Le micrometeoriti dallo spazio interplanetario alla vita sulla Terra

1. Le micrometeoriti dallo spazio interplanetario alla vita sulla Terra Giacomo Briani 22 Febbraio 2005

2. ……………Indice……………… • La distribuzione di meteoroidi nello spazio a 1 UA dal Sole e il flusso sulla Terra, il contributo delle MM • Composizione e proprietà delle MM studiate a Terra • L’interazione con l’atmosfera terrestre: modelli e verifiche sperimentali • Relazioni con i possibili corpi progenitori (comete e/o asteroidi) • Possibile ruolo nella comparsa della vita sulla Terra

3. I meteoroidi a 1 UA dal Sole POLVERE COSMICA METEOROIDI GRANDI IMPATTORI dimensioni  m dimensioni  20 m masse  10-8 g masse  107 kg asteroidi e comete MICROMETEORITI dimensioni fra ~50 m e ~1 mm masse fra ~10-6 e ~ 10-3 g • la densità spaziale dei meteoroidi diminuisce all’aumentare della distanza dal Sole e all’aumentare della latitudine eclittica • la popolazione dei meteoroidi è dominata da particelle comprese fra 50 e 500 m MM • metodi per lo studio dei meteoroidi nello spazio: osservazioni dei crateri lunari, studio delle tracce luminose (meteore) in atmosfera (radar BLM, AMOR), rivelatori a bordo di satelliti nella stratosfera (Long Duration Exposure Facility)

4. …I meteoroidi a 1 UA dal Sole Modello per la distribuzione di massa e il flusso a 1 UA di meteoroidi compresi fra 10-18 e 102 g: • studiata l’azione delle mutue collisioni e dell’effetto Poynting-Robertson • il flusso decresce rapidamente all’aumentare della massa • nella distribuzione di massa si ha un picco per 10-5 g (100 m di raggio) MM • dai risultati di tale modello si deduce una non stazionarietà della popolazione dei meteoroidi

5. Il flusso di meteoroidi sulla Terra • osservazione sperimentali confermano il massimo nel flusso di particelle submillimetriche per dimensioni di200 memassedi 1.5·10-5 g MM • con 40000  20000 ton/anno micrometeoritiepolvere cosmica costituiscono l’assoluta maggioranza (99.5%) della materia che cade sulla Terra • metodi per lo studio del flusso di meteoroidi: oltre a quelli citati in precedenza, la raccolta di MM e polvere cosmica in Antartide e Groenlandia e in sedimenti marini

6. MM studiate sulla Terra • è possibile studiare composizione e proprietà delle MM dai campioni ottenuti con dispositivi in orbita (LDEF, HST) • ma lo studio delle MM si basa principalmente sui campioni raccolti in Groenlandia e in Antartide, questi ultimi (AMM) considerati i meglio conservati rispetto a contaminazioni terrestri • l’aspetto sorprendente è che la maggior parte delle MM recuperate non sono fuse, contrariamente a quanto atteso dai modelli di attraversamento dell’atmosfera

7. MM fuse –cosmis spherules trasformate in sferule dal passaggio in atmosfera (20%) Composizionestrutturale dall’analisi delle AMM

8. …Composizionestrutturale… MM non fuse (a) fine-grained hydrous MM composte da milioni di grani individuali (35%); (b) coarse-grained crystalline anhydrous MM composte di alcuni singoli cristalli di olivina e pirosseno (10%)

9. …Composizionestrutturale MM parzialmente deidratatescoriaceous-type MM con molte vescicole, erano fgh-MM e hanno perso parte della loro acqua (35%)

10. Composizione e mineralogia delle AMM • sono correlate al gruppo relativamente raro (2% delle meteoriti) delle primitive condriti carbonacee • sono gli oggetti extraterrestri più ricchi di C che raggiungono la Terra

11. …Composizione e mineralogia delle AMM… • in tutte (tranne le CSs) è stato rivelato un guscio di magnetite molto sottile ( 1 m) • la distribuzione del rapporto D/H dell’acqua è la più simile, rispetto a quella degli altri corpi extraterrestri, a quella dell’acqua degli oceani

12. in ~20% sono state osservate concentrazioni e composizioni isotopiche di alcuni elementi chesuggeriscono chele MM sono già tali nello spazioe che l’azione subita dall’atmosfera è limitata nonostante il collegamento delle AMM con le condriti carbonacee, ci sono maggiori fattori di differenzadifficilmente spiegabili con i modelli le MM sono una nuova popolazione di oggetti del sistema solare …Composizione e mineralogia delle AMM

13. Interazione con l’atmosfera: un modello Simulazioni numeriche dell’attraversamento dell’atmosfera da parte di micrometeoroidi fra 10 m e 1 mm] • MM sferici • le molecole d’aria cedono ai MM impulso e energia (in forma di calore) ma non massa • l’energia viene riemessa sotto forma di radiazione, perdita di massa e vaporizzazione • date le piccole dimensioni dei MM si nega la possibilità di shock idrodinamici in atmosfera e di gradienti termici interni

14. …Interazione con l’atmosfera: un modello Risultati: • la durata dell’impulso massimo di calore è di pochi secondi • le temperature massime sono raggiunte sopra gli 85 km di quota • la maggior parte della massa accresciuta dalla Terra è dovuta a micrometeoroidi fra 100 e 300 m MM • in tale intervallo circa il 10% delle particelle conserva le dimensioni originarie e la metà di queste risulta fusa • le eventuali molecole organiche presenti vengono distrutte a temperature minori di quelle raggiunte in atmosfera

15. Un altro modello Altre simulazioni sono state fatte per studiare le condizioni per cui le MM possono entrare nell’atmosfera senza fondere (temperature  1600 °K) o senza subire annealing ( 800 °K) • come possibili meccanismi di ingresso sono stati considerati (1) l’“aerocattura” (ingresso in un’orbita chiusa) (2) l’ingresso diretto a grandi angoli zenitali • imponendo la condizione di temperatura massima  800 °K, i due meccanismi hanno efficienze confrontabili; comunque difficilmente più dell’uno per mille delle particelle rimane sotto tale temperatura • per evitare la fusione è molto più efficace l’ingresso diretto, ma solo il 4% dei MM di 100 m di raggio passano l’atmosfera senza fondere

16. Possibili concause: particolari condizioni di ingresso [11] decelerazione in strati a bassa densità a quote elevate (80 - 120 km, contro 30 - 60 km per meteoroidi maggiori) meccanismo di emissione dell’energia per irraggiamento molto efficiente grazie all’elevato rapporto area/massa ipotesi del flash heating: impulsi di calore di breve durata sufficienti per la ionizzazione delle molecole d’aria (meteore), ma non per processi più complessi (fusione, diffusione di gas rari, ossidazione di solfati e metalli, pirolisi di componenti organici) …MM e atmosfera: i dati sperimentali… Nelle AMM la percentuale di MM non fuse è molto maggiore di quanto previsto

17. …MM e atmosfera: i dati sperimentali… Effetti del passaggio in atmosfera dall’analisi delle fg-AMM • cosmic spherules:superata la temperatura di fusione (~1350 °C) probabilmente arrivano anche a temperature fra 1450 – 1800 °C; perdita di massa del 30% circa, non si osserva il guscio di magnetite • cored MM: presenza di un guscio fuso e di un nucleo non fuso a suggerire un progressivo inizio della fusione • scoriaceous MM: materiali fusi e rapidamente raffreddati come nelle CSs, ma c’è il guscio di magnetite; rispetto alle MM non fuse minori concentrazioni di elementi probabilmente persi durante la fusione; raggiunte temperature fra i 1350 e i 1500 °C, perdita di massa < 2% • unmelted MM: diffusa presenza di vescicole; massima temperatura raggiunta 650 °C se non si rivelano prodotti della decomposizione dei fillosilicati (ma la perdita di massa è maggiore)

18. …MM e atmosfera: i dati sperimentali Problemi: • gradienti termici interni • shock idrodinamici • contaminazione atmosferica • atmospheric residence + terrestrial residence

19. Simulazioni in laboratorio Frammenti di condriti carbonacee sottoposti a impulsi di calore in condizioni controllate: • osservata la formazione del guscio di magnetite (~ 1 m) sia nell’atmosfera terrestre (78% N2, 21% O2) sia in quella marziana (96.5% CO2, 3.5% N2) • perdite di S collegate alla durata degli impulsi, quelle di Ca e Ni no • osservata la formazione di spinels (MgAl2O4) con caratteristiche morfologiche e chimiche simili a quelle degli spinels delle MM • una modellizzazione permette di risalire dal range di composizione degli spinels all’interazione che le MM hanno con l’atmosfera

20. L’origine delle MM • micrometeoroidi provenienti dalla fascia principale degli asteroidi entrano in atmosfera con velocità geocentriche minori di quelli originati da comete • l’eco radar proveniente da un meteoroide di origine asteroidale ha un’ampiezza generalmente maggiore rispetto a quella di echi dovuti a corpi di origine cometaria Origine cometaria o asteroidale? • effetti gravitazionali della Terra e di altri pianeti sull’orbita dei MM [10]

21. MM e origine della vita sulla Terra • il contributo delle MM può essere stato importante per la formazione dell’atmosfera e degli oceani terrestri • le MM hanno acqua simile a quella degli oceani, e possono aver fornito l’azoto e il carbonio dell’atmosfera (EMMA) • il contributo delle MM può essere stato importante per l’apporto di composti prebiotici e/o molecole organiche • le MM sono i maggiori portatori extraterrestri di composti idro-carbonacei • osservata una maggior varietà di idrocarburi policiclici aromatici rispetto alle condriti carbonacee • amino-acidi: il rapporto AIB/isovalina è 10 volte maggiore di quello delle condriti carbonacee CM, è presente la glicina (cha vaporizzando sopravvive all’ingresso in atmosfera)

22. È possibile individuare tre categorie di sorgenti di molecole organiche per la Terra primordiale: apporto diretto da oggetti extra-terrestri (MM + IDPs) sintesi dovuta a shock in atmosfera sintesi endogena Quale di queste sorgenti fosse quantitativamente dominante dipende fortemente dalla composizione dell’atmosfera primordiale terrestre: atmosfera riducente  sintesi da onde d’urto atmosfera neutra  sintesi endogena atmosfera ossidante  apporto diretto …MM e origine della vita sulla Terra…

23. …MM e origine della vita sulla Terra… Il ruolo attivo delle MM nelle nascita della vita: i micro-reattori condritici – CHRs • elementi che possono agire da catalizzatori (acqua, minerali idrati e non, solfati, ossidi del ferro…) • sostanze organiche prebiotiche e/o molecole organiche complesse • il guscio di magnetite impedisce l’eccessiva diluizione delle sostanze organiche e ne permette il contatto con i catalizzatori • alta efficienza nell’intrappolare amino-acidi e altre sostanze organiche tali reattori non potevano essere prodotti anche sulla Terra poiché erano sintetizzati nello specifico ambiente microgravitazionale del sistema solare primordiale, contenevano catalizzatori sconosciuti sulla Terra e avevano subito gli effetti del passaggio in atmosfera

24. Riassunto MICROMETEORITI • dominano la popolazione di meteoroidi a 1 UA • dominano il flusso di materia ET sulla Terra • sopravvivono sorprendentemente all’atmosfera • sono ricche di C e composti organici • importanti per la comparsa della vita

25. Capire meglio l’origine delle MM e dei composti organici che contengono Studiare la vita delle MM nello spazio Approfondire la conoscenza dei meccanismi che permettono la sopravvivenza in atmosfera Estendere i risultati ottenuti per la Terra ad altri corpi planetari, come Marte, Giove, Europa, Titano Prospettive