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Tommaso Pivetta

Gravimetria satellitare per l’esplorazione dei pianeti

Corso di Dottorato in in Scienze della Terra, Fluidodinamica, Matematica. Interazioni e metodiche

Conoscere la struttura e le proprietà fisiche interne dei pianeti è fondamentale per comprenderne l’evoluzione nel tempo, ipotizzare la presenza passata o presente di vita e pianificarne al meglio un’eventuale esplorazione futura. Solitamente i primi dati a disposizione degli studi planetari sono frutto di osservazioni da remoto, spesso dalla Terra, o da missioni satellitari dedicate come il Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) che ha permesso di mappare in gran dettaglio la topografia della superficie marziana. Oltre alla topografia un altro dato facilmente ottenibile da remoto è il campo di gravità, che non è uniforme e le cui variazioni spaziali possono essere calcolate misurando le perturbazioni indotte dal pianeta sull’orbita di satelliti, sia naturali che artificiali. Le variazioni spaziali di gravità, o meglio anomalie di gravità, offrono informazioni sulla distribuzione della densità all'interno del pianeta e, assieme alla topografia, aiutano a rilevare la presenza di strutture geologiche che testimoniano attività geodinamiche passate e/o presenti.

Figura 1: A) Scatter plot di pendenza e intercetta della regressione (Rosso: oceano; Nero: margine). Le aree colorate indicano le funzioni di verosimiglianza usate per classificare i punti. B) Classificazione dei pixels nell’Altantico; le linee spesse delimitano le aree usate per stimare le funzioni di verosimiglianza.

Nel caso della Terra l'analisi congiunta di topografia/batimetria e gravità ha consentito di investigare gli spessori di crosta e mantello, studiare le proprietà meccaniche della litosfera e ha contribuito a individuare la presenza di disomogeneità crostali dovute alla presenza di bacini sedimentari o zone vulcaniche. Gli studi classici che impiegano gravità e topografia per l'esplorazione del sottosuolo fanno largo uso della modellistica che richiede tuttavia molti vincoli per rendere univoca l'interpretazione delle anomalie osservate. Per molte zone sulla Terra e per gran parte degli altri pianeti questi vincoli sono scarsi o del tutto assenti.

Al fine di ottenere indizi sulle principali strutture geologiche presenti in un pianeta abbiamo sviluppato e testato un semplice metodo statistico per analizzare la correlazione tra campi di topografia e gravità. Il metodo suddivide la superficie planetaria in diverse finestre entro cui viene calcolata, tramite regressione, una relazione lineare tra i dati topografia e i corrispondenti valori di gravità. I parametri che si ottengono dalla regressione (pendenza e intercetta), e la loro distribuzione spaziale sono ricchi di informazioni: per darne un’interpretazione corretta abbiamo condotto prima dei test su dati sintetici controllati, simulando contesti geodinamici realistici. Successivamente abbiamo applicato il metodo ai dati di gravità e topografia osservati da satellite nell'area del Sud America e dell’Oceano Atlantico. Abbiamo riscontrato che la distribuzione spaziale dei coefficienti di regressione è deterministica e può essere utile per classificare aree con struttura crostale simile. In Figura 1a mostriamo due clusters (punti rossi e neri) nella distribuzione dei coefficienti di regressione corrispondenti al margine continentale e alla crosta oceanica. I limiti delle aree sono riportati in Figura 1b con le linee continue rosse e nere; a ciascun punto di questa mappa corrisponde una coppia di parametri di regressione. A partire da questi due cluster abbiamo effettuato quindi una classificazione automatica di tutti i restanti punti della mappa che risulta coerente con altri studi indipendenti.

Figura 2: : A) Topografia di Marte; B) anomalia di gravità di Bouguer; C) distribuzione spaziale della pendenza della retta di regressione tra topografia e anomalia di Bouguer; D) superficie marziana indisturbata secondo la nostra classificazione

Abbiamo quindi applicato il metodo per lo studio della struttura interna marziana: le figure 2a-2b mostrano la topografia e una carta delle variazioni di gravità (in particolare la carta delle Anomalie di Bouguer) mentre la figura 2c illustra la distribuzione spaziale del coefficiente lineare delle rette di regressione. Osserviamo come vengono ben delineate alcune zone caratterizzate da intensa attività vulcanica (Tharsis region) che includono il monte Olympus, il secondo edificio vulcanico più alto nel sistema solare. La Figura 2d mostra infine una classificazione dei terreni marziani, effettuata in maniera analoga a quanto fatto con i dati terrestri, che pare identificare zone a minore attività vulcanica rispetto alla Tharsis region. Con questo studio abbiamo presentato un nuovo metodo semplice e veloce computazionalmente per l’individuazione e la caratterizzazione delle strutture geologiche nel sottosuolo. Richiedendo pochi dati l'analisi è ideale per l'esplorazione sia di regioni terrestri che di altri pianeti dove i vincoli per modellare il campo di gravità sono scarsi o insufficienti.

Autori ed affiliazioni

Tommaso Pivetta¹, Carla Braitenberg¹

Contatto

Tommaso Pivetta, email: tpivetta@units.it

Riferimento bibliografico

T. Pivetta, C. Braitenberg
Sensitivity of gravity and topography regressions to Earth and planetary structures
Tectonophysics 774, 228299 (2020)
DOI: 10.1016/j.tecto.2019.228299