Lo strumento NOMAD, sviluppato presso il Royal Belgian Institute for Space Aeronomy e attualmente in orbita attorno a Marte a bordo dell’ExoMars Trace Gas Orbiter dell’ESA, ha rilevato un singolare bagliore verde di ossigeno nell’atmosfera che circonda il pianeta rosso a circa 80 km di altitudine.
Questa emissione è all’origine del colore caratteristico dell’aurora polare terrestre e del bagliore d’aria, ma non era mai stata osservata prima in altre atmosfere planetarie al di fuori della Terra. Questa emissione di luce è creata dall’interazione tra radiazione solare e anidride carbonica, che è il principale costituente dell’atmosfera di Marte. Su Marte, come in un grande laboratorio naturale, siamo anche riusciti a misurare contemporaneamente le due linee dell’ossigeno nel visibile e nell’ultravioletto, il che chiarisce una controversia di lunga data tra calcoli discordanti della meccanica quantistica e misurazioni atmosferiche sulla Terra.
L’aurora, tuttavia, è solo uno dei modi in cui si illuminano le atmosfere planetarie. Le atmosfere dei pianeti, tra cui la Terra e Marte, brillano costantemente sia di giorno che di notte mentre la luce del Sole interagisce con atomi e molecole all’interno dell’atmosfera, un fenomeno comunemente chiamato “bagliore d’aria”. Il bagliore diurno e notturno è causato da meccanismi leggermente diversi.
Il bagliore notturno deriva dalla ricombinazione di molecole che sono state distrutte dalle radiazioni solari durante il giorno. La luce viene emessa quando gli atomi o le molecole eccitati tornano al loro stato originale non eccitato durante la notte. Una delle emissioni più luminose sulla Terra deriva dal bagliore notturno, in particolare dagli atomi di ossigeno eccitati che irradiano luce a una particolare lunghezza d’onda della luce (557,7 nanometri), una radiazione verde emessa nella regione spettrale in cui i nostri occhi sono più sensibili.
Lo strato verde di bagliore notturno è piuttosto debole, in modo che possa essere visto di notte solo guardando lateralmente lo strato d’aria che emette il bagliore, come per gli astronauti in orbita. Questo fenomeno ottico è stato catturato con telecamere a bordo dello Space Shuttle e della Stazione Spaziale Internazionale.
Il bagliore diurno si crea quando la radiazione solare interagisce direttamente con l’atmosfera. Gli atomi e le molecole (come azoto e ossigeno) nell’atmosfera assorbono parte della luce solare, che li eccita temporaneamente fino a quando non rilasciano questa energia aggiuntiva sotto forma di luce, sia alla stessa frequenza che a frequenza (colore) inferiore alla luce assorbita. Questa emissione è molto più debole della luce diffusa dal Sole, quindi non possiamo vederla ad occhio nudo.
Anche se da circa 40 anni era già stato previsto che il bagliore diurno verde esistesse su Marte, fino ad ora, non era mai stato osservato nelle atmosfere di altri pianeti, sia perché la loro superficie è troppo luminosa rispetto all’emissione di luce atmosferica o perché le precedenti missioni verso i pianeti non erano dotati di strumenti sensibili alla luce sia visibile che ultravioletta. Per rimediare a ciò, il team NOMAD del Royal Belgian Institute for Space Aeronomy e l’Université de Liège hanno deciso di riorientare il canale ultravioletto e visibile (UVIS) dello strumento dal suo tipico orientamento nadir (guardando direttamente verso il basso sulla superficie marziana) verso il bordo diurno di Marte.
Tra il 24 aprile e il 1° dicembre 2019, il team NOMAD ha utilizzato UVIS per scansionare ad altitudini che vanno da 20 a 400 chilometri dalla superficie marziana due volte per orbita. Su ognuna di quelle “modalità di osservazione speciale del bordo del pianeta”, lo strumento ha rilevato segnali sorprendentemente luminosi a 557,7 nanometri, dimostrando l’onnipresenza del bagliore verde diurno. L’altitudine di picco principale si trovava vicino a 80 km e la sua intensità variava a causa del cambiamento della distanza tra Marte e il Sole, l’ora locale e la latitudine delle osservazioni. Un secondo picco di emissione è stato osservato vicino a 120 km di quota.
Un’altra emissione più debole del bagliore di ossigeno è stata osservata anche a 297,2 nanometri nella gamma dell’ultravioletto vicino. Una tale misurazione simultanea di due linee di ossigeno nella gamma spettrale visibile e ultravioletta è piuttosto unica ed ha permesso di derivare direttamente un rapporto di 16,5 tra le emissioni visibili e quelle UV, il che è difficile anche per un laboratorio sulla Terra.
Un modello fotochimico, sviluppato all’Università di Liegi, è stato usato per comprendere meglio questo bagliore verde su Marte e per confrontarlo con ciò che vediamo sul nostro pianeta. Il modello è stato in grado di riprodurre l’altitudine e la luminosità dello strato d’aria. Indica inoltre che il bagliore diurno verde su Marte viene prodotto principalmente quando le molecole di biossido di carbonio (CO2) vengono scomposte in ossigeno (O) e monossido di carbonio (CO) dall’ultravioletto lontano emesso dal Sole. Gli atomi di ossigeno risultanti brillavano sia in luce visibile che ultravioletta.
Il nostro risultato concorda con i modelli della fisica atomica ma contraddice le precedenti osservazioni fatte nei bagliori e nelle aurore della Terra. Il rapporto di emissione di 16,5, trovato in questo studio, sarà considerato uno standard per le misurazioni che collegano l’ultravioletto alle regioni spettrali visibili. Questo risultato ha conseguenze per lo studio dei processi aurorali, di bagliore d’aria e per la calibrazione spettrale degli strumenti ottici.
Libera traduzione dell’articolo:
“ExoMars NOMAD spots unique green light at Mars” https://www.aeronomie.be/en/news/2020/exomars-nomad-spots-unique-green-light-mars