Geologia planetaria: cos’è e di cosa si occupa?

Antonio D'Alonzo

Antonio D'Alonzo

geologia planetaria Astrofarm

La geologia planetaria è la disciplina scientifica che si occupa di studiare i processi “geologici” (dai meteoroidi ai pianeti) per ricavarne informazioni sulla loro origine, evoluzione e stato attuale. Per fare ciò, vengono utilizzate una serie di sotto-discipline e tecniche mutuate dalla “geologia terrestre” per lo studio delle “superfici planetarie”, come l’interpretazione geomorfologica, i principi di stratigrafia, la sedimentologia, la mineralogia e la vulcanologia, ma anche degli strumenti teorici geofisici per ricavare informazioni “non visibili”, come la struttura interna dei vari corpi (vi siete mai chiesti da dove derivano quegli spaccati dei pianeti presenti in qualsiasi atlante astronomico degno di rispetto?).

 Il punto da ribadire è che, nonostante la natura “extraterrestre” degli oggetti in esame, le tecniche sono prettamente “terrestri”, il che giustifica il prefisso “geo-“.
Il merito della “geologia planetaria” è difatti proprio quello di aver elevato la scienza geologica a scienza di carattere universale, non legata strettamente a quello che accade sul (e nel) nostro pianeta.

Mediante le conquiste dell’esplorazione spaziale, molti dei processi geologici operanti sulla Terra sono risultati “universali” a patto di trovare condizioni adatte al loro “svolgimento”: un caso emblematico è quello dei processi eolici, cioè derivanti l’azione del “vento” sui sedimenti superficiali: abbiamo osservato dune e ripples, simili a quelli terrestri, su Venere (fig. 1), Marte (fig. 2), Titano (fig. 3) e persino, forse, su “corpi minori” quali Plutone (fig. 4) e la 67P/Churyumov-Gerasimenko (fig. 5) (la cometa visitata dalla missione Rosetta).

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Fig. 1 – Campo di dune Fortuna-Meskhe, Venere.
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Fig. 2 – Campo di Barcane, Marte.
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Fig. 3 – Dune Longitudinali, Titano.
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Fig.4 Corrugamenti sui terreni poligonali interpretati come Dune, Plutone (Nasa)
Fig. 5 – Ripples, cometa 67/p Churyumov – Gerasimenko
Un po’ di storia

A parte iniziali speculazioni fantasiose sulla natura delle superfici planetarie (ed anche del Sole!), come le osservazioni di mucche al pascolo (!) sulla superficie lunare ad opera di Franz von Paula Gruithuisen (1774-1852), si potrebbe indicare come evento fondante della “geologia planetaria” la pubblicazione nel 1794 delle tesi di Chladni (1756-1827) sull’origine “extraterrestre” delle meteoriti.

I paralleli studi pionieristici di Edward Howard (1774-1816) sulla geochimica delle meteoriti e la scoperta nel 1801 del primo corpo minore del sistema solare, Cerere, da parte di padre Giuseppe Piazzi (1746-1826), fornirono la prova che lo spazio interplanetario non fosse vuoto ( e che quindi la Terra fosse un “sistema aperto” soggetto all’interazione con il materiale interplanetario) e che soprattutto la “sostanza” di cui erano composti i “corpi celesti”, per quanto in assemblaggi leggermente diversi, fosse di fatto la stessa componente la Terra, soggetta alle stesse leggi fisiche e quindi indagabile con gli stessi metodi e tecniche.

A suggellare il tutto, ci pensò il grande naturalista Alexander von Humboldt (1769-1859), affermando che “le meteoriti sono i più piccoli tra gli asteroidi”.

Dovette passare oltre un secolo per il successivo grande passo. Esso fu determinato dalla spinta propulsiva della corsa allo spazio, in particolar modo dal programma Apollo. Con la necessità di risolvere problemi di carattere strettamente pratico, come ad esempio comprendere le proprietà meccaniche della superficie lunare (si temeva che il LEM e gli astronauti potessero sprofondare in un “oceano” di polvere), si dette il via a studi sistematici del nostro satellite, che portarono alla codificazione di metodologie e strumenti interpretativi per ottenere delle carte geologiche (analoghe a quelle terrestri) di un luogo sconosciuto a partire da osservazioni telescopiche e satellitari (Fig. 6).

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Fig. 6 – Prototipo di mappa geologica della regione di Copernicus (Eugene Shoemaker, USGS)


Degne di nota furono le estenuanti sessioni (1961-1967) all’oculare del rifrattore da 24 pollici del Flagstaff Observatory da parte dei cartografi in forza all’ACIC (Air Force Aeronautical Chart and Information Center) (Fig. 7),

Fig. 7 – Bill Cannell e Patricia Bridges all’oculare del rifrattore Clark (Lowell Observatory)

che insieme a documentazioni fotografiche, hanno permesso di ottenere le LACs (Lunar Astronautical Chart) e le AIC (Apollo Intermediate Charts), la “base cartografica” delle missioni Apollo e delle prime mappe geologiche lunari: in quest’ultimo caso le carte furono integrate con dati ed immagini provenienti dai programmi Ranger (1961-1965), Surveyor (1966-1968) e Lunar Orbiter (1966-1967). Contemporaneamente, Eugene Shoemaker (1928-1997), forte dell’esperienza maturata nello studio del metamorfismo da shock (l’insieme degli effetti meccanici e termodinamici derivanti il passaggio di un’onda d’urto in un materiale) indotto sul substrato roccioso delle Yucca Flats dai vai test nucleari, determinò i meccanismi di formazione delle forme “astrogeologiche” per antonomasia, i crateri da impatto, ed i criteri per riconoscere gli stessi da eventuali altri tipi di cratere (e.g. crateri vulcanici).

Ancora una volta, l’indagine di strutture geologiche terrestri (Fig. 8) fornì la chiave di volta per la corretta interpretazione di strutture geologiche extraterrestri, come i crateri lunari.

Fig. 8 – Ries Crater, Germania, 24 km di diametro (ESA, Sentinel-2)

Dopo gli straordinari risultati scientifici del programma Apollo abbiamo ampliato la nostra conoscenza geologica a tutto il sistema solare, grazie alle decine di sonde automatiche che hanno esaminato e fotografato le superfici dei più disparati corpi rocciosi (Fig. 9): negli ultimi 20 anni, il corpo verso cui abbiamo rivolto maggiormente la nostra attenzione è stato senza dubbio il Pianeta Rosso, che ha mostrato via via sempre più similitudini con il nostro pianeta, svelate dagli svariati orbiter europei ed americani, e da un manipolo di “piccoli geologi automatizzati”, che scorrazzando sul terreno marziano, hanno condotto delle vere e proprie mini-campagne geologiche, arrivando persino a ricostruire la stratigrafia di formazioni rocciose esposte (Fig. 10).

Fig. 9 – Sonde automatiche che hanno visitato corpi nel Sistema Solare
Fig. 10 – Stratigrafia e facies della Murray Formation, Pahrump Hills, Gale Crater (Grotzinger et al., Science, NASA)

Le scoperte delle missioni spaziali rivolte a Marte e quelle effettuate dalle sonde Galileo e Casini-Huygens sui corpi ghiacciati dei sistemi di Giove e Saturno, hanno rinvigorito negli ultimissimi anni la speranza di trovare tracce passate o presenti di vita al di fuori del nostro pianeta: le future esplorazioni avranno sicuramente tra gli obiettivi principali le indagini di tipo “astrobiologico”, con il motto “follow the water”, ossia concentrandosi su potenziali habitat passati o presenti (Fig. 11).

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Fig. 11 – Cratere Jezero, landing site (indicato con l’ellisse) del rover Perseverance, in corrispondenza del delta fluviale (NASA, PIA23511)
Limitazioni e metodi

La geologia planetaria fonda i propri metodi sui suoi stessi limiti: banalmente l’impossibilità (o estrema difficoltà) di raggiungere fisicamente il luogo oggetto delle indagini forza un approccio “da remoto”; mentre la geologia terrestre si fonda sul rilevamento in loco, la “planetaria” si basa principalmente sui dati ottenibili da satellite, a parte rarissime eccezioni (lander, rover, missioni Apollo).
La documentazione utilizzata si basa principalmente sulle fotografie scattate dai vari orbiter, a diverse lunghezze d’onda, utili ad indagare le morfologie di terreno (Fig. 12);

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Fig. 12 – Mercurio, ridges sulle piane laviche, larghezza immagine 600km (NASA MESSENGER NAC 162744209)

informazioni vitali per ricostruire la storia geologica e la stratigrafia vengono dai dati composizionali/mineralogici derivati da indagini spettroscopiche (CRISM Web Site (jhuapl.edu)), e dai dati topografici derivati principalmente da laser-altimetri e radar (Fig 13):

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Fig. 13 – Mappa topografica del Pianeta Rosso, ottenuta dai dati del laser-altimetro MOLA (NASA)

i radar costituiscono anche un formidabile mezzo d’indagine per valutare composizione e struttura di zone “sotterranee” (Fig. 14) (e.g. i laghi subglaciali scoperti su Marte) o l’unico metodo di indagine geologica per i corpi con una superficie oscurata da una densa e spessa atmosfera (Titano, Venere) (Fig. 1,2).

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Fig. 14 – Sezione della calotta polare nord marziana, osservata mediante il rada SHARAD (ASI – NASA PIA13164)


In mancanza di dati sismici, la struttura interna dei corpi planetari può essere modellata a partire dalla conoscenza delle caratteristiche del campo di gravità dei corpi stessi: quest’ultimo viene ricavato da un accurato “tracking” della posizione delle sonde in orbita, mediante quelli che vengono definiti “esperimenti di radioscienza” (Fig. 15).

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Fig. 15 – Spessore della crosta di Mercurio, modellata a partire dai dati di gravità e topografici raccolti dalla missione MESSENGER (NASA)

Cosa comporta questo approccio da remoto? Prendiamo ad esempio il caso delle datazioni. Sulla Terra si datano eventi o formazioni geologiche mediante datazioni relative (correlazioni stratigrafiche, fossili etc…) e datazioni assolute (tramite radiocronologia); in entrambi i casi è necessaria un’attenta campagna di terreno, con indagini stratigrafiche e raccolta di campioni “puntuali”. Tutto questo, da un’orbita, non si può fare.

Per datare “formazioni” e regioni sulla superficie dei pianeti, abbiamo ideato un metodo indiretto: il crater counting (Fig. 16): più una superficie è craterizzata più sarà antica. Dietro questo concetto all’apparenza banale, si nascondono insidie ed assunzioni circa il flusso e la popolazione di impattatori nel tempo, l’eventuale ringiovanimento delle superfici ad opera di processi endogeni etc. Con tutte le considerazioni statistiche del caso, questo metodo necessita comunque di una calibrazione assoluta delle formazioni interessate: per il momento una datazione radiocronologica è stata possibile solamente per la Luna, mediante i campioni raccolti dagli astronauti e dalle varie sonde automatiche. Le datazioni assolute per gli altri corpi, compreso Marte, sono solamente estrapolazioni teoriche basate sulla conoscenza del flusso di impattatori ricavata dai dati lunari: la cautela è d’obbligo in geologia planetaria!

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Fig. 16 – Simulazione di invecchiamento di una superficie planetaria mediante craterizzazione artificiale, a formare il Mare Exemplum (Don Gault)
Astrofili: quale ruolo?

E’ indubbio che il dettaglio richiesto per le indagini geologiche dei corpi rocciosi del sistema solare, esclusa la Luna, sia al di là delle possibilità dei telescopi terrestri, per non parlare dei telescopi amatoriali. Questo non significa che da Terra non siano possibili osservazioni o studi legati ai processi superficiali dei corpi rocciosi: gli astrofili offrono un servizio di “sorveglianza” costante e puntuale, impossibile per i grandi osservatori, basti considerare le continue scoperte di comete ed asteroidi, le vitali informazioni sulla “forma” di quest’ultimi ricavate dalle campagne osservative di occultamenti e curve di luce, il monitoraggio degli impatti degli stessi con i pianeti (in special modo Luna (Lunar Impacts | NASA) e Giove (The Jupiter Impact | The Planetary Society); ma anche l’osservazione delle variazioni stagionali (dinamica delle calotte, tempeste di polvere, formazioni nuvolose) e decennali (cambiamenti delle caratteristiche di albedo) del Pianeta Rosso (Mars Reports ALPO-Japan (sakura.ne.jp)).

D’altro canto bisogna ricordare che i dati fotografici, altimetrici e spettroscopici ottenuti dalle varie sonde interplanetarie, sono liberamente scaricabili dai portali adibiti (PDS Geosciences Node, Washington University, St. Louis, Missouri (wustl.edu)) e la loro elaborazione e gestione è alla portata di qualsiasi PC moderno dotato di sistema operativo UNIX. Negli ultimi anni si sono susseguiti i programmi di geologia planetaria rivolti ai citizen scientist: invito perciò gli appassionati educati in materia a consultare periodicamente i portali dedicati (es Citizen Science | Science Mission Directorate (nasa.gov)).

Antonio D’alonzo

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