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

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Le micrometeoriti dallo spazio interplanetario alla vita sulla Terra

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Presentation Transcript


Le micrometeoriti dallo spazio interplanetario alla vita sulla terra

Le micrometeoriti dallo spazio interplanetario alla vita sulla Terra

Giacomo Briani

22 Febbraio 2005


Indice

……………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


I meteoroidi a 1 ua dal sole

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)


I meteoroidi a 1 ua dal sole1

…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


Il flusso di meteoroidi sulla terra

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


Mm studiate sulla terra

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


Composizione strutturale dall analisi delle amm

MM fuse –cosmis spherules

trasformate in sferule dal passaggio in atmosfera (20%)

Composizionestrutturale dall’analisi delle AMM


Composizione strutturale

…Composizionestrutturale…

MM non fuse

(a) fine-grained hydrous MM composte da milioni digrani individuali (35%); (b) coarse-grained crystalline anhydrous MM composte di alcuni singoli cristalli di olivina e pirosseno (10%)


Composizione strutturale1

…Composizionestrutturale

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


Composizione e mineralogia delle amm

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


Composizione e mineralogia delle amm1

…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


Composizione e mineralogia delle amm2

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


Interazione con l atmosfera un modello

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


Interazione con l atmosfera un modello1

…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


Un altro modello

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


Mm e atmosfera i dati sperimentali

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


Mm e atmosfera i dati sperimentali1

…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)


Mm e atmosfera i dati sperimentali2

…MM e atmosfera: i dati sperimentali

Problemi:

  • gradienti termici interni

  • shock idrodinamici

  • contaminazione atmosferica

  • atmospheric residence + terrestrial residence


Simulazioni in laboratorio

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


L origine delle mm

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]


Mm e origine della vita sulla terra

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)


Mm e origine della vita sulla terra1

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…


Mm e origine della vita sulla terra2

…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


Riassunto

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


Prospettive

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


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