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Due nuovi studi svelano il passato ed il presente della Luna

Luna: cratere Tycho
Luna: cratere Tycho Crediti: NASA Goddard/Arizona State University

Un nuovo studio pubblicato su Nature dimostra che la Luna ha molto in comune con la Terra, una scoperta che ha importati implicazioni sulla storia della sua formazione. Contemporaneamente, un altro documento apparso su Icarus spiega che il suolo del nostro satellite è in continua mutazione sotto l'azione di cariche elettriche generate dalle particelle cariche rilasciate durante le tempeste solari.

Con la prima ricerca il geochimico Kun Wang, della Washington University in St. Louis, ed il geochimico Stein Jacobsen, professore della Harvard University, hanno sviluppato una tecnica di analisi ad alta precisione per misurare gli isotopi di potassio della Terra e della Luna, le cui differenze erano rimaste finora al di sotto dei limiti di rilevabilità. Tali differenze isotopiche forniscono la prima evidenza sperimentale sull'origine della Luna rispetto ai due modelli più accreditati, ossia la teoria dell'impatto a bassa energia che avrebbe lasciato la proto-Terra ed il suo nuovo satellite avvolti in un'atmosfera di silicato o quella di un violento urto che avrebbe vaporizzato la maggior parte della proto-Terra formando un enorme disco superfluido dalla cui cristallizzazione si sarebbe poi formata la Luna.

I due modelli di formazione della Luna

Crediti: Kun Wang

A metà degli anni '70, un gruppo di astrofisici aveva proposto che la Luna fosse nata dalla collisione tra la proto-Terra ed un corpo delle dimensioni di Marte.
Nel 2001, però, un team di scienziati aveva scoperto che le composizioni isotopiche di un gran numero di elementi nelle rocce lunari e terrestri sono quasi identiche. Inoltre, le analisi dei campioni riportati dalle missioni Apollo negli anni '70 avevano confermato che la Luna ha le stesse abbondanze terrestri di tre isotopi stabili dell'ossigeno. Un fatto piuttosto strano dato che le simulazioni numeriche prevedevano che almeno il 60/80 per cento del materiale dovesse provenire dall'impattatore piuttosto che dal nostro pianeta. Se così fosse stato, le composizioni isotopiche non potevano essere tanto simili dato che i diversi corpi del Sistema Solare hanno ciascuno una loro specifica "impronta digitale" che dipende dal posto in cui si sono formati e, le probabilità che l'impattante avesse le stesse caratteristiche della Terra potevano considerarsi davvero remote. Una situazione che sembrava mettere in crisi l'ipotesi dell'impatto gigante.

Così, nel 2007, fu introdotta l'idea di un’atmosfera composta da vapore di silicato che avrebbe permesso uno scambio di materiale tra la proto-Terra e il disco di materiale circostante dal quale poi sarebbe condensata la Luna. Secondo Wang, i ricercatori che hanno suggerito questa idea sarebbero partiti dall'ipotesi di un impatto a bassa energia ma il processo avrebbe richiesto molto tempo durante il quale, però, buona parte del materiale sarebbe ricaduto sulla Terra ancora in formazione piuttosto che finito aggregato per formare la Luna.

Nel 2015, tornò l'idea dell'impatto violento, un urto tale da vaporizzare il mantello terrestre e da fonderlo con l'impattatore. Da qui sarebbe nata un'atmosfera, in cui sarebbe nata la Luna, estesa su un'area grande 500 volte la Terra. "La miscelazione approfondita di questa atmosfera spiega la composizione isotopica identica della Terra e della Luna", ha detto Wang. Il mantello si era praticamente trasformato in un "fluido supercritico", cioè senza una fase liquida e gassosa distinta. I fluidi supercritici possono attraversare i solidi come fossero un gas ma anche dissolvere del materiale come fossero un liquido.

Nello studio, Wang e Jacobsen hanno esaminato sette campioni di rocce lunari provenienti dalle diverse missioni e confrontato i loro valori di potassio con otto rocce provenienti dal mantello terrestre.
Il potassio ha tre isotopi stabili ma solo due, potassio-41 e potassio-39, sono abbastanza abbondanti da permetterne l'analisi isotopica. I risultati hanno mostrato che le rocce lunari sono state arricchite per circa 0,4 parti per mille dall'isotopo più pesante del potassio e cioè il potassio-41. Secondo Wang, l'unico processo ad alta temperatura in grado di separare gli isotopi di potassio in questo modo deve essere stata la sua condensazione incompleta nel fase di vaporizzazione, durante la fase di formazione della Luna. I calcoli, tuttavia, hanno mostrato che se questo processo fosse avvenuto nel vuoto assoluto l'arricchimento in potassio nelle rocce lunari sarebbe stato ben superiore rispetto ai valori trovati, dato che si abbassa invece per pressioni più alte. Per questo motivo, gli autori credono che la Luna abbia condensato ad una pressione superiore ai 10 bar, ovvero circa 10 volte la pressione atmosferica al livello del mare sulla Terra.

La scoperta, quindi, non favorisce il modello dell'atmosfera di silicato ma supporta invece la teoria dell'impatto violento con un proto-pianeta grazie al quale il materiale proveniente dal mantello terrestre avrebbe dato origine alla Luna.

Potassium isotopic evidence for a high-energy giant impact origin of the Moon [abstract]

The Earth–Moon system has unique chemical and isotopic signatures compared with other planetary bodies; any successful model for the origin of this system therefore has to satisfy these chemical and isotopic constraints. The Moon is substantially depleted in volatile elements such as potassium compared with the Earth and the bulk solar composition, and it has long been thought to be the result of a catastrophic Moon-forming giant impact event. Volatile-element-depleted bodies such as the Moon were expected to be enriched in heavy potassium isotopes during the loss of volatiles; however such enrichment was never found. Here we report new high-precision potassium isotope data for the Earth, the Moon and chondritic meteorites. We found that the lunar rocks are significantly (>2σ) enriched in the heavy isotopes of potassium compared to the Earth and chondrites (by around 0.4 parts per thousand). The enrichment of the heavy isotope of potassium in lunar rocks compared with those of the Earth and chondrites can be best explained as the result of the incomplete condensation of a bulk silicate Earth vapour at an ambient pressure that is higher than 10 bar. We used these coupled constraints of the chemical loss and isotopic fractionation of K to compare two recent dynamic models that were used to explain the identical non-mass-dependent isotope composition of the Earth and the Moon. Our K isotope result is inconsistent with the low-energy disk equilibration model, but supports the high-energy, high-angular-momentum giant impact model for the origin of the Moon. High-precision potassium isotope data can also be used as a ‘palaeo-barometer’ to reveal the physical conditions during the Moon-forming event.

 

Il secondo documento, invece, mostra che la superficie del nostro satellite non è solo plasmata dagli impatti ma anche dai fulmini generati dalla carica statica accumulata nel pulviscolo lo ricopre.
Anche se la polvere lunare è normalmente un isolante elettrico, per Andrew Jordan dell'University of New Hampshire e colleghi, cariche elettriche, generate dalle particelle ad alta energia in arrivo durante le tempeste solari, potrebbero accumularsi nella regolite delle zone più fredde della Luna fino a saturare il terreno tanto da innescare piccole scintille.

La squadra ha calcolato la quantità di carica elettrica che potrebbe accumularsi sulla superficie lunare prendendo in considerazione fattori come la frequenza con cui si verificano tempeste solari, quante particelle cariche vengono solitamente rilasciate e la conducibilità del suolo lunare a temperature diverse, concentrandosi sulle zone permanentemente in ombra perché i terreni più freddi sono meno conduttivi e permettono alle cariche elettriche di accumularsi più velocemente di quanto possano dissipare. Secondo le stime, tra il 10 ed il 25 per cento dello strato superiore di polvere di 1 millimetri sarebbe saltato in questo modo nell'ultimo milioni di anni. Questo processo viene chiamato 'breakdown weathering' (alterazione atmosferica).

Secondo gli autori, tale meccanismo diminuirebbe la riflettanza della superficie lunare, in analogia con i fulmini terrestri che possono creare ammassi vetrosi scuri formando rocce. Tuttavia, la mancanza di ossigeno e composizione chimica della regolite potrebbe fare la differenza.

Le regioni permanentemente in ombra sono particolarmente interessanti perché possono intrappolare i materiali agendo da vere e proprie capsule temporali del Sistema Solare. Lo studio, perciò, ha una certa rilevanza ma andrà ora consolidato con prove in laboratorio.

The rate of dielectric breakdown weathering of lunar regolith in permanently shadowed regions [abstract]

Large solar energetic particle events may cause dielectric breakdown in the upper 1 mm of regolith in permanently shadowed regions (PSRs). We estimate how the resulting breakdown weathering compares to meteoroid impact weathering. Although the SEP event rates measured by the Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) on the Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) are too low for breakdown to have significantly affected the regolith over the duration of the LRO mission, regolith gardened by meteoroid impacts has been exposed to SEPs for ∼106 yr. Therefore, we estimate that breakdown weathering’s production rate of vapor and melt in the coldest PSRs is up to 1.8−3.5×10−71.8−3.5×10−7 kg m−2−2 yr−1,−1, which is comparable to that produced by meteoroid impacts. Thus, in PSRs, up to 10–25% of the regolith may have been melted or vaporized by dielectric breakdown. Breakdown weathering could also be consistent with observations of the increased porosity (“fairy castles”) of PSR regolith. We also show that it is conceivable that breakdown-weathered material is present in Apollo soil samples. Consequently, breakdown weathering could be an important process within PSRs, and it warrants further investigation.

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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