Le tecniche radar per lo studio della materia interplanetaria

Lo spettro della materia interplanetaria

La polvere cosmica, i meteoroidi e, più in generale, gli asteroidi e le comete sono componenti della materia interplanetaria il cui spettro può variare in un intervallo di massa che si estende su circa 40 ordini di grandezza. Un modo assai promettente di studiare l'origine e l'evoluzione del nostro sistema solare è di analizzare a fondo la natura e la composizione dei meteoroidi, cioè di quei corpi che rappresentano il contatto per noi più diretto con la materia di tipo esogeno che cade sulla Terra. L'interazione dei meteoroidi con l'atmosfera e gli impatti in superficie sono fenomeni ricorrenti e coinvolgono non solo il nostro pianeta ma tutto il sistema solare. Le meteore da una parte e la caduta delle meteoriti dall'altra sono gli esempi più noti di fenomeni di interazione e di impatto di corpi interplanetari che dissipano totalmente la loro energia in atmosfera (come nel caso delle meteore) o, in alternativa, sono in grado di perforare l'atmosfera e di raggiungere la superficie terrestre pur fortemente ridotti dall'attrito aerodinamico (come nel caso delle meteoriti). La Terra incontra così un enorme numero di meteoroidi che si muovono a velocità ipersonica compresa tra circa 10 e 70 chilometri al secondo, il cui flusso continuo avrebbe effetti disastrosi per la nostra biosfera se l'atmosfera non esercitasse efficacemente la sua azione di schermo dissipandone l'energia cinetica in calore, luce e ionizzazione.

Fig.1: Frammento della meteorite TAGISH, una condrite carbonacea caduta in Canada il 18/01/2000 (frammento raccolto sotto la superficie ghiacciata del lago Tagish). La meteorite è ricca di grani interstellari e costituisce il materiale più primitivo del sistema solare finora mai studiato

La meteorite FERMO: l'ultima importante condrite ordinaria caduta in Italia il 25/09/1996

Il flusso totale della materia interplanetaria che arriva ogni anno sulla Terra è valutato sui tempi lunghi attorno alle 220 mila tonnellate. Circa il 25-30% del flusso annuo (più o meno 60 mila tonnellate) è costituito dai meteoroidi, la cui massa è compresa (è solo una convenzione) tra 1 microgrammo e 10 mila tonnellate, con un contributo maggiore di materiale cometario (fig. 1).

Sui tempi lunghi, i corpi cosmici che danno in percentuale i due maggiori contributi al flusso di oggetti che cadono sulla Terra sono quelli di taglia attorno al chilometro e quelli di dimensioni vicine ai 10 metri. Sui tempi brevi, c'è un terzo picco significativo che corrisponde alla popolazione delle particelle submillimetriche rappresentate dalla polvere cosmica e dalle micrometeoriti.

Queste particelle hanno un ruolo importante in molti settori della ricerca, e principalmente per: (a) censire la popolazioni dei corpi cosmici in funzione della loro massa; (b) elaborare modelli di distribuzione della polvere interplanetaria e sull'emissione della luce zodiacale; (c) avviare indagini sulla struttura e composizione dei corpi progenitori (asteroidi e comete); (d) quantificare il rischio di impatto dei meteoroidi sui veicoli spaziali; (e) fornire un metodo di calibrazione per utilizzare alcuni isotopi (ad esempio l'osmio) e l'abbondanza di alcuni elementi (iridio, gas nobili) come tracciante di sedimenti terrigeni e di grossi impatti sulla Terra da parte di asteroidi e comete; ed infine, (f) facilitare il riconoscimento di materiale esogeno importante per lo sviluppo della vita sulla Terra. Il massimo del flusso di particelle submillimetriche che cade sulla Terra ammonta, in un anno, ad alcune decine di migliaia di tonnellate, e si ha in corrispondenza di microgranuli con diametro di circa 200 micron e con massa pari ad un centesimo di milligrammo.

Gli studi sulla materia interplanetaria che cade sulla Terra hanno certamente contribuito ad ampliare le nostre conoscenze sulla formazione ed evoluzione del sistema solare, contribuendo tra l'altro ad identificare all'interno dei corpi interplanetari `grani pre-solari' di materia interstellare. C'è a questo proposito un tipo intermedio di materia interplanetaria, con dimensioni comprese tra quelle delle meteoriti e della polvere interplanetaria, che è oggetto di grande interesse, soprattutto per l'eterogeneità nella struttura e mineralogia di questi corpi che rappresentano probabilmente una nuova popolazione di elementi del sistema solare. Queste micrometeoriti più grosse, la cui origine appare ancora incerta, sono grani di materiale cosmico con dimensioni al di sopra di qualche decina di micron, e si possono oggi rinvenire in gran numero in sedimenti terrigeni delle zone polari. La distribuzione di massa di questi grani è molto simile a quella del flusso delle micrometeoriti osservate a distanze di 1 unità astronomica, tant'è che viene oggi proposta una stretta relazione della maggior parte delle particelle raccolte in Groenlandia ed in Antartide con un certo tipo di meteoriti, le condriti carbonacee, che sono un prodotto della frammentazione di alcuni famiglie di asteroidi (dark asteroids) osservati nella zona più esterna della fascia principale tra Marte e Giove (fig. 2).

	Fig. 2: l'asteroide IDA (e la sua luna DACTYL): un possibile corpo genitore delle più comuni meteoriti, le condriti ordinarie
	L'asteroide MATHILDE, un possibile corpo genitore di un raro tipo di meteoriti, le condriti carbonacee, considerate l'anello di congiunzione tra asteroidi e comete

Le tecniche radar per lo studio della materia interplanetaria: il radar meteorico BLM (Bologna-Lecce-Modra)

L'utilità di impiegare il radar nello studio della materia interplanetaria è essenzialmente legata alla capacità che hanno i meteoroidi di ionizzare l'atmosfera circostante. Entrando nell'atmosfera a velocità superiore a 40 mila chilometri orari, un meteoroide entra in violenta collisione con le molecole dell'aria ed in ogni urto si libera un'energia termica che porta il corpo a fondere ed evaporare in superficie con conseguente perdita di massa (ablazione). Si calcola che, per un meteoroide di velocità 40 chilometri al secondo, la frazione di energia che viene trasformata in luce è molto piccola (2 millesimi dell'energia totale) e quella in ionizzazione è ancora più piccola (circa 1 millesimo).

Il radar più comune è di tipo `monostatico' o `a retrodiffusione' (backscatter) con il trasmettitore e il ricevitore posti nello stesso luogo e che fanno parte integrante di un unico complesso. Se il ricevitore e il trasmettitore sono posti in due località separate, anche molto lontane (fino a 2.000 km di distanza), il radar è detto `bistatico' o `a diffusione in avanti' (forward scatter). Con più di un ricevitore è possibile realizzare un radar multistatico, come nel caso del radar BLM (Bologna-Lecce-Modra) dell'Istituto delle Scienze dell'Atmosfera e dell'Oceano (ISAO) del CNR, progettato agli inizi degli anni '90, che ha il trasmettitore a Budrio, vicino a Bologna, e le parti riceventi a Lecce e Modra. Quest'ultimo opera in onda continua ad una frequenza di 42,7 MHz, con una potenza di picco di 1KW. Nel sistema a diffusione in avanti, l'allungamento del tempo di decadimento dell'eco offre la possibilità di studiare l'atmosfera a quote più elevate, fino al limite dello strato E della ionosfera (circa 150 chilometri). Inoltre, la persistenza del segnale facilita la discriminazione fra i fattori che contribuiscono alla ionizzazione, in particolare quelli chimici. Di recente si è scoperto che il processo dominante che determina il decadimento dell'eco radar è la ricombinazione degli ioni metallici del meteoroide con l'ozono atmosferico, e ciò consente di studiare la concentrazione di questo gas tra 50 e 110 chilometri. Il progetto del radar BLM trova anche interessanti applicazioni nel settore delle radiocomunicazioni a carattere intermittente e senza l'impiego di satelliti, attraverso la trasmissione di segnali radio a lunghissime distanze e la loro riflessione dai canali ionizzati lasciati dalle meteore (fig. 3).

Fig. 3: [a] Geometria del radar meteorico BLM (Bologna-Lecce-Modra); [b] echi radar dalle tracce ionizzate delle meteore, ricevuti alle stazioni di Lecce e Modra

L'osservazione radar dei meteoroidi consente di raggrupparli in sciami, particelle cioè dello stesso complesso che si muovono alla stessa velocità lungo un'orbita intorno al Sole, appartenente al corpo genitore (generalmente una cometa o un asteroide). Quando la Terra interseca quest'orbita l'impatto in atmosfera di questi corpi dà luogo al ben noto fenomeno delle stelle cadenti. Si può osservare che le meteore di sciame sembrano provenire dalla stessa zona del cielo (radiante), in prossimità di alcune note costellazioni. Così, le meteore che provengono dalla costellazione dei Gemelli sono dette Geminidi, mentre più famose sono le Perseidi, localizzabili nella costellazione di Perseo, che in questi anni hanno registrato il massimo della loro attività nelle notti dell'11 e 12 agosto.

Soprattutto le comete a breve periodo sono di grande interesse perché, dopo i loro ritorni al perielio, è possibile osservare un'accresciuta attività (outburst o storm) dei meteoroidi che hanno origine dalla progressiva erosione e disgregazione dei loro nuclei sotto l'azione della pressione della radiazione solare e delle forze gravitazionali dei pianeti maggiori. La pioggia di meteore (meteor storm) è un raro fenomeno che avviene nel cielo di notte ed è visibile soltanto nell'emisfero terrestre che, contemporaneamente, è esposto al bombardamento dei meteoroidi ed è opposto al Sole. La durata di questo fenomeno va solitamente da 10 minuti a 2-3 ore. Il materiale osservato nel corso di un meteor storm proviene da una popolazione di meteoroidi emesso di recente dalla cometa.

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