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La scoperta della presenza di acqua salata sotto la calotta polare meridionale di Marte, resa possibile grazie ad un’indagine condotta con il radar italiano MARSIS dell'ASI montato a bordo della missione Mars Express dell’ESA, risale al 2018. Lo studio, svolto da un team di ricerca interamente italiano, del quale faceva parte anche l'Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell'Ambiente del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IREA-CNR), fu pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Science.

Due anni dopo un altro studio, pubblicato su Nature Astronomy da parte di un team multidisciplinare composto da tredici ricercatori tra fisici, geologi ed ingegneri, tra cui anche Francesco Soldovieri dell’IREA-CNR, ha confermato la scoperta fornendo un ulteriore prova dell'esistenza di laghi di acqua salata intrappolati sotto il ghiaccio del Polo Sud marziano.

Arriva ora un nuovo studio, pubblicato Il 28 settembre su Nature Communications da un team internazionale a coordinamento italiano, che fornisce nuove prove sull’esistenza di acqua liquida sotto il polo sud di Marte. In particolare, lo studio è stato coordinato dall’Università di Roma Tre e dall’Istituto di Radioastronomia dell’Istituto Nazionale di Astrofisica e vede la partecipazione dell’IREA-CNR insieme a University of Southern Queensland (Australia), Southwest Research Institute (USA) e Planetary Science Institute (USA).

La ricerca ha riguardato i depositi polari marziani meridionali (i cosiddetti SPLD - South Polar Layered Deposits). Lo studio approfondito e la valutazione dell’attenuazione del segnale radar nel ghiaccio dei SPLD, già rilevato in corrispondenza della zona investigata nel secondo studio, ha permesso di giungere a due importanti evidenze.

La prima è che l'attenuazione del segnale di MARSIS è costante nella intera regione analizzata, confermando così l'omogeneità composizionale dei depositi polari alla scala di osservazione del radar MARSIS.

Inoltre, i valori stimati dell’attenuazione hanno permesso di ricalcolare il valore del coefficiente di riflessione alla base dei SPLD e stimare la permittività dielettrica relativa, pari a 40 nell’area altamente riflettente, situazione compatibile solo con la presenza di acqua salata.

Infine, a partire dall’attenuazione stimata è stato possibile ottenere importanti informazioni in termini di contenuto di polvere nei depositi polari (SPLD), compreso tra il 5 e il 12%, e che la temperatura alla base dell'SPLD calcolata finora era stata sottostimata e può facilmente raggiungere i 200K (-73°C), assicurando condizioni compatibili con la presenza di acqua salata allo stato liquido.

L’insieme dei risultati sopracitati confermano quindi la presenza di acqua salata alla base dello SPLD come sola causa delle forti riflessioni basali nella regione di Ultimi Scopuli.

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La sonda Mars Express con le antenne radar di MARSIS completamente estese. (Foto: ESA)

A due anni dalla scoperta di un lago sotto la calotta polare meridionale del pianeta Marte, pubblicata nel 2018 nella prestigiosa rivista scientifica Science da un gruppo di ricercatori e tecnici italiani, un team formato da ricercatori dell'Università Roma Tre, del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IREA, Napoli), dell'Università Jacobs (Brema, Germania), della University of Southern Queensland (Centre for Astrophysics: Toowoomba, Australia) e dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), ha trovato prova ulteriore dell'esistenza di laghi di acqua salata intrappolati sotto il ghiaccio del Polo Sud marziano.

Oggi un nuovo articolo, "Multiple subglacial water bodies below the south pole of Mars unveiled by new MARSIS data", pubblicato sulla rivista scientifica Nature Astronomy, spiega come l’acquisizione ed analisi di nuovi dati radar abbia rivelato risultati inaspettati.

In questo nuovo lavoro, l’analisi ha riguardato dati acquisiti dal radar MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) nel corso di più campagne dal 2010 al 2019, in un’area di 250×300 km2 che include il lago salato precedentemente individuato nel lavoro del 2018.

L’analisi dei dati ha confermato la presenza del lago e fornito risultati che mostrano la presenza di tre nuove aree caratterizzate da pozze liquide. Va sottolineato come la metodologia di analisi dati impiegata è quella comunemente utilizzata con i georadar per rilevare la presenza di laghi subglaciali in Antartide, Canada e Groenlandia. Pertanto, la metodologia di elaborazione impiegata nel presente lavoro è completamente diversa da quella utilizzata nel lavoro apparso su Science e aumenta la confidenza nei risultati dei due lavori.

La possibilità di estesi corpi idrici ipersalini su Marte è particolarmente eccitante a causa del potenziale per l'esistenza di vita microbica. I corpi di acqua alla base del Polo Sud marziano rappresentano aree di potenziale interesse astrobiologico e sarebbe auspicabile che future missioni su Marte si focalizzino su questa regione per acquisire nuovi dati in relazione al sistema idrologico basale, alla sua chimica e a tracce di attività astrobiologica.

La scoperta è frutto del lavoro di un team multidisciplinare composto da tredici ricercatori tra fisici, geologi ed ingegneri, nel quale è coinvolto anche Francesco Soldovieri dell’Istituto per il rilevamento elettromagnetico dell’ambiente (Irea) del Cnr: "Il mio contributo ha riguardato principalmente due aspetti della ricerca: primo l’interpretazione geofisica dei risultati derivanti dall’analisi dati per l’individuazione dei laghi di acqua salata; secondo, lo sviluppo e l’impiego di un approccio di inversione, basato su una modellistica elettromagnetica, che ha consentito di stimare il valore di permittività dielettrica delle zone sottosuperficiali indagate, parametro chiave per distinguere le pozze di acqua dal restante sottosuolo secco".

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Una nuova interpretazione del sottosuolo marziano nella regione di Utopia Planitia è oggetto di un articolo pubblicato su IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, frutto della collaborazione dell’IREA-CNR con il Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences.

Nel luglio 2020 è stata lanciata la prima missione cinese Tianwen-1 per l’esplorazione di Marte, che nel maggio 2021 ha visto l’atterraggio di un lander e di un rover nella regione meridionale di Utopia Planitia. Tra gli strumenti a bordo del rover Zhurong figura il Subsurface Penetrating Radar (RoSPR), il primo georadar a multipolarizzazione impiegato per esplorare il sottosuolo marziano. Questo radar opera in due bande di frequenza: la bassa (15-95 MHz) e l’alta (450-2150 MHz), sfruttando la capacità delle onde elettromagnetiche di penetrare materiali opachi e fornire informazioni sui target sepolti mediante il principio della diffusione elettromagnetica.

L’analisi si è concentrata sui dati radar a bassa frequenza raccolti lungo un percorso di circa 1840 m, coperto dal rover in 325 giorni marziani (sols). I dati sono stati elaborati tramite una strategia a due fasi: una prima fase di filtraggio per ridurre gli artefatti nei radargrammi e, successivamente, utilizzando una tecnica di inversione tomografica sviluppata presso i laboratori del’IREA-CNR, che ha permesso di ottenere immagini dettagliate del sottosuolo marziano fornendo informazioni sulla presenza, posizione e geometria approssimativa degli oggetti sepolti.

Le immagini tomografiche hanno rivelato una complessa stratigrafia del sistema suolo/sottosuolo marziano composta da tre distinti strati fino a una profondità massima di circa 40 m. Il primo strato, di uno spessore variabile da 5 ad 8 m, è costituito dalla regolite marziana, un materiale altamente poroso e omogeneo prodotto da impatti meteorici e processi atmosferici ed eolici. Il secondo strato, spesso 2-3 m, mostra discontinuità trasversali e un’assenza di riflessioni elettromagnetiche, suggerendo la presenza di un materiale fine e relativamente uniforme. Segue uno strato con uno spessore di 15-25 m che si distingue per forti riflessioni radar, indicative di un conglomerato con blocchi rocciosi a scala metrica.

La sequenza stratigrafica, con una diminuzione della dimensione dei grani verso l’alto, suggerisce una storia di processi atmosferici a lungo termine, impatti ripetuti ed eventi alluvionali. Durante un’antica fase di inondazione, la forte capacità di trasporto delle acque ha depositato materiali eterogenei e a grana grossa. Successivamente, con la diminuzione del volume d’acqua, si è attenuata la competenza dei flussi idrici superficiali e conseguentemente solo i materiali più fini sono stati trasportati e depositati nel secondo strato.

RoSPR LF data. (a) e (b) Radargrammi dopo il primo passo della procedura di elaborazione. (c) e (d) Immagini tomografiche corrispondenti ai radargrammi (a) e (b). Le immagini tomografiche mostrano le strutture sepolte dove il “rosso” indica le strutture con la risposta più forte in termini di segnali radar retrodiffusi. L’asse-x denota la distanza percorsa dal rover, mentre l’asse y denota la profondità del sottosuolo. Le tre line tratteggiate rappresentano il passaggio fra i tre strati 

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L’IREA-CNR è nel team multidisciplinare, autore di una importante scoperta riguardante l’evidenza di acqua liquida nel sottosuolo di Marte alla profondità di circa 1.5 km. Questa scoperta è stata possibile grazie ad un’indagine condotta mediante il radar italiano MARSIS (da Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) a bordo della sonda europea Mars Express.

MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) è un radar sounder, ovvero un radar che opera a frequenze comprese tra 1.5 e 5 MHz. In virtù delle basse frequenze adoperate, e delle caratteristiche trasparenti dei ghiacci, MARSIS è capace di sondare il sottosuolo di Marte fino alla profondità di 4-5 km e per più di 12 anni il radar ha investigato le calotte polari del pianeta rosso in cerca di indizi di acqua liquida.

Il lavoro che testimonia questa scoperta, di cui è co-autore Francesco Soldovieri dell’IREA-CNR, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Science. Nella pubblicazione il team composto da ricercatori appartenenti a centri di ricerca ed università italiane (INAF, Università degli studi Roma Tre, ASI, Università D’Annunzio Chieti-Pescara, CNR e Sapienza Università di Roma), mostra per la prima volta, la prova dell’esistenza di acqua liquida nel sottosuolo marziano. I dati di MARSIS indicano che probabilmente l’acqua è salata poiché alla profondità di 1.5 km, dove l’acqua è stata identificata, la temperatura è sicuramente ben al di sotto di 0°C. I sali, che probabilmente sono simili quelli che la sonda NASA Phoenix ha trovato nel ghiaccio della zona circumpolare nord, agiscono da “antigelo” aiutando a mantenere l’acqua allo stato liquido. Inoltre, potrebbero esserci altre zone con condizioni favorevoli alla presenza di acqua in profondità su Marte ed il team coinvolto nella scoperta continuerà ad investigare.

Lo studio ha riguardato la regione del Planum Australe, per la quale sono stati analizzati i dati acquisiti da MARSIS nel periodo tra il maggio 2012 ed il dicembre 2015. I profili radar raccolti su questa area hanno mostrato caratteristiche peculiari e permesso di identificare una area di circa 20km quadrati (centrata nella zona con le seguenti coordinate: 193°E e 81°S), nella quale la sottosuperficie è molto riflettente, al contrario di ciò che succede nelle aree circostanti. Nello specifico, l’IREA-CNR ha partecipato all’analisi quantitativa dei segnali radar, mediante modellistica elettromagnetica inversa, per arrivare a determinare la permittività dielettrica dello strato riflettente. Questa parte del lavoro, durata quasi 4 anni, ha consentito di determinare che la permittività dielettrica dell’area altamente riflettente è maggiore di 15, perfettamente in accordo con la presenza di materiali che contengono notevoli quantità di acqua liquida.

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Il Focus dell’ultimo numero del 2021 dell’Almanacco della Scienza, quindicinale del Consiglio Nazionale delle Ricerche, riporta le attività di ricerca più significative dell’anno per i sette Dipartimenti del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Il Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Trasporti (DIITET) ha indicato quale risultato più rilevante nel 2021 gli ultimi sviluppi delle attività di ricerca riguardanti la scoperta di acqua su Marte.

La presenza di acqua liquida presente sotto la calotta polare meridionale di Marte, in particolare nella regione di Ultimi Scopuli, rilevata a partire da osservazioni del radar Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding (Marsis) è stata oggetto di una prima pubblicazione su “Science” nel 2018. La scoperta, da parte di un team di ricerca interamente italiano del quale faceva parte anche l'Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell'Ambiente, ha riacceso il dibattito sull'origine e la stabilità di acqua liquida nel sottosuolo marziano. In seguito, il lavoro “Multiple subglacial water bodies below the South Pole of Mars unveiled by new Marsis data” pubblicato su “Nature Astronomy” ha riguardato la scoperta di ulteriori laghi di acqua salata nel sottosuolo del polo sud marziano, rafforzando l'ipotesi della presenza di acqua liquida.

Marsis è un radar che assicura una risoluzione nel ghiaccio puro di circa 50 metri e che investiga il sottosuolo fino alla profondità (per le calotte polari) di circa 3,7 km. Le osservazioni di Marsis sono state analizzate adattando le procedure comunemente utilizzate per l'elaborazione di dati da un radar terrestre al fine di discriminare tra condizioni basali subglaciali umide e secche. Infatti, in Antartide e Groenlandia la combinazione di analisi qualitative (morfologia del substrato roccioso nell'immagine radar) e quantitative (caratteristiche del segnale) viene utilizzata proprio per rilevare la presenza di acqua subglaciale. Va inoltre sottolineato come la metodologia di elaborazione impiegata in tale lavoro sia completamente diversa da quella utilizzata in quello pubblicato su “Science” nel 2018 e rende confidenti nell'affidabilità dei risultati riportati in entrambi gli articoli.

L'analisi ha confermato la presenza del lago già individuato nel 2018 e fornito risultati inaspettati, che mostrano la presenza di tre nuove aree caratterizzate da pozze liquide. È quindi ragionevole supporre che acqua liquida possa essere presente in maniera diffusa alla base del SPLD (South Polar Layered Deposits), anche se potrebbe essere molto difficile rivelarla.

Per quanto riguarda le possibili cause della presenza di acqua liquida, in assenza di dati sul flusso di calore o di prove geologiche, sono state fatte diverse ipotesi in gran parte speculative e che non tengono in conto adeguatamente le osservazioni planetarie fino a oggi effettuate. L'ipotesi presentata nel lavoro si basa sull'esistenza di acqua ipersalina, cioè acqua con un'elevata concentrazione di sali disciolti. La possibilità di estesi corpi idrici ipersalini su Marte è particolarmente eccitante a causa della potenziale esistenza di vita microbica, come organismi estremofili, anaerobi e aerobi. I corpi di acqua alla base del Polo Sud marziano rappresentano quindi aree di potenziale interesse astro-biologico e sarebbe auspicabile che future missioni su Marte si focalizzino su questa regione.

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