La Temperatura di Marte
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Uno degli elementi che caratterizzano di più il clima di un pianeta è proprio la temperatura; ecco perché al fine di comprendere meglio il clima di un pianeta così interessante come Marte, la sua temperatura sia un passo fondamentale verso la sua comprensione.
Sebbene, nell'era di internet, sembri un problema ridicolo da affrontare, specialmente se si considera che abbiamo più 160 anni di osservazioni telescopiche e 50 anni di esplorazioni spaziali dirette alle spalle, è piuttosto difficile reperire anche solo una pubblicazione moderna “ufficiale” in cui sia indicato un valore realmente attendibile! Provate voi stessi a cercare sul web questo dato e rimarrete stupiti; all'indirizzo http://mars.nasa.gov/allaboutmars/extreme/quickfacts/ troverete che Marte ha una temperatura media di -81 °F (circa -63°C) ovvero 210 K, valore totalmente ridicolo oltre che falso! Ho quindi deciso a far luce su un aspetto fondamentale della climatologia marziana in assenza di fonti attendibili in tal senso, mettendo comunque insieme elementi comunque e sempre provenienti da fonti “ufficiali”. In particolare, verranno utilizzati dati provenienti dalla missione Mars Global Surveyor (MGS) e, nello specifico, i dati raccolti dallo spettrometro ad emissione termica (altrimenti detto TES da Thermal Emission Spectrometer, sito ufficiale: http://tes.asu.edu/ ), il quale ha raccolto molte informazioni termiche riguardanti la superficie di Marte, anche se a solo beneficio dei pochi “curiosi” che come noi hanno voglia e pazienza da investire in questo tipo di ricerche. Come noteremo più avanti, non solo la temperatura, ma anche altri dati fisici correlati sono di difficile reperibilità, come per esempio l'albedo. L'albedo è la quantità di luce riflessa da una superficie e si esprime con valori da 0 (superficie “nera” o totalmente assorbente) a 1 (superficie “bianca” o totalmente riflettente) e serve a calcolare quanta energia viene dispersa e anche quanta ne viene effettivamente assorbita (1 – albedo). Nel caso di Marte, tutti i testi astronomici “classici” riportano un valore di 0.15, mentre nelle fonti “moderne” il valore varia da 0.25 a 0.30 a seconda delle fonti! Sebbene potremmo dubitare fortemente che il valore classico possa essere stato stimato in maniera così errata, anche per questo valore si farà riferimento ai dati raccolti dal TES che come vedremo più avanti si aggira intorno a ~0.2.
Dato che questo studio si basa su dati distribuiti per fasce di latitudine, trovo molto importante riportare la superficie occupata da ogni singola fascia in percentuale rispetto alla superficie totale della sfera a cui appartengono.
Mappa della riflettività superficiale di Marte rilevata dal TES del MGS.
Fonte: http://www.mars.asu.edu/data/tes_albedo/ large/tes_albedo_label.png
Per poter ricavare l'albedo medio di Marte, è stato necessario mediare i valori per fasce di latitudine e da questi calcolare il valore medio planetario.
Albedo superficiale di Marte ricavato dalle immagini ufficiali pubblicate; i valori ADU (Arbitrary Digital Units) rappresentano il valore di luminosità dei pixels letti direttamente dall'immagine e convertiti successivamente in valori di albedo in base alla scala riportata nell'immagine stessa.
Il procedimento matematico utilizzato per il calcolo della media globale consiste nell'eseguire la sommatoria del valore di ogni singola fascia di latitudine moltiplicato per la frazione di superficie occupata rispetto all'intera sfera. Infatti, il peso di ogni singola fascia di latitudine sulla media globale deve essere proporzionato alla superficie che questa occupa rispetto all'intero pianeta. Il valore così ottenuto differisce sensibilmente sia dal valore classico di 0.15 e sia dal valore convenzionalmente riportato di 0.25 – 0.30. Tuttavia, visto che per i dati termici useremo quelli del TES, faremo uso dell'albedo ricavato dallo stesso strumento in modo da poter mantenere una certa comparabilità.
Temperatura e Legge di Stefan-Boltzmann
Normalmente, quando si parla di temperatura (T) lo si fa in termini di “gradi” Celsius o Kelvin. Tuttavia la temperatura di un corpo è determinata dalla quantità di energia (E) che il corpo stesso ha assorbito, nel nostro caso, proveniente dal Sole, energia che si misura in Watt per metro quadrato (W/m2). Temperatura ed energia sono ricavabili dalla legge di Stefan-Boltzmann che li mette in relazione con la seguente formula:
E = σ * T4
Dove:
E = Energia in W/m2
T = Temperatura in gradi Kelvin (K)
σ = Costante di Stefan-Boltzmann = 0.000000056704
Mentre i Watt sono una grandezza lineare, la temperatura è una funzione tutt'altro che lineare!
T = (E / σ)0,25
Per questo motivo, i calcoli sulle temperature medie di Marte richiederanno la conversione dei dati originali da gradi Kelvin ad energia in Watt, al fine di poter mediare agevolmente i dati diurni con quelli notturni
così come le medie globali e annuali.
Se un pianeta non ha atmosfera, la sua temperatura media si calcola così:
Er = Energia ricevuta dal Sole.
Ea = Energia effettivamente assorbita = Er*(1-albedo)
T = ((Ea / 4) / σ)0.25
Nel caso di Marte:
Er = 586.17
Ea = 586.17 * (1 - 0.1986111) = 469.75
T = ( ( 469.75 / 4) / σ ) 0.25 = 213.33 K = -59.82 °C
Come si può facilmente notare, pur non considerando l'atmosfera, la temperatura teorica di Marte è già più alta di quanto si dichiara (circa -63°C); ma Marte un'atmosfera la possiede e pure costituita al 95% da anidride carbonica, un potente gas serra!
Le temperature rilevate da MGS TES
Tramite il sito ufficiale è possibile accedere alle temperature rilevate durante gli svariati anni di attività. Partendo dai valori in gradi Kelvin, tramite un semplicissimo foglio di calcolo, sono stati convertiti i valori da gradi Kelvin a Watt per metro quadrato e successivamente al calcolo delle medie abbiamo riconvertito i valori in gradi. Ovviamente, così come per l'albedo, le medie planetarie sono calcolate tenendo conto della superficie occupata da ogni singola fascia di latitudine in relazione alla superficie totale.
Temperature diurne e notturne rilevate da MGS TES.
Fonte: MARS CLIMATE DATABASE VERSION 4.3 VALIDATION DOCUMENT
(http://www-mars.lmd.jussieu.fr/mars/info_web/MCD4.3_validation.pdf)
Temperature diurne e notturne, in gradi Kelvin rilevate da MGS TES
Conversione dei valori termici in Watt per metro quadrato per il successivo calcolo delle medie.
Energia superficiale media relativa conversione in temperature. I valori su sfondo lilla rappresentano le medie dell'intero pianeta calcolate con lo stesso procedimento matematico descritto per il calcolo dell'albedo medio planetario.
Il valore nella casella lilla con bordo verde rappresenta la media planetaria annuale.
Riassunto finale dell'elaborazione dei dati MGS TES rappresentanti le medie annuali e le escursioni massime annuali della superficie marziana. La temperatura media di Marte è risultata così essere di -39.63 °C.
Conclusioni
Stando ai dati forniti dalla sonda Mars Global Surveyor, a fronte di una temperatura media planetaria teorica
(calcolata ignorando l'influenza dell'atmosfera) di -59.82 °C, la vera temperatura media è risultata essere di -39.63 °C cioè 20.19 °C più alta!!
Mentre l'effetto serra terrestre accumula l'energia solare facendo sì che la Terra sia 1.6184072 più calda di quanto non sarebbe altrimenti, per Marte questo valore è di 1.4358274 cioè circa 2/3 del valore terrestre, non male per un'atmosfera che dovrebbe essere circa 1/160 della nostra!!!
Riguardo le temperature minime sono state riscontrate alcune incongruenze di carattere fisico che spingono a dubitare sulla loro attendibilità. La pressione atmosferica marziana, secondo le fonti ufficiali è 6.1 hPa (6.3 sito NASA) che approssimiamo per difetto a 6 hPa. Dato che l'anidride carbonica costituisce il 95% dell'atmosfera, consideriamo che indicativamente abbia una pressione parziale di ~5.7 hPa. L'anidride carbonica a quella pressione condensa a temperature inferiori a -124.23 °C, diminuendo di pressione al diminuire della temperatura.
Come mostrato dal grafico della pressione di vapore della CO2, a -132 °C la pressione dell'anidride carbonica non può eccedere 1.41 hPa che sommati a 0.3 hPa di altri gas porterebbe la pressione totale a non più 1.71 hPa! In assenza di una tale depressione atmosferica, mai rilevata da nessuna sonda, tenderemmo a ritenere inattendibile qualunque valore inferiore a -125 °C. È altresì molto probabile che il rapporto segnale/rumore più alto per i valori di temperatura più bassi abbia influito nel generare valori poco precisi, parliamo in fondo di soli 7 gradi di differenza.
Un altro risvolto importante della temperatura media di Marte è la quantità di vapore d'acqua che la sua atmosfera può contenere. Infatti, data una certa temperatura media, la concentrazione del vapore nell'atmosfera dovrebbe attestarsi in prossimità del punto di saturazione per quella data temperatura. Per quanto riguarda la Terra, a ~ 15 °C la pressione parziale del vapore d'acqua è di circa 17 hPa corrispondenti a 173.67 mm di acqua precipitata, mentre per Marte dovrebbe essere di 0.193 hPa corrispondenti a 1.97 mm di precipitato. Mentre per quanto riguarda la Terra c'è un ottimo riscontro tra valore teorico e riscontro pratico, per Marte la situazione è totalmente diversa con solo 0.02 mm di acqua precipitata. Oltretutto, mentre sulla Terra la concentrazione del vapore d'acqua è maggiore nelle zone più calde (zone tropicali) e più bassa nelle zone più fredde (zone polari) com'è logico aspettarsi, su Marte è esattamente il contrario! Secondo i dati ufficiali su Marte nelle zone polari si osservano picchi tra 0.08 e 0.06 mm di precipitato e solo 0.007 mm nelle zone tropicali.
Per concludere vorremmo citare una ricerca del 1962 dal titolo: “Theoretical Estimates of the average surface temperature on Mars” (http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1962)019%3C0444%3ATEOTAS%3E2.0.CO%3B2) dove si affronta nel dettaglio il problema del calcolo teorico tenendo conto dell'effetto serra causato dall'atmosfera. Allora però si riteneva che la pressione atmosferica fosse di ~ 85 hPa e che fosse costituita al 98% da azoto, 2% di CO2 e una quantità di vapore d'acqua di 0.01 mm di precipitato.
Nonostante queste premesse siano ben lontane da ciò che si ritiene attualmente, stranamente il risultato concorda ottimamente con i risultati del MGS, arrivando ad indicare una temperatura media di circa -40 °C (233 K); semplice coincidenza?