto una spessa atmosfera in passato, favorevole per un clima caldo e umido. Tuttavia, la sola teoria della perdita atmosferica non sembra sufficiente a far quadrare i conti sul carbonio.

Oggi il Pianeta Rosso è avvolto da una atmosfera sottile di anidride carbonica, troppo leggera per mantenere l'acqua liquida in superficie, anche se recetentemente è stato confermato che una salamoia di sali idrati può fluire stagionalmente ed in alcuni luoghi.
Raggiungendo l'obiettivo primario della sua missione, la sonda della NASA MAVEN ( Mars Atmosphere and Volatile Evolution) ha dimostrato che il vento solare e le tempeste solari hanno giocato un ruolo fondamentale nella perdita atmosferica del pianeta, con un processo più energico in passato quando il Sole era una giovane stella ma che va ancora avanti ogni giorno, rimuovendo in media 100 grammi di gas al secondo.

Il problema, però, è che un po' di anidride carbonica sarebbe dovuta rimanere intrappolata anche nelle rocce, sotto forma di carbonato, eppure i dati raccolti in situ e quelli rilevati dagli orbiter dimostrano che nella parte superiore della crosta del pianeta (fino a circa 1 chilometro di profondità) non è presente una quantità minimamente significativa.
Altre complicazioni subentrano quando si analizzano i livelli di carbonio-13 () e carbonio-12 (), isotopi del carbonio che differiscono solo per il numero di neutroni in ogni nucleo. Dato che i vari processi modificano le quantità di ¹³C e ¹²C "il rapporto tra questi due elementi nel tempo è un'impronta digitale che consente di dedurre esattamente quello che è successo nell'atmosfera di Marte nel passatto", ha spiegato Renyu Hu della Caltech, autore principale dello studio. I dati storici sono quelli che si ottengono dalle analisi dei meteoriti marziani, quelli attuali derivano, invece, dalle misurazioni SAM (Sample Analysis at Mars) a bordo del rover della NASA Curiosity.

Il meccanismo osservato da MAVEN, chiamato "sputtering", sembra favorire leggermente la perdita di carbonio-12 rispetto al carbonio-13 ma con un effetto assolutamente trascurabile. Tuttavia, i dati di Curiosity dimostrano chiaramente che l'atmosfera marziana moderna è evidentemente arricchita di carbonio-13, più pesante, piuttosto che di carbonio-12, così gli scienziati ritengono che il processo osservato da MAVEN non sia l'unico al lavoro o che abbia contribuito in passato.

Hu, ed un gruppo di scienziati del California Institute of Technology e Jet Propulsion Laboratory della NASA, hanno quindi proposto una possibile spiegazione per il " carbonio mancante", pubblicando un documento sulla rivista Nature Communications.

Tracing the fate of carbon and the atmospheric evolution of Mars [abstract]
The climate of Mars likely evolved from a warmer, wetter early state to the cold, arid current state. However, no solutions for this evolution have previously been found to satisfy the observed geological features and isotopic measurements of the atmosphere. Here we show that a family of solutions exist, invoking no missing reservoirs or loss processes. Escape of carbon via CO photodissociation and sputtering enriches heavy carbon (13C) in the Martian atmosphere, partially compensated by moderate carbonate precipitation. The current atmospheric 13C/12C and rock and soil carbonate measurements indicate an early atmosphere with a surface pressure <1 bar. Only scenarios with large amounts of carbonate formation in open lakes permit higher values up to 1.8 bar. The evolutionary scenarios are fully testable with data from the MAVEN mission and further studies of the isotopic composition of carbonate in the Martian rock record through time.

"Il nostro lavoro mostra che la transizione da una atmosfera moderatamente densa a quella sottile attuale, è del tutto possibile", ha detto Hu. "È entusiasmante che ora possiamo mettere insieme tutto ciò che sappiamo sull'atmosfera marziana in un quadro coerente della sua evoluzione. Però, questa presupponeva un enorme serbatoio di carbonio mai osservato", ha commentato nel report.

La soluzione proposta, illustrata nell'immagine in apertura, inizia con un processo nell'atmosfera superiore di Marte, dove gli ultravioletti provenienti dal Sole dividono una molecola di anidride carbonica in ossigeno e monossido di carbonio. A sua volta, il monossido di carbonio, colpito nuovamente dagli UV, si scinde in ossigeno e carbonio. Alcuni atomi di quest'ultimo, prodotti in tal modo, avrebbero un'energia sufficiente per sfuggire dall'atmosfera.

Simulazioni al computer hanno dimostrato che effetti a lungo termine di questo meccanismo di " fotodissociazione ultravioletta" (o fotolisi) lasciano una grande impronta nel rapporto isotopico del carbonio. Grazie a tale valore, il team ha stimato che l'atmosfera di Marte di 3,8 miliardi di anni fa, deve aver avuto una pressione superficiale quasi uguale a quella della Terra oggi.

"Questo risolve un paradosso di lunga data", ha detto Bethany Ehlmann della Caltech e del JPL, co-autore della pubblicazione.
"L'atmosfera molto spessa sembra richiedere la presenza di grandi serbatoi di carbonio in superficie ma l'efficienza del processo di fotodissociazione UV indica che in realtà non c'è alcun paradosso. Possiamo utilizzare i processi standard di perdita atmosferica con le quantità rilevate di carbonio e trovare una scenario evolutivo di Marte coerente".