Francesca Esposito e i suoi colleghi nel deserto del Sahara. Tra il 2013 e il 2014 hanno effettuato degli esperimenti per comprendere meglio la relazione tra elettricità e sollevamento di grani di polvere nell’aria durante tempeste di sabbia simili a quelle che si verificano su Marte. Crediti: Francesca Esposito
Per qualche anno ancora le esplorazioni di Marte verranno effettuate solo tramite missioni robotiche, perché per gli equipaggi umani è ancora impossibile arrivare così lontano. A volte, però, rover e sonde non bastano e così gli scienziati studiano il Pianeta rosso direttamente sulla Terra. Ebbene sì, molti degli esperimenti che riguardano il quarto pianeta del Sistema solare vengono effettuati nei luoghi più estremi e remoti che possiamo immaginare, come i deserti. In questo caso al centro dello studio ci sono le tempeste di sabbia nel Sahara: i campi elettrici sono talmente potenti da sollevare 10 volte più polvere in aria rispetto ai soli venti. La scoperta ha grandi implicazioni per gli studi sul clima globale, così come per la creazione di nuovi modelli sulle tempeste di polvere su Marte in preparazione all’arrivo il prossimo ottobre del lander Schiaparelli della missione Exomars dell’ESA, così come dello strumento DREAMS (Dust Characterization, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface).
A capo del team di ricerca c’è Francesca Esposito, ricercatrice dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) presso l’Osservatorio Astronomico di Capodimonte, a cui abbiamo fatto qualche domanda sul paper pubblicato su Geophysical Research Letters “The role of the atmospheric electric field in the dust-lifting process”.
Francesca Esposito, 43 anni di Napoli, lavora presso l’Osservatorio Astronomico INAF di Capodimonte. Principal Investigator di DREAMS, strumento in partenza verso il pianeta rosso a bordo della sonda ESA ExoMars
Si tratta di uno studio che aiuta a chiarire la complessa relazione tra i processi di sollevamento dei grani polvere, le loro proprietà elettriche e i parametri ambientali dell’atmosfera. Cosa avete scoperto?
«Il nostro studio ha messo in evidenza lo strettissimo legame tra i processi di sollevamento della polvere e il campo elettrico atmosferico. Era già noto in letteratura che il processo di emissione della polvere, guidato dal vento, possa generare intensi campi elettrici. Quando il vento supera una certa intensità mette infatti in movimento i grani di sabbia della dimensione di 80-100 micron, ossia il materiale libero presente in superficie, che comincia a “saltellare” sul suolo in un processo noto come “saltazione” (saltation). Durante la saltazione i grani di sabbia collidono tra di loro e con la polvere presente sul suolo alimentando la saltazione di nuovi grani e portando in sospensione la polvere. Durante tali collisioni, i grani si scambiano carica elettrica. La distribuzione di tali grani carichi tra atmosfera e superficie genera intensi campi elettrici. Noi abbiamo misurato fino a 20 kV/m durante le tempeste di polvere più intense, laddove, in caso di bel tempo, si misurano circa 50-100 V/m. Tuttavia il nostro studio ha messo in evidenza un aspetto assolutamente importante e innovativo: il campo elettrico generato durante l’emissione della polvere può influenzare a sua volta il processo di emissione stesso in un feedback positivo. Abbiamo osservato che quando l’intensità del campo generato supera una certa soglia, il campo stesso aiuta a sollevare sabbia e polvere. Superata tale soglia abbiamo infatti misurato un aumento dell’emissione della polvere fino ad un fattore 10. Quindi, l’emissione della polvere genera campi elettrici, ma i campi elettrici generati, se sufficientemente intensi, contribuiscono all’emissione della polvere in un processo a soglia dirompente».
Il team di ricerca ha utilizzato questi strumenti per misurare la velocità del vento, la pressione atmosferica, la temperatura, l’umidità, l’intensità del campo elettrico, e molto altro ancora. Crediti: Francesca Esposito.
Nello specifico, come sono stati effettuati gli esperimenti nel deserto?
«Abbiamo effettuato 3 campagne di misura nel deserto del Sahara occidentale durante la stagione delle tempeste di polvere. Abbiamo installato una stazione meteorologica oltre a diversi sensori per la misura delle polveri emesse, dell’intensità di saltazione e del campo elettrico atmosferico. Le stazioni hanno acquisito misure continue per 1 settimana nel 2012 e per circa 3 mesi sia nel 2013 che nel 2014. In questo modo siamo riusciti a monitorare decine di tempeste di polvere e dust devils (ossia i vortici di polvere), che ci hanno permesso di studiarne i processi di formazione ed evoluzione e la relazione con i parametri ambientali tra cui il campo elettrico atmosferico».
Come questi processi influenzano (e soprattutto hanno influenzato) i cicli climatici sulla Terra?
«La polvere in sospensione ha un grosso impatto sul clima di un pianeta. I grani infatti assorbono e diffondono la radiazione solare e termica influenzando in tal modo fortemente la struttura termica e la dinamica dell’atmosfera (climate forcing). L’impatto della polvere sul clima dipende da parametri quali la sua concentrazione, distribuzione dimensionale e composizione. Tali parametri vengono in genere stimati attraverso dei modelli che non considerano l’effetto delle forze elettriche nei processi di emissione della polvere. Il nostro studio mostra che tali forze non sono trascurabili e devono essere considerate nei modelli al fine di ottenere stime più accurate della polvere in sospensione e quindi modelli climatici e di cambiamenti climatici più accurati».
Molti studi sul pianeta Marte vengono effettuati direttamente sulla Terra, nelle zone più remote ed estreme del nostro pianeta. Perché?
«Molti deserti terrestri, come quello del Sahara o di Atacama, sono dei buoni analoghi della superficie di Marte dal punto di vista morfologico e soprattutto sono degli ottimi laboratori in cui testare i processi fisici analoghi marziani (come ad esempio le tempeste di polvere) o le operazioni su Marte».
Quale le implicazioni del vostro studio sulle future missioni (robotiche e, chissà, umane) su Marte?
«Questo studio è stato svolto nell’ambito del progetto ExoMars-DREAMS, che è una stazione meteorologica con la capacità aggiuntiva di misurare il campo elettrico atmosferico. Sta viaggiando a bordo della missione ExoMars e atterrerà su Marte il 19 ottobre proprio durante la stagione delle tempeste di polvere. Il nostro studio sta ponendo le basi all’analisi dei dati unici che verranno acquisiti da DREAMS in condizioni analoghe a quelle misurate nel deserto del Sahara. Le misure di campo elettrico sono una novità assoluta nell’esplorazione di Marte e permetteranno di fare chiarezza sulle proprietà elettriche dell’atmosfera, sulla fisica dell’emissione della polvere, con importanti implicazioni sullo studio del clima e sui rischi associati con l’ambiente marziano per le future missioni spaziali soprattutto in vista dello sbarco dell’essere umano su Marte».
Per saperne di più:
- Leggi lo studio pubblicato su Geophysical Research Letters: “The role of the atmospheric electric field in the dust-lifting process”, di F. Esposito, R. Molinaro, C. I. Popa, C. Molfese, F. Cozzolino, L. Marty, K. Taj-Eddine, G. Di Achille, G. Franzese, S. Silvestro e G. G. Ori
- leggi gli articoli dello speciale ExoMars pubblicati su Media INAF