GEOLOGICAL CHARACTERISATION AND SURFACE SPECTROSCOPY OF MARS DRAINAGE NETWORKS

Uno dei principali campi di ricerca riguardanti Marte è lo studio degli antichi processi idrologici avvenuti sulla sua superficie: se in passato vi sono state condizioni atmosferiche che hanno permesso all'acqua di essere allo stato liquido sulla superficie, si ritiene che queste possano aver favorito una chimica prebiotica Marziana, se non addirittura aver permesso la vita stessa (Ori et al., 2000). Oggigiorno, a seguito di fenomeni di metamorfismo, subduzione, vulcanismo ed erosione, la maggior parte dei fenomeni geologici avvenuti sulla crosta Terrestre nei primi miliardi di anni dalla formazione del pianeta risultano per lo più nascosti o cancellati. Nell'emisfero meridionale Marziano, al contrario, si sono preservate prove evidenti dei processi geologici attivi nel primo miliardo di anni (Milton, 1973; Schultz et al., 1973; Pieri, 1976, 1980; Carr et al., 1981). In queste zone è infatti possibile identificare antiche tracce di laghi, alvei fluviali, ed estuari. L'aspetto più controverso che riguarda gli antichi alvei fluviali Marziani è l'origine dell'acqua che li alimentava. Nelle prime pubblicazioni scientifiche a riguardo, le frequenti morfologie a teatro dalle quali questi corsi d’acqua sembrano originarsi vengono comparate ai fenomeni erosivi simili formatisi a seguito di risorgive nel sud-ovest degli Stati Uniti e nelle Hawaii. Nei lavori di Pieri (1980) e di Pieri (1981), la caratteristica morfologica più evidente delle valli è la presenza di pareti ripide e scoscese situate alle sorgenti dei più piccoli alvei fluviali. In questi primi lavori, non fu osservata alcuna evidenza morfologica che suggerisse un'origine pluviale per queste antiche reti fluviali. Le caratteristiche topologiche di queste reti di drenaggio indicavano raffioramenti superficiali d'acqua infiltrata nel sottosuolo e la successiva formazione di un corso d'acqua. Sulla base di questi primi studi, risultò che le reti dendritiche di origine pluviale, prevalenti sulla Terra, fossero del tutto assenti su Marte. Sebbene tale conclusione rimanesse comunque incerta a causa della scarsa risoluzione delle immagini ottenute dalle sonde spaziali Mariner 9 e Viking (pari a 100-200 m), l'ipotesi che le acquee sotterranee potessero essere la causa della formazione del reticolo fluviale su Marte ottenne ampio consenso da parte della comunità scientifica internazionale (Carr, 1995). D’altro canto, per poter incidere un alveo fluviale tramite deflusso superficiale di origine pluviale, Marte avrebbe dovuto avere una spessa e calda atmosfera in grado di supportare intense precipitazioni (Hynek et al., 2003; Masson et al., 2004). Tramite l’analisi di nuove immagini ad alta risoluzione, THEMIS e HRSC, Masson et al. (2004) riuscì a dimostrare la presenza di valli densamente ramificate e parzialmente sepolte nella regione occidentale di Echus plateau. L'identificazione di una tale ramificazione dendritica, simile a quella Terrestre, con principi di canalizzazione localizzati a differenti quote, fu una nuove prova che Marte, in passato, potesse essere stato caratterizzato da precipitazioni intense. Successivamente, grazie all'analisi dei dati THEMIS ed HRSC, è stata possibile l'individuazione di nuove reti idrologiche fortemente dendritiche, confutando la consolidata ipotesi secondo la quale le antiche reti fluviali Marziane fossero poco dendritiche rispetto a quelle Terrestri. Secondo Mangold et al. (2004), un alto grado di ramificazione identificato nelle valli Marziane suggerisce un'origine di tipo pluviale. Inoltre, la presenza di alvei interni e la maturità di queste reti ramificate potrebbe indicare che, sulla superficie del pianeta, in passato, vi potesse essere un clima relativamente caldo con acqua liquida che scorreva superficialmente per periodi geologicamente lunghi. In seguito ai precedenti lavori, Ansan et al. (2008), grazie all'utilizzo dei modelli digitali del terreno MOLA e HRSC, la cui risoluzione va dai 460 m fino alla decina di metri, formularono diversi ipotesi per la formazione delle valli identificate nelle regioni fortemente craterizzate situate nell'emisfero meridionale di Marte. Secondo questi studi, una combinazione di deflusso superficiale ed affioramento di acque sotterranee può essere stata l'origine della formazione di queste reti dendritiche. Come si può evincere da questo breve excursus scientifico, il controverso aspetto riguardante la fonte d’acqua delle reti fluviali Marziane non è ancora stato univocamente identificato. Un modo per poter indagare i processi responsabili dell'incisione delle reti fluviali Marziane, può essere eseguito attraverso molteplici confronti tra gli alvei fluviali Terrestri e Marziani (Mangold et al., 2004; Ansan et al., 2008; Som et al., 2009; Penido et al., 2013). Vi sono diversi parametri geomorfologici che permettono lo studio di una rete idrografica: uno di questi è la densità di drenaggio (definita come il rapporto tra la lunghezza totale delle aste fluviali caratterizzanti un reticolo idrografico e l'area totale del bacino di drenaggio in esame); oppure l'ordine di Strahler o di Shreve della rete idrografica (Horton, 1945; Strahler, 1952; Schumm, 1956; Shreve, 1966). Il calcolo di tutti i parametri geomorfologici dipende fortemente dalla risoluzione dei dati disponibili e dalla disponibilità di coppie stereo (Ansan et al., 2008; Hoke et al., 2009; Tanaka et al., 2009), infatti la risoluzione delle immagini e del modello 3D del terreno che se ne deriva, può sfavorire sia la possibilità di riconoscere piccole valli dendritiche, indispensabili per il calcolo dell'ordine di Strahler e Shreve, che il calcolo corretto della lunghezza 3D della rete di alvei fluviali, la quale ha un forte impatto sul calcolo del parametro di densità di drenaggio. Risulta pertanto evidente come l’utilizzo di modelli digitali del terreno ad alta risoluzione sia di fondamentale importanza per la comprensione dei sistemi fluviali Marziani. Attualmente, il DEM MOLA copre larghe porzioni della superficie di Marte ad una risoluzione di 460 m (Zuber et al., 1992; Luo et al., 2009). Tale DEM può essere efficacemente utilizzato per eseguire studi idrologici su ampia scala. Infatti, seppur esistono DEM con risoluzione più spinta (ad esempio il DEM HRCS ha una risoluzione superiore al centinaio di metri), tuttavia questi coprono solamente una piccola percentuale della superficie del pianeta. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di creare un database dettagliato composto da diverse centinaia di alvei fluviali, individuati nella regione equatoriale della dicotomia Marziana. Nel lavoro vengono ricavati molteplici parametri idrologici come la lunghezza 3D, l'area di drenaggio 3D, la densità di drenaggio, l'ordine di Strahler ed il rapporto di biforcazione RB secondo la legge di Horton 1945. Per ogni ordine di Strahler è stata calcolata la lunghezza media del ramo fluviale e, tramite la legge di Horton, il rapporto delle lunghezze RL. Viene inoltre calcolato l’ordine di Shreve. Per ciascuna rete fluviale vengono forniti i valori della quota minima, massima e di pendenza. Particolare attenzione viene rivolta al calcolo della pendenza di ogni singola area di drenaggio. Sulle base di queste quantità, sono stati quindi eseguiti confronti tra l'area di drenaggio e la pendenza del terreno, la lunghezza globale del reticolo fluviale e la pendenza del letto del fiume, la densità di drenaggio e la pendenza del terreno, gli ordini di Strahler e Shreve con le pendenze del terreno. Successivamente sono state compiute attente valutazioni sulle passate condizioni climatiche di Marte, al momento in cui tali reti di alvei fluviali incidevano la superficie. Queste analisi hanno permesso di fornire originali indicazioni riguardo al deflusso superficiale fluviale, alla possibile precipitazione che interessava il pianeta e alla distribuzione dell'altitudine dei delta fluviali. Vengono inoltre presentate considerazioni su una possibile antica linea di costa oceanica in corrispondenza della scarpata che separa la regione meridionale Marziana e le pianure settentrionali. In seguito alle sopracitate analisi, il lavoro si è concentrato sull'individuazione di antichi laghi sulla superficie del pianeta, la loro possibile relazione con un sistema idrologico regionale (Mangold et al., 2006; Schon et al., 2012) e la determinazione dei parametri lacustri che li caratterizzano. Quello dei laghi primitivi è un altro importante tema riguardante la paleoidrologia Marziana. Infatti, la loro presenza è un ulteriore indicazione della presenza stabile di antiche elevate masse d'acqua sulla superficie del pianeta (Matsubara et al., 2011). Sistemi idrologici in grado di sostenere il riempimento dei laghi, introdotti nel contesto più ampio della paleoidrologia Marziana, indicano inequivocabilmente che la fase iniziale della storia evolutiva del pianeta fosse caratterizzata dalla presenza di acqua liquida superficiale. Nel presente lavoro di tesi viene presentato un confronto tra molteplici paleolaghi Marziani e Terrestri, presentando un nuovo approccio riguardante lo spessore di sedimenti stratificati sugli antichi fondali e stimando il grado di maturità relativo di questi sedimenti. Conclude la tesi un'analisi ed un interpretazione mineralogica della superficie Marziana effettuata attraverso dati spettrali CRISM. In particolare, tramite l’informazione multispettrale da 0.35 a 4 micron, sono state identificate diverse componenti mineralogiche presenti nei letti degli antichi fiumi, nei fondali dei laghi ed i loro affluenti ed emissari.