La missione Mars Pathfinder

Nell'estate del 1997, il primo veicolo mobile sceso su Marte ha scoperto indizi che fanno pensare come un passato il Pianeta rosso potesse essere in grado di ospitare forme di vita.

Il requisito più importante per l'esistenza di vita sulla Terra è l'acqua allo stato liquido.

Su Marte, nelle condizioni attuali, l'acqua liquida è instabile: a causa dei bassi valori di temperatura e pressione, può esistere come ghiaccio o come vapore, mentre allo stato liquido si manterrebbe solo per breve tempo. Tuttavia le immagini ottenute dalle sonde Viking circa 20 anni fa mostrano canali di deflusso e strutture che fanno pensare all'esistenza di laghi sugli altipiani. Questi lineamenti del terreno sembrano indicare che in passato il clima di Marte fosse più umido e caldo, tale da permettere l'esistenza di acqua alla superficie. Come è ovvio, sono state proposte anche spiegazioni alternative, come processi di demolizione provocati dal riscaldamento geotermico in un ambiente freddo e secco. Uno degli obiettivi scientifici di Pathfinder era appunto quello di scovare elementi che facessero luce sul passato clima di Marte.

Pathfinder apparteneva alla classe Discovery - nella quale sono incluse le sonde «economiche» e di rapida costruzione della NASA - e doveva rappresentare un mezzo per inviare a basso costo su Marte un piccolo carico che comprendesse un veicolo mobile. E' stata costruita, lanciata e fatta funzionare rispettando un budget paragonabile a quello di un colossal cinematografico (vale a dire, fra 200 e 300 milioni di dollari), che è una frazione del costo tipico di una missione spaziale. Realizzata e lanciata in soli tre anni e mezzo, Pathfinder recava a bordo tre strumenti: l'Imager, l'Alpha Proton X-Ray Spectrometer e l'Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package. Anche il rover era uno strumento: doveva condurre 10 esperimenti di tipo tecnologico, fra cui lo studio dell'abrasione di pellicole metalliche sulle ruote e dell'adesione della polvere a una cella solare, nonché di varie altre modalità di risposta degli strumenti all'ambiente circostante.

La parte più difficile della missione Pathfinder erano i quattro minuti durante i quali la sonda doveva passare dalla relativa sicurezza dello spazio interplanetario alle intense sollecitazioni dell'ingresso nell'atmosfera, della discesa e dell'atterraggio. In questo breve periodo, era necessario attivare oltre 50 passi fondamentali esattamente al momento appropriato perché la sonda potesse atterrare in sicurezza. Circa 30 minuti prima dell'ingresso nell'atmosfera, lo stadio di crociera si separò dal resto del lander. A 130 chilometri di quota la sonda entrò nell'atmosfera dispiegando una carenatura protettiva, che fu espulsa 134 secondi prima dell'atterraggio, quando si aprì il paracadute. Durante la discesa, il lander fu abbassato rispetto alla copertura posteriore, appeso a un «guinzaglio» della lunghezza di 20 metri.
Il lander è rimasto funzionante tre volte più a lungo del minimo previsto in fase di progetto, e il rover 12 volte più a lungo. La missione ha inviato a Terra 2,3 Gigabit di nuovi dati su Marte, fra cui oltre 16 500 immagini ottenute dal lander e 550 dal rover, e circa 8,5 milioni di misurazioni di temperatura, pressione e velocità del vento.

Il rover ha percorso un totale di 100 metri in 230 movimenti telecomandati, esplorando quindi più di 200 metri quadrati di superficie. Ha ottenuto 16 misurazioni della chimica del suolo e delle rocce, eseguito esperimenti di meccanica del suolo e completato con successo i numerosi esperimenti tecnologici previsti.

Il mosaico costruito con le prime immagini ha rivelato un paesaggio pianeggiante e sassoso (circa il 20 per cento della superficie era coperto da rocce) che sembra essere stato creato e modellato da inondazioni catastrofiche. Le immagini di Pathfínder mostrano rocce semiarrotondate di varie dimensioni simili ai depositi creati da inondazioni catastrofiche sulla Terra. Le rocce visibili nelle immagini sono di color grigio scuro e coperte di quantità variabili di polvere giallo-brunasta. Quest'ultima sembra essere identica alla polvere atmosferica che, come indicano immagini riprese con diversi filtri e in vari punti del cielo, è a grana estremamente fine (circa un micrometro). La polvere appare anche accumulata in scie generate dal vento dietro le rocce.

Alcune di queste ultime sono rigate di solchi, presumibilmente prodotti da particelle delle dimensioni di grani di sabbia, che sono state trascinate dal vento lungo la superficie.

La videocamera del rover ha anche osservato dune di sabbia nella bassura situata dietro il Rock Garden. Uno strato di terra copre per alcuni centimetri la base di certe rocce, facendo pensare che esse siano state messe allo scoperto dal vento. Nonostante queste tracce di lenta erosione eolica, le rocce e la superficie sembrano aver subito ben pochi cambiamenti dall'epoca della colossale inondazione.

L'Alpha Proton X-Ray Spectrometer montato sul rover ha misurato la composizione di otto rocce, rilevando in alcune di esse un contenuto di silicio molto più alto di quello delle meteoriti marziane.

Il suolo nel sito di atterraggio varia da una polvere rosso brillante a materiale rosso scuro e grigio scuro; nel complesso tutti i tipi di suolo hanno un contenuto di silicio più basso delle rocce, mentre sono più ricchi di zolfo, ferro e magnesio. La composizione è simile a quella misurata nei siti di atterraggio dei Viking, che si trovano in emisferi opposti (Viking 1 è 800 chilometri a ovest di Pathflnder, Viking 2 a migliaia di chilometri di distanza, sul lato opposto dell'emisfero settentrionale). Perciò è possibile che questo suolo si sia depositato su tutto il pianeta. Le somiglianze di composizione fra i suoli implicano che le differenze di colore possano essere il risultato di lievi variazioni nei minerali di ferro presenti o nella forma e nelle dimensioni delle particelle. Pathfinder ha anche studiato la polvere nell'atmosfera di Marte osservandone le modalità di deposizione su una serie di bersagli magnetici posti sul veicolo. Si è visto così che la polvere è fortemente magnetica. Potrebbe essere costituita da piccole particelle di silicati (forse argille), con qualche impurezza di un minerale fortemente magnetico, la maghemite. Anche questa osservazione è coerente con l'esistenza di acqua nel passato. Il ferro potrebbe essersi disciolto in acqua dai materiali della crosta, e la maghemite potrebbe essere un precipitato disidratato dalle basse temperature.

Il cielo di Marte ripreso dal Pathfinder aveva lo stesso colore giallo ambrato che si vede nelle fotografie dei Viking e che è spiegabile con la presenza di polvere finissima nell'atmosfera. Le immagini riprese da Hubble avevano fatto prevedere un'atmosfera molto limpida; gli scienziati avevano addirittura immaginato che dalla superficie il cielo potesse apparire azzurro. Il risultato di Pathfinder fa pensare invece o che l'atmosfera contenga sempre un poco di polvere sollevata da tempeste locali o che l'opacità atmosferica vari in maniera apprezzabile in archi di tempo molto brevi. La dimensione ipotizzata delle particelle (circa un micrometro) e la loro forma, nonché la quantità di vapore acqueo contenuto nell'atmosfera (equivalente appena a un centesimo di millimetro di precipitazioni annue), confermano anch'essi le misurazioni fatte dai Viking. Anche se un tempo Marte potrebbe essere stato un ambiente fertile, oggi è più secco e polveroso di qualunque deserto terrestre.

I sensori meteorologici hanno fornito ulteriori informazioni sull'atmosfera, rilevando regolari fluttuazioni di temperatura e pressione sia giornaliere sia a più lungo termine. La temperatura raggiungeva il suo valore massimo di 263 Kelvin (- 10 gradi Celsius) ogni giorno alle 2 pomeridiane (tempo solare locale) e il minimo di 197 kelvin (- 76 gradi Celsius) appena prima dell'alba. La pressione minima, inferiore a 6,7 millibar (circa lo 0,67 per cento della pressione al livello del mare sulla Terra), è stata raggiunta il ventesimo giorno marziano dopo l'atterraggio.

Su Marte la pressione atmosferica varia con le stagioni. Durante l'inverno, il freddo è tale che il 20 - 30 per cento dell'atmosfera congela in corrispondenza del polo, formando un'enorme pila di anidride carbonica solida. Il minimo di pressione rilevato dal Pathfinder indica che in quel giorno l'atmosfera era molto rarefatta e la calotta polare meridionale si trovava al massimo della sua estensione.

Le temperature mattutine variavano enormemente con l'ora e l'altitudine: i sensori posizionati 25 centimetri, 50 centimetri e 1 metro sopra la sonda hanno misurato valori diversi.

Una persona su Marte avvertirebbe a livello della testa una temperatura almeno 20 gradi più bassa che a livello dei piedi. Ciò indica che al mattino l'aria fredda si riscalda a partire dalla superficie e risale in piccoli vortici; tutto ciò è molto diverso da quanto avviene sulla Terra, dove non si hanno mai queste enormi differenze di temperatura. Le temperature del pomeriggio, quando ormai l'aria si è riscaldata, non mostrano simili variazioni.
Nel primo pomeriggio, piccoli vortici di polvere scorrevano ripetutamente accanto al lander; si manifestavano come bruschi, brevi cambiamenti di pressione, ed erano probabilmente simili a eventi rilevati dai moduli orbitanti e dai lander dei Viking; potrebbero rappresentare un meccanismo importante per sollevare polvere nell'atmosfera di Marte. Per il resto, i venti prevalenti erano lievi (meno di 36 chilometri allora) e variabili.

Pathfinder ha misurato le condizioni atmosferiche a quote più elevate durante la discesa. L'alta atmosfera (oltre i 60 chilometri) era più fredda di quanto avessero valutato i Viking. Oltre a ciò, i responsabili della missione sono riusciti a sfruttare i segnali radio del Pathflnder per calcolare la rotazione di Marte. Misurazioni giornaliere dell'effetto Doppler e determinazioni di distanza meno frequenti, durante le fasi di comunicazione, hanno permesso di stabilire la posizione del lander con una precisione di 100 metri. L'ultima di queste misure è stata effettuata dai Viking oltre 20 anni fa. Nel tempo trascorso, l'inclinazione dell'asse del pianeta è cambiata a causa del moto di precessione; la differenza fra le due misure fornisce quindi la velocità di precessione. Questa è determinata dal momento di inerzia del pianeta, che è una funzione della distribuzione di massa nel suo interno. Il momento di inerzia era il più importante parametro di Marte che fosse ancora ignoto prima della missione.

Dalle determinazioni compiute con l'aiuto del Pathfinder, sappiamo ora che Marte deve possedere un nucleo metallico centrale avente un raggio compreso fra 1300 e 2400 chilometri. Con gli elementi sulla composizione del mantello che sono stati ottenuti dall'analisi delle meteoriti marziane e dalle rocce osservate dal rover, gli scienziati possono ora cominciare a formulare ipotesi sulle temperature interne. Queste nuove informazioni sull'interno del Pianeta rosso aiuteranno i geofisici a comprendere la sua evoluzione nel tempo. Oltre alla precessione a lungo termine, Pathfinder ha rilevato una variazione annuale nella velocità di rotazione di Marte, che è esattamente quanto ci si aspetterebbe in caso di uno scambio stagionale di anidride carbonica fra l'atmosfera e le calotte polari.

Nel loro insieme, tutti questi risultati indicano che un tempo Marte era più simile alla Terra di quanto non si fosse ritenuto finora. Alcuni materiali della crosta marziana assomigliano, per il loro contenuto in silicio, alla crosta continentale terrestre. Inoltre, i ciottoli arrotondati e gli ipotetici conglomerati, oltre alle abbondanti particelle con dimensioni paragonabili a grani di sabbia e polvere, inducono a supporre che il pianeta un tempo fosse ricco d'acqua. Sebbene non si possa essere certi che in epoca primordiale Marte fosse relativamente simile alla Terra, i dati inviati da Pathfinder sono estremamente suggestivi. Le informazioni che ci fornirà il Mars Global Surveyor, la sonda ora in orbita intorno al Pianeta rosso, dovrebbe aiutarci a rispondere alle domande fondamentali ancora in sospeso.