Questa mappa magnetica della Luna, basata sui dati raccolti dai moduli orbitali di Apollo 15e Apollo 16, raffigura campi che hanno origine da strati magnetizzati della crosta. Secondol'ipotesi dell'autore, gli strati furono magnetizzati fra 3,6 e 4,2 miliardi di anni fa da un campogenerato all'interno della Luna. L'immagine elaborata al calcolatore mostra la componenteradiale (verticale) della magnetizzazione. Le aree in verde, giallo e rosso indicano regioni in cuiil campo punta dalla superficie verso l'esterno; il rosso indica il campo più intenso (circa 0,5

nanotesla, pari a I/100 000 del campo alla superficie della Terra). I co-lori viola e rosso ciclamino indicano le regioni in cui il campo è orientatoverso il centro della Luna; il rosso ciclamino indica il campo più intenso(anche qui circa 0,5 nanotesla). Le formazioni geologiche indicate (lineebianche) sono mari lunari. Al centro in alto è il Mare Imbrium, asinistra discende verso il basso l'Oceanus Procellarum e al centro in

basso si ossen ano il Mare Humorum ( a sinistra) e il Mare Nubium (alcentro). Più a destra, allineati in diagonale, si osservano il Mare Sere-nitatis (in alto), il Mare Tranquillitatis (al centro) e il Mare Fecundita-tis (in basso). All'estrema destra è il Mare Crisium. L'immagine è sta-ta ottenuta da Christopher T. Russell dell'Università della Californiaa Los Angeles e da Laurence A. Soderblom dello US Geological Survey.

A

ll'epoca della discesa di Apollo 11sul suolo lunare, nel luglio1969, si riteneva comunemen-

te che la Luna fosse un corpo morto. Erastato accertato che la sua morfologia su-perficiale è in gran parte il risultato diprocessi esterni e non , come nel caso del-la Terra, di attività endogena. Per esem-pio, era stato dimostrato che la grandemaggioranza dei crateri lunari è dovutanon a fenomeni vulcanici - come avevasupposto Galileo e dopo di lui la maggiorparte dei geologi - bensì a un bombarda-mento da parte di meteoriti continuatoper miliardi di anni. Sulla Luna non si èmai verificato alcun fenomeno implican-te grandi spostamenti crostali (come laderiva dei continenti che ha luogo sullaTerra). Si pensava che la Luna non pos-sedesse un nucleo di ferro, perché la suadensità media è molto vicina a quella deisilicati di ferro e magnesio che costitui-scono la parte superiore del mantelloterrestre.

Senza dubbio, in base a considerazio-ni teoriche, sembrava ci si dovesse atten-dere una Luna «intrinsecamente mor-ta»: un corpo così piccolo doveva avereperso il suo calore interno più rapida-mente della Terra, essendo il suo rap-porto superficie/volume molto maggioredi quello terrestre. Non stupiva perciòche la Luna non presentasse né un cam-po magnetico, né una tettonica delle zol-le, anche se nella Terra, che presumibil-mente si formò nella stessa epoca, vi èancora energia termica più che sufficien-te a sostenere i movimenti del nucleofuso che producono il campo magneticoe a generare il flusso molto più lento delmantello (lo strato viscoso compreso frail nucleo e la litosfera) che muove le zollecrostali. Il modello della Luna come cor-po indifferenziato, internamente inerte,sembrava essere stato confermato nelsettembre 1959, quando la sonda sovie-tica Luna 2 dimostrò che il nostro satel-lite non possedeva un campo magneticorilevabile.

Un attento esame dei campioni lunari

un'intensità quasi doppia di quella delcampo magnetico terrestre attuale.

Sembra che in momenti diversi nellastoria della Luna il campo magnetico siastato diversamente orientato rispetto al-la crosta. I miei collaboratori e io abbia-mo calcolato le varie intensità e direzionidell'antico magnetismo lunare; i risultaticomportano implicazioni sorprendentiper quanto riguarda la natura della Lunastessa e la storia del sistema Terra-Luna.Per esempio, sembra che il nostro satel-lite nel suo complesso abbia subito varispostamenti rispetto al proprio asse dirotazione. Quest'ultimo ha conservatola sua orientazione e la sua posizione nel-lo spazio, ma la Luna stessa è ruotata inmodo tale che regioni che un tempo sitrovavano ai poli (ossia là dove l'asse dirotazione interseca la superficie) sonooggi più vicine all'equatore. Un processodi questo genere è noto come migrazio-ne dei poli, poiché dal punto di vista del-la superficie sembra che siano i poli adaver cambiato posizione.

Questo risultato, insieme a un'analisidella forma e della posizione di alcunigrandi crateri, ha condotto all'ipotesiforse più sensazionale: che il sistemaTerra-Luna comprendesse un tempo va-ri altri corpi di grandi dimensioni, tuttiorbitanti intorno alla Luna. A mano a

mano che le loro orbite tendevano a re-stringersi, questi oggetti si spezzavanoe ciascuno di loro finì col lasciare unascia di punti di impatto in prossimitàdi quello che era allora l'equatore luna-re. Furono in effetti tali impatti a causa-re, con ogni probabilità, le migrazionidei poli.

ueste ipotesi rivoluzionarie si svilup-parono da inizi modesti. Nel 1965,

quando furono programmati i primi e-sperimenti da condurre sui campioni lu-nari che sarebbero stati portati a terradalle missioni Apollo, nessuno pensò diindagare sulla magnetizzazione intrinse-ca di quelle rocce. Si era in realtà previ-sto di misurare proprietà come la suscet-tività magnetica, ma i risultati dovevanoessere usati, unitamente ad altri dati pe-trologici, principalmente per valutare lacomposizione minerale dei campioni.Nel 1969, però, David W. CollinsonAlan Stephenson e io, all'Università diNewcastle upon Tyne, misurammo lamagnetizzazione di alcuni campioni, co-me avevamo fatto molto spesso nellerocce terrestri. Trovammo che le lave equelle brecce (frammenti di roccia a spi-goli vivi saldatisi in seguito a impatti) cheerano state sottoposte a temperatureelevatissime durante la loro formazione

erano magnetizzate. In molti casi la ma-gnetizzazione era tale che non poteva es-sere stata acquisita dopo la loro asporta-zione dalla Luna, a causa dell'esposizio-ne al campo magnetico terrestre o a unforte campo di laboratorio.

Sulla Terra le lave acquisiscono unamagnetizzazione dopo essersi solidifica-te, raffreddandosi al di sotto di una certatemperatura in presenza del campo ma-gnetico terrestre. (La temperatura criti-ca viene detta temperatura di Curie evaria da un materiale all'altro; per esem-pio, nel caso della magnetite è di 580gradi Celsius e in quello del ferro di 780gradi Celsius). Direzione e intensità delcampo magnetico terrestre vengono intal modo «congelati» nella roccia sottoforma di magnetismo fossile. Esatta-mente come un organismo fossile conte-nuto in una roccia fornisce indicazioniriguardanti l'ambiente biologico con-temporaneo alla formazione della roc-cia, così anche il magnetismo fossile for-nisce prove concernenti il campo magne-tico terrestre all'epoca del raffredda-mento della roccia. Il nostro gruppo aNewcastle e ricercatori attivi in altrilaboratori (particolarmente David W.Strangway dell'Università di Toronto eMichael D. Fuller, ora all'Universitàdella California a Santa Barbara) con-

Il paleomagnetismo lunareLa Luna, che è attualmente un corpo «morto», sembra aver posseduto inpassato un campo magnetico che si sarebbe più volte spostato rispettoall'asse di rotazione per effetto di collisioni con piccoli satelliti lunari

di S. K. Runcorn

portati sulla Terra dalle missioni Apollocominciò però a rivelare una storia di-versa. Alcuni campioni erano magnetiz-zati e questo implicava che all'epocadella loro formazione fossero stati espo-sti a campi magnetici. Le sonde lunaricominciarono inoltre a rilevare la pre-senza sulla Luna di anomalie magneti-che, regioni di campi magnetici che sem-

bravano avere origine da formazioni roc-ciose. L'analisi di queste scoperte com-piuta dai miei colleghi e da me, oltreche da altri gruppi di ricerca, suggerìun'ipotesi sorprendente: che la Luna ab-bia avuto in passato un proprio campomagnetico e che esso fosse considerevol-mente intenso. Infatti, un tempo, talecampo magnetico potrebbe aver avuto

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O

—*-I I I I I I

3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4TEMPO (MILIARDI DI ANNI FA)

3,3 3,2 3,1 3,04,0

Questi modelli dell'andamento della convezione illustrano una vecchiaargomentazione a sostegno dell'ipotesi che la Luna abbia un nucleo diferro. È noto che la Luna ha un rigonfiamento equatoriale molte voltepiù grande di quello che sarebbe causato dalle forze centrifughe dovutealla sua rotazione. L'autore suggerì nel 1962 che il rigonfiamento equa-toriale della Luna potrebbe essere causato da un processo noto comeconvezione a due celle (a sinistra), un tipo di circolazione in cui mate-riale caldissimo sale in due colonne verso la superficie lunare, dove siraffredda e ridiscende in due colonne verso il centro della Luna. (Il

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L'intensità del presunto campo magnetico lunare sembra essere andatadiminuendo nel corso del tempo, come dovrebbe avvenire nel caso cheil campo fosse stato generato da movimenti in un nucleo di ferro fusoche si andava raffreddando lentamente. I dati ottenuti si riferiscono allamagnetizzazione riscontrata in campioni di rocce lunari la cui età è statadeterminata con metodi di datazione basati sulla radioattività. Se sisuppone che i campioni siano stati magnetizzati perché si raffreddaronoin presenza del campo magnetico della Luna all'epoca della loro for-

elusero ben presto che le rocce lunariavevano probabilmente acquisito il loromagnetismo in modo simile: raffreddan-dosi al di sotto della loro temperatura diCurie in presenza di un campo magneti-co. Ma quale campo magnetico? Questadomanda divenne ben presto uno fra iproblemi più avvincenti e aspramente di-battuti nell'ambito delle ricerche sullaLuna.

Eravamo inclini a rispondere alla do-manda affermando che la Luna ha in ef-fetti un piccolo nucleo di ferro, nel qualepotrebbe essersi generato un campo ma-gnetico durante il periodo di estrusionedelle lave (fra 3,2 e 3,6 miliardi di annifa, secondo la datazione dei campionibasata sulla radioattività). Per poter ge-nerare un campo magnetico, a quel tem-po il nucleo doveva essere fuso. Il nucleofuso doveva essere soggetto a convezio-ne: un tipo di circolazione in cui colonnedi materiale caldissimo salgono alla su-perficie del nucleo, dove si raffreddanoper riaffondare poi in una colonna piùfredda e più densa. Il ferro fuso circolan-te dovrebbe aver svolto l'azione di unadinamo, generando un campo di dipolomolto simile a quello attuale della Terra.Sappiamo che anche altri pianeti (Mer-curio, Giove, Saturno e Urano) hannocampi probabilmente generati da nucleifluidi, conduttori di elettricità.

Di fatto, la proposta che la Luna possaavere un nucleo di ferro risale al

1962, epoca in cui tentavo di determina-re quali modificazioni dovessero essereapportate ai modelli generalmente ac-cettati dell'interno della Terra per tenerconto della deriva dei continenti. Si sa-peva che la Terra ha un nucleo di 3500chilometri di raggio, circondato da unmantello spesso 2900 chilometri, com-posto da silicati di ferro e magnesio, e dauna litosfera, costituita anch'essa da sili-cati, con uno spessore variabile tra i 50e i 100 chilometri. I sismologi avevanodimostrato, analizzando le vibrazionidella Terra durante e dopo i terremoti,che sia il mantello sia la litosfera sonosolidi, mentre il nucleo è fluido. Per spie-gare come le sezioni indipendenti dellalitosfera che costituiscono le zolle conti-nentali potessero muoversi, si dovevaperò postulare che il mantello sottostan-te alle zolle fosse in grado di scorrere,trasportando con sé le zolle stesse.

Per fortuna il campo della fisica dellostato solido, che allora stava sviluppan-dosi rapidamente, offrì un meccanismoin grado di spiegare l'esistenza di unoscorrimento nel mantello. Il meccani-smo, noto come scorrimento viscoso allostato solido, implica la lenta deformazio-ne di un oggetto solido come risultato dipiccole sollecitazioni che agiscono perlunghi periodi di tempo. Un esempio discorrimento di questo tipo può essere os-servato nei motori di un aereo, in cui lepalette metalliche, sotto l'influenza dellaforza centrifuga, possono lentamente di-stendersi e deformarsi - in realtà scorren-

do, come melassa altamente viscosa eadesiva - durante la rotazione. Lo scor-rimento viscoso allo stato solido diventaimportante al di sopra di una certa tem-peratura critica, che nella Terra vieneraggiunta al confine che divide il mantel-lo caldo dalla litosfera fredda.

Proposi che la forza propulsiva delloscorrimento allo stato solido del mantel-lo terrestre fosse la convezione. In altritermini, avanzai l'ipotesi che, traspor-tando calore dalla superficie del nucleoalla litosfera, lo stesso mantello «solido»scorra in un tipo di circolazione estrema-mente lento. La lenta circolazione delmantello determina, a sua volta, i movi-menti orizzontali delle zolle che furonoriconosciuti per la prima volta 75 annifa da Alfred Wegener, quando formulòla sua famosa teoria della deriva deicontinenti.

Suggerii allora che, se la Luna avesseun nucleo di ferro, una convezione allostato solido di tipo analogo avrebbe po-tuto gettar luce su un mistero irrisolto da300 anni riguardo alle forze che gover-nano la geometria dell'orbita lunare. Nel1693 Gian Domenico Cassini, il primodirettore dell'Osservatorio di Parigi, for-mulò un gruppo di tre leggi che descri-vono la rotazione della Luna. Secondouna di queste leggi, la Luna si comportaper taluni aspetti come un giroscopio lie-vemente inclinato: il suo asse di rotazio-ne presenta un movimento regolare diprecessione (un moto conico). Un seco-lo dopo, Pierre-Simon de Laplace dimo-strò che questa legge poteva essere vali-da solo se la Luna avesse avuto un gran-de rigonfiamento equatoriale su cui laTerra potesse esercitare la sua forza diattrazione, fornendo così la coppia giro-scopica necessaria. Laplace dimostròche tale rigonfiamento avrebbe dovutoessere circa 17 volte maggiore di quel-lo risultante dalla sola forza centrifu-ga dovuta alla rotazione della Luna. Nelcorso dell'Ottocento la presenza di unrigonfiamento equatoriale lunare fu con-fermata e le sue dimensioni vennero mi-surate per mezzo di telescopi che ope-ravano sulla base del principio dellostereoscopio.

Quale può essere stata la causa diquesto rigonfiamento? Laplace supposeche, quando la Luna si raffreddò inizial-mente a partire dallo stato fuso, potes-sero essersi sviluppate varie deformazio-ni e che la forma da esse risultante si siaconservata dopo la solidificazione. In se-guito Sir Harold Jeffreys suggerì che ladeformazione potesse essere stata causa-ta dall'azione di marea della Terra. Se-condo questa spiegazione, il rigonfia-mento equatoriale della Luna dovrebbeessersi stabilizzato quando la Luna si tro-vava al 40 per cento circa della sua di-stanza attuale dalla Terra.

Sia Laplace sia Jeffreys supposero chela rigidità della Luna avesse contribuitoa conservare fino a oggi una deformazio-ne avvenuta in epoca molto antica. Mase nella Luna si fosse verificato uno scor-

rimento allo stato solido a velocità paria un bilionesimo di quella che misuriamonei materiali di laboratorio a temperatu-re modeste, tale rigonfiamento primor-diale sarebbe scomparso molto tempofa. Avanzai perciò l'ipotesi che il rigon-fiamento venga ancor oggi conservatodinamicamente.

La mia ipotesi prevedeva che all'inter-no della Luna stia avvenendo una lentaconvezione allo stato solido. Un deter-minato tipo di convezione, detto conve-zione a due celle, potrebbe in effetti pro-durre un rigonfiamento analogo. Nelleregioni in cui vi è risalita di materiale, laLuna subirebbe una deformazione versol'esterno, mentre laddove il materiale èin fase di discesa vi sarebbe ritiro versol'interno (si veda l'illustrazione nella pa-gina a fronte, in alto). Se il materiale inrisalita si trovasse lungo l'asse Terra-Lu-na e il materiale in discesa fosse al disotto del bordo, la forma risultante - si-mile a quella di un pallone da footballamericano, con l'asse maggiore in dire-zione della Terra - assomiglierebbe aquella effettivamente osservata. (Misu-razioni eseguite da astronauti delle mis-sioni Apollo all'interno di fori di sondedimostrarono che nella Luna la tempe-ratura aumenta al crescere della profon-dità, probabilmente in conseguenza deldecadimento di elementi radioattivi eche quindi la Luna possiede calore inter-no sufficiente per fornire energia allaconvezione.)

Perché in un corpo possa verificarsi unandamento convettivo a due celle, il cor-po deve avere un nucleo denso che nonprenda parte alla convezione. Nel casodella Luna ho calcolato che il nucleo do-vrebbe avere un raggio compreso fra 300e 500 chilometri. Il nucleo dovrebbe es-sere formato da materiale denso, e l'ele-mento di elevata densità più comune è ilferro. Per questa e per altre ragioni geo-fisiche, ho formulato l'ipotesi che il nu-cleo della Luna, come quello della Ter-ra, sia composto da ferro. Perciò, quan-do le missioni Apollo portarono sullaTerra campioni di rocce lunari magne-tizzate, parve ragionevole supporre chetale nucleo di ferro, quando era allo sta-to fuso, possa essere stato la fonte del-l'antico campo magnetico lunare chemagnetizzò le rocce.

Pi campioni di rocce lunari

k portati sulla Terra erano pezzi di la-va che erano stati staccati dal substratoroccioso a causa dell'impatto di meteo-riti e giacevano sparsi sulla superficie;non si conosceva quale fosse stata la loroorientazione originaria ed era quindi im-possibile determinare le direzioni in cuitali rocce giacevano quando erano statemagnetizzate o la direzione del campoche le aveva magnetizzate. Si iniziò in-vece a studiare un problema più com-plesso, quello di determinare l'intensi-tà del campo responsabile della loromagnetizzazione.

Il metodo per determinare l'intensità

materiale in movimento è in realtà il mantello solido della Luna - laregione compresa fra la litosfera, lo strato esterno rigido, e il presuntonucleo - e scorre in virtù di un lento processo noto come scorrimentoviscoso allo stato solido.) Il rigonfiamento equatoriale è causato dallapressione verso l'alto originata dalle colonne ascendenti di materialecaldo. Se la Luna non possedesse un nucleo denso (a destra), l'anda-mento convettivo a due celle non sarebbe possibile. In tal caso potrebbeaver luogo la convezione a una cella - una colonna ascendente e unacolonna discendente -. ma essa non produrrebbe alcun rigonfiamento.

mazione, il grado di magnetizzazione di ciascun campione dovrebbeindicare l'intensità del campo che lo magnetizzò, e quindi anche l'in-tensità del campo lunare in quel momento. 1 cerchietti vuoti indicanodati che si basano su metodi relativamente imprecisi per la determina-zione di antiche intensità del campo magnetico, mentre i cerchietti pieniindicano dati ottenuti con metodi più precisi. Il brusco aumento d'in-tensità prima di 3,95 miliardi di anni fa, suggerito da dati relativamenteincerti, non trova alcuna spiegazione alla luce delle conoscenze attuali.

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1 2

1 2

CAMPO"—ESTERNO

CAMPODELLA DINAMO

Un semplice ragionamento permette di spiegare l'osservazione che il campo totale dovuto allearee magnetizzate della crosta lunare non assomiglia a un campo di dipolo (un campo simile aquello generato da un magnete a barra). Se la crosta della Luna fosse stata magnetizzata da uncampo esterno come quello della Terra (in alto, 1), la magnetizzazione della crosta risulterebbeuniforme. Dopo la scomparsa del campo esterno (in alto, 2), la crosta avrebbe generato un piccolocampo di dipolo proprio. Se, d'altra parte, la crosta fosse stata magnetizzata da una dinamointerna nel nucleo (in basso, l), la direzione e l'intensità della magnetizzazione della crostarisultebbero diverse da un luogo all'altro. Una volta cessata l'azione della dinamo (in basso, 2),la magnetizzazione della crosta non avrebbe dato origine ad alcun campo di dipolo esternogenerale. Perciò il fatto che il campo dovuto alla crosta magnetizzata non sia un campo di dipo-lo avvalora l'ipotesi dell'autore che la crosta sia stata magnetizzata da una dinamo interna.

ASSE DI ROTAZIONE -,1ATTUALE

ANTICOPOLO MAGNETICO

ANOMALIA

L'orientazione dell'antico campo magnetico della Luna può essere dedotta dalla magnetizzazionedi un'anomalia magnetica (una regione magnetizzata della crosta). Se si conosce la direzionedella magnetizzazione dell'anomalia (in colore), e si suppone che l'anomalia sia stata magne-tizzata in origine da un campo di dipolo, si può ricostruire il campo che era presente quan-do l'anomalia fu magnetizzata (curve in nero) e trovare dove fossero allora i poli magnetici.

originaria del campo è in linea di princi-pio molto semplice: si tratta di magne-tizzare un campione con un campo ge-nerato in laboratorio, e di supporre cheil rapporto fra il campo applicato in la-boratorio e la magnetizzazione risultan-te sia grosso modo uguale a quello fra ilcampo magnetico primordiale della Lu-na e la magnetizzazione originaria dellaroccia quando fu rinvenuta sulla super-ficie lunare.

In pratica, il lavoro comporta grandidifficoltà. Esistono tre tecniche genera-li mediante le quali esso può venire ese-guito. La tecnica più semplice consistenel riscaldare un campione al di sopradella sua temperatura di Curie e nelraffreddarlo successivamente in presen-za di un campo magnetico. Questo me-todo permette di simulare con ragione-vole accuratezza le condizioni in cui haavuto luogo la magnetizzazione origina-ria, ma si tratta di una tecnica invasivache può modificare il chimismo dellaroccia.

Utilizzando una seconda tecnica unpo' meno invasiva (sviluppata soprattut-to nel nostro laboratorio da Stephen-son), il campione viene esposto a un in-tenso campo magnetico di polarità alter-nata e a un debole campo magnetico co-stante. L'intenso campo alternato pro-duce agitazione nella struttura magneti-ca della roccia con effetto molto simile aquello causato dal riscaldamento, ren-dendo la roccia suscettibile di magnetiz-zazione da parte del debole campo co-stante. La magnetizzazione risultantepuò poi essere confrontata con quellaoriginaria del campione per determinareil rapporto fra il debole campo misuratoin laboratorio e il campo originario dellaLuna.

Nella terza tecnica (che è stata svilup-pata da Stan Cisowski e dal già citatoMichael D. Fuller a Santa Barbara), an-cor meno invasiva, si utilizza un campomagnetico costante estremamente in-tenso, senza riscaldare la roccia e senzaapplicare un campo magnetico alterna-

to. L'intento è quello di determinarequanto possa essere intenso il magneti-smo indotto nel campione in condizionicontrollate. In un certo senso lo speri-mentatore misura così la capacità natu-rale di magnetizzazione della roccia. Eallora possibile valutare in quale misurala magnetizzazione originaria del cam-pione fosse vicina a quella massima pos-sibile e quindi anche stimare l'intensi-tà del campo che l'ha prodotta. Questatecnica permette di analizzare un gran-de numero di campioni di roccia, ma nondà risultati altrettanto precisi delle al-tre due.

I risultati di queste ricerche si sonorivelati sorprendenti. Studi su rocce del-l'età di 3,9 miliardi di anni hanno indi-cato che il campo magnetico della Lunaal tempo della formazione delle rocceera di circa un gauss, quasi il doppio delcampo magnetico attuale della Terra inprossimità dei poli. Sembra inoltre che,fra 3,9 e 3,2 miliardi di anni fa, il campomagnetico lunare abbia subito una dimi-nuzione esponenziale, quale ci si potreb-be attendere supponendo che le sorgentidi calore disponibili per fornire energiaalla dinamo nel nucleo fossero andategradualmente declinando nel corso di ta-le periodo. E facilmente prevedibile an-che la successiva scomparsa del campo,poiché le sorgenti di calore dovrebberoessersi affievolite, alla fine, sotto il valo-re critico necessario per mantenere infunzione la dinamo, o anche per conser-vare la temperatura del nucleo al di so-pra del punto di fusione del ferro.

I nostri risultati furono accolti con uncerto scetticismo, in particolare l'ipotesiche la Luna, il cui nucleo dovrebbe es-sere molto più piccolo di quello dellaTerra, potesse aver prodotto un campomagnetico così intenso. Nondimeno, ilfatto che i risultati forniti da tutti e tre inostri metodi indipendenti fossero inbuon accordo fra loro fa sì che i risultatistessi possano essere considerati relati-vamente affidabili, almeno nei limiti diuna ricostruzione storica: infatti, datoche non siamo in grado di riprodurreesattamente le condizioni in cui le roccelunari si formarono e furono magnetiz-zate originariamente, siamo costretti aprocedere verificando se indicazioni ditipo diverso siano tutte orientate versola stessa conclusione o meno.

T :esame in laboratorio dei campioni dirocce lunari portati sulla Terra non

è l'unico modo per ricavare indizi sullanatura dell'antico magnetismo della Lu-na. Molte conseguenze dell'attuale ma-gnetizzazione delle rocce della crosta fu-rono osservate nel corso di vari esperi-menti compiuti nell'ambito delle missio-ni Apollo e Luna. Questi esperimenticomportavano la collocazione sulla su-perficie lunare di magnetometri da par-te degli astronauti delle missioni Apol-lo e il trasporto di apparecchiature ana-loghe sui veicoli automatici sovietici aotto ruote Lunokhod, oltre a rilevamen-

ti magnetici eseguiti da subsatelliti im-messi in orbite lunari di altezza modesta(circa 100 chilometri al di sopra della su-perficie) dai veicoli spaziali Apollo 15e Apollo 16.

Si rilevò che le particelle cariche tra-sportate dal vento solare venivano tal-volta deviate da certe regioni della su-perficie lunare. Le prime osservazionidi questo fenomeno vennero effettuatedalla navicella Explorer, immessa in or-bita lunare, che saltuariamente rilevòche le perturbazioni magnetiche nel ven-to solare venivano deviate nell'ombraproiettata dalla Luna. Ancora più inte-ressanti furono le osservazioni successi-ve eseguite dai veicoli Apollo. Esse mo-strarono che elettroni di bassa energiapresenti nel vento solare venivano tal-volta riflessi dalla superficie della Luna.Entrambi gli effetti sono dovuti a regionicon intensi campi magnetici subito soprala superficie lunare, causati da anomaliemagnetiche la cui presenza indica l'esi-stenza di strati di rocce crostali forte-mente magnetizzate. Queste osservazio-ni hanno permesso a Robert P. Lin eKinsey A. Anderson dell'Università del-la California a Berkeley di eseguire rilie-vi dell'intensità (ma non della direzione)del campo magnetico superficiale dovu-to a regioni di crosta magnetizzata.

Nel caso di determinati settori dellasuperficie lunare è possibile tracciaremappe della direzione oltre che dell'in-tensità del campo magnetico superficia-le. Elaborando dati forniti dai magneto-metri dell'Apollo 15 e dell'Apollo 16,Paul J. Coleman, Jr., Christopher T.Russell e Lonnie L. Hood dell'Universi-tà della California a Los Angeles hannodelineato l'andamento delle isolinee del-la componente verticale del campo allasuperficie, oltre a quello delle compo-nenti orizzontali del campo nelle direzio-ni nord ed est. Le mappe indicano che laLuna attualmente non possiede un cam-po di dipolo (un campo che assomigli aquello di un magnete a barra) degno dinota. All'interno della Luna non vi èattualmente una dinamo in funzione eil campo magnetico totale dovuto allasomma delle singole regioni magnetizza-te della crosta non genera il benché mi-nimo campo di dipolo al di sopra dellasuperficie lunare.

Questo risultato è, in realtà, un argo-mento a favore della teoria che la Lunaabbia avuto un tempo una dinamo inter-na. Molti ricercatori, che non riesconoad accettare l'idea che la Luna abbia pos-seduto un proprio campo magnetico,hanno suggerito che la crosta lunare siastata magnetizzata in conseguenza del-l'esposizione a un qualche intenso cam-po magnetico esterno (forse il campoterrestre, quando Terra e Luna eranopiù vicine). Ho tuttavia dimostrato, conun ragionamento relativamente sempli-ce, che tale «guscio» esterno magnetiz-zato in modo uniforme darebbe originea un campo complessivo simile a quellodi un dipolo (si veda l'illustrazione nella

pagina a fronte). D'altra parte, ho dimo-strato anche che una crosta che fosse sta-ta magnetizzata dal campo, scomparsoormai da molto tempo, prodotto da unadinamo interna non genererebbe uncampo di dipolo sopra la sua superficie.La Luna si adatta bene a questo secondomodello.

Coleman, Russell e Hood hanno ten-tato di determinare forma e posizionedel materiale magnetizzato responsabiledi ogni anomalia. Supponendo innanzi-tutto che la sorgente di ciascuna anoma-lia fosse un semplice dipolo, essi hannoscoperto che, per produrre anomalie icui caratteri (come l'intensità e la dire-zione del campo in un certo numero dipunti nello spazio) corrispondessero aquelli delle anomalie osservate, tali di-poli dovrebbero trovarsi a circa 50-60chilometri al di sotto della superficie lu-nare. A tale profondità la temperaturaambiente è superiore alla temperatura diCurie dei minerali che compongono lacrosta, cosicché nessun dipolo potrebbeconservare la propria magnetizzazionein queste condizioni.

D'altra parte, è stato facile dimostrareche le anomalie potevano essere causateanche da dischi di materiale facente par-te della crosta lunare, magnetizzato inmodo uniforme. Variando le intensità ele direzioni di magnetizzazione degli ipo-tetici dischi, e facendoli muovere su unmodello della superficie lunare realizza-to al calcolatore, Coleman, Russell eHood hanno trovato una buona corri-spondenza con le anomalie osservate.Perché quelle anomalie producessero gliintensi campi magnetici osservati a quo-te di 20-100 chilometri al di sopra dellasuperficie lunare, i dischi di materiale

magnetizzato dovevano essere piuttostograndi - con un diametro anche di 100chilometri - e la direzione di magnetiz-zazione di ciascun disco doveva essereuniforme su un'area considerevole. Unmodello di questo genere non porrebbealcun problema se la magnetizzazionefosse stata prodotta originariamente daun campo di dipolo nella Luna. D'altraparte, l'esistenza di regioni così vastecon una direzione di magnetizzazioneuniforme permetterebbe di eliminareun'ipotesi contrastante: quella che emis-sioni locali di energia, dovute per esem-pio all'impatto di meteoriti, possanoaver generato campi temporanei chehanno magnetizzato piccole regioni del-la crosta (nello stesso modo in cui unfulmine può magnetizzare un affiora-mento di roccia) e prodotto le anomalie.La teoria che fa ricorso a questi piccolicampi locali non è assolutamente com-patibile con i dati forniti dai rilevamentimagnetici.

per interpretare questi risultati, ho cal-i- colato come avrebbe dovuto essereorientato il campo magnetico della Lunaquando ebbero origine le anomalie. Inaltri termini, ho tentato di trovare la di-rezione dei poli magnetici del campo cheaveva prodotto la magnetizzazione diciascuna anomalia.

Ho scoperto che le anomalie si suddi-videvano in tre gruppi. All'interno diciascun gruppo i poli nord magnetici cal-colati si distribuiscono in due raggrup-pamenti che si trovano agli antipodi.Ogni coppia di raggruppamenti definiscequindi un asse della Luna. L'asse defini-to da ciascun gruppo di punti ha una di-rezione molto diversa rispetto agli assi

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Una storia ipotetica della Luna è stata dedotta dalle posizioni degli antichi poli magnetici lunarie dalle posizioni, forme ed età di alcuni grandi crateri di impatto. In questo modello si è suppostoche diversi piccoli satelliti orbitassero originariamente attorno alla Luna. Uno di questi satelliti,attratto su un'orbita più bassa per effetto di forze di marea, fu spezzato in numerosi frammentiche andarono a colpire la superficie lunare in un arco di tempo relativamente breve (1), produ-cendo una sequenza di bacini di impatto in prossimità dell'equatore. La conseguente ridistribu-zione della massa alla superficie della Luna fece sì che questa mutasse la propria orientazionerispetto all'asse di rotazione; in seguito a questo fatto, molti dei bacini vennero a trovarsi lonta-ni dall'equatore (2). Successivamente un secondo satellite lunare, attratto verso la Luna, su-bì anch'esso una frammentazione (3), determinando la formazione di una sequenza di baciniin prossimità del nuovo equatore; dopo questo episodio la Luna si riorientò nuovamente (4). Èprobabile che una successione simile di eventi si sia verificata anche una terza volta.

4,2 MILIARDI DI ANNI FA

4,0 MILIARDI DI ANNI FA

VERSOLA TERRA

3,85 MILIARDI DI ANNI FA

VERSO LA TERRA

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Gli antichi poli nord del campo magnetico lunare, come si deduce dalleanomalie magnetiche, si suddividono in tre gruppi. La posizione diciascun polo è stata dedotta da una singola anomalia. All'interno diogni gruppo le anomalie in base alle quali è stata ricavata la posizionedei poli hanno all'incirca la stessa età; il gruppo più antico ha grossomodo 4,2 miliardi di anni, quello intermedio circa 4,0 miliardi di annie quello più recente circa 3,85 miliardi di anni. In ciascun gruppo (inparticolare nei due più recenti) l'asse magnetico ipotizzato è approssi-mativamente lo stesso per ogni anomalia, ma in alcuni casi il polo nordsi trova a un estremo dell'asse mentre in altri è all'estremo opposto. (Icerchietti vuoti rappresentano punti sulla faccia della Luna che nell'il-lustrazione è nascosta, mentre i cerchietti pieni rappresentano puntisulla faccia visibile; i cerchietti vuoti in colore indicano la posizionemedia sulla faccia nascosta dei poli ipotizzati e i cerchietti pieni in co-lore la loro posizione media sulla faccia visibile.) Sembra che il cam-po magnetico della Luna abbia invertito più volte la propria polarità.

VERSOLATERRA

definiti dagli altri due gruppi e rispettoall'asse di rotazione attuale della Luna:sembra che la Luna, nel corso della suastoria, abbia avuto tre coppie distinte dipoli magnetici. La ragione per cui gli an-tichi poli nord magnetici si trovano a en-trambe le estremità di ciascun asse è che,probabilmente, il campo lunare fu sog-getto a inversioni di polarità senza tutta-via variare l'orientazione del suo asse:un fenomeno verificatosi sulla Terracentinaia di volte. Ma come spiegare l'e-sistenza di tre assi indipendenti?

Un indizio ci è fornito dall'età delleanomalie. È difficile stabilire l'epoca incui ciascuna anomalia fu magnetizzata,poiché quasi tutte le anomalie si trovanoin regioni da cui non sono stati prelevati

campioni, ma si può valutarne l'età ap-prossimativa in base a una carta geolo-gica della Luna (il lavoro è stato condot-to in gran parte da Don E. Wilhelmsdello US Geologica! Survey). Tale ana-lisi indica che le anomalie all'interno diciascun gruppo si formarono tutte all'in-circa nello stesso periodo, ma che i tregruppi distinti di anomalie magnetiche siformarono in periodi diversi della storiadella Luna. Il periodo più antico va si-tuato intorno a circa 4,2 miliardi di annifa, quello intermedio a circa 4 miliardidi anni fa e il più recente a circa 3,85miliardi di anni fa.

L'asse del campo magnetico lunarepuntò quindi in direzioni diverse in tem-pi diversi. Se si suppone che l'asse del

campo magnetico sia stato sempre gros-so modo allineato con l'asse di rotazionedella Luna (l'assunto è suffragato da stu-di che dimostrano il ruolo preponderan-te svolto nella magnetoidrodinamica delnucleo terrestre dalla forza di Coriolis,una forza complessa dovuta alla rotazio-ne della Terra), ne consegue l'implica-zione che in tempi diversi l'asse di rota-zione della Luna debba aver puntato indirezioni diverse rispetto alla superficie.Come ha potuto verificarsi il fenomeno?

La risposta - la migrazione dei poli -non è in realtà un'idea nuova, dato chefu avanzata per la prima volta verso lafine dell'Ottocento, per spiegare in chemodo parti dell'India, dell'Australia edell'Africa, oggi in prossimità dell'equa-

tore, possano essere state interessate daglaciazioni circa 200 milioni di anni fa.Nell'analisi della storia della Terra la no-zione di migrazione dei poli è stata ingran parte sostituita da quella di derivadei continenti.

Il concetto di migrazione dei poli èbasato su principi fondamentali di fisi-ca dei corpi in rotazione (si veda l'arti-colo La migrazione dei poli su Marte diPeter H. Schultz in «Le Scienze» n. 211,marzo 1986). Come dimostrò LeonhardEuler (Eulero), i corpi ruotano nel mo-do più stabile quando la massima quan-tità possibile della loro massa è lontanadall'asse di rotazione. (L'idea è com-prensibile intuitivamente: quando uncorpo ruota, la forza centrifuga tenderàa fare spostare verso l'esterno, lontanodall'asse di rotazione, le parti del corpodotate di massa maggiore.) Se un corpoha una rotazione stabile e la distribuzio-ne della sua massa viene improvvisa-mente alterata, esso tenderà a oscillaree a riallinearsi finché la massima quanti-tà possibile di massa non si troverà dinuovo il più possibile lontano dal suoasse di rotazione.

Secondo il principio di conservazionedel momento angolare, la posizione el'orientazione nello spazio dell'asse dirotazione non possono mutare. Accadeinvece che il corpo si riorienti in modotale che l'asse di rotazione intersechi re-gioni diverse alla superficie del corpo. Sipuò dire quindi che in realtà è la super-ficie a migrare in relazione ai poli (i puntidello spazio in cui l'asse di rotazione in-terseca la superficie del corpo). Le regio-ni che si erano trovate ai poli si avvici-nano all'equatore, e le regioni equato-riali si avvicinano ai poli. Se sulla Lunasi è effettivamente verificato il fenome-no della migrazione dei poli, allora inepoche diverse i poli magnetici devonoessersi effettivamente trovati in posizio-ni diverse sulla superficie, e l'asse ma-gnetico deve avere avuto orientazioni di-verse in relazione alla Luna presa nel suoinsieme.

Cosa potrebbe aver causato la migra-zione dei poli sulla Luna? La rispo-

sta a questa domanda introduce alcunefra le possibilità più stimolanti emersenel corso della mia ricerca. Quando hocartografato la posizione presumibiledell'equatore lunare in ciascuno dei treperiodi durante i quali si formarono leanomalie magnetiche, ho potuto osser-vare che molti tra i grandi bacini di im-patto formatisi in ciascun periodo si tro-vavano in prossimità di quello che eraallora l'equatore della Luna. Questo fat-to ha permesso di giungere a due impor-tanti scoperte.

Innanzitutto, esso suggerisce che laLuna si sia riorientata almeno tre volte,in seguito alla caduta di planetesimali(piccoli oggetti che erano i corpi origina-ri del sistema solare) in prossimità delsuo equatore. Ogni impatto dovette for-mare un bacino - una regione con scar-

sità di massa - in prossimità dell'equato-re, lontano dall'asse di rotazione. Que-sta non è una configurazione stabile. LaLuna dev'essersi perciò riorientata inmodo tale che le regioni di massa mag-giore venissero a trovarsi in prossimitàdell'equatore e i bacini in vicinanza deipoli. Questo sembra essere in effetti ciòche accadde ogni volta (si veda l'illustra-zione nella pagina successiva). L'illustra-zione è notevolmente semplificata; inprossimità di ciascun paleoequatore vi èun certo numero di bacini, cosicché du-rante ogni periodo deve essere avvenutauna serie di impatti, separati l'uno dal-l'altro da intervalli di tempo relativa-mente brevi.

In secondo luogo, il fatto che i plane-tesimali siano entrati in collisione con laLuna in prossimità del suo equatore sug-gerisce che essi non fossero asteroidi ocomete orbitanti attorno al Sole, i qualiavrebbero colpito la Luna in un puntoqualsiasi della sua superficie. Essi eranoinvece con ogni probabilità satelliti dellaLuna stessa, orbitanti nel piano equato-riale lunare (nello stesso modo in cui i

satelliti di Marte, Giove, Saturno e Ura-no orbitano attorno a quei pianeti inprossimità del loro piano equatoriale).

Questi satelliti sarebbero stati attrattigradualmente verso la Luna dall'azionedi forze di marea (nello stesso modo incui Phobos è attualmente attratto versoMarte). La mia ipotesi è che la Lunaabbia avuto almeno tre satelliti. Il primosatellite, attratto verso la Luna, sarebbestato distrutto dalle forze di marea. Isuoi frammenti avrebbero colpito la Lu-na a brevi intervalli di tempo l'uno dal-l'altro, lasciando una sequenza di bacinidi impatto e determinando un riorienta-mento del nostro satellite. Circa 200 mi-lioni di anni dopo, il secondo satellitedeve essere stato infranto dalle forze dimarea e successivamente anche il terzo.

L'analisi della forma dei bacini di im-patto rafforza questa ipotesi. Con il len-to decadere delle loro orbite, i satellitiridotti in frammenti devono essersi avvi-cinati alla superficie lunare secondo unangolo molto piccolo. Esperimenti suimpatti ad altissima velocità effettuati daDonald E. Gault, dell'Ames Research

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FACCIA VISIBILE 4,2 MILIARDI DI ANNI FA FACCIA NASCOSTA

BIRKHOFFo

COULOMB- OSARTON

LORENTZ

SGRIMALDI

MARESMYTHII

FREUNDLICH- OSHARANOV

KEELER-HEAVIS1DE

FACCIA VISIBILE 4,0 MILIARDI DI ANNI FA FACCIA NASCOSTA

INGENII o APOLLO

O POINCARÉ

AMUNDSEN-GANSWIND

PLANCKSCHILLER-ZUCCHIUS O

MAREHUMBOLDTIANUM

#

MAREMOSCOVIENSE

e• o • „

MARE

MARE NECTARIS MENDELEEV KOROLEV

HUMORUM

FACCIA VISIBILE

3,85 MILIARDI DI ANNI FA

FACCIA NASCOSTA

MAREIMBRIUM

MARESERENITAT1S

MARECR1SIUM

HERTZSPRUNG

MARE ORIENTALE

SCHROEDINGER

32

MENDEL-RYDBERG

Center della National Aeronautics andSpace Administration (NASA), hannodimostrato che, per angoli di impatto in-feriori a cinque gradi circa, i detriti ten-dono a essere proiettati all'intorno in undisegno a farfalla e i bacini tendono aessere ellittici. Questi caratteri risultanochiaramente presenti nelle fotografie dimolti fra i grandi bacini della Luna. Inol-tre l'asse maggiore di questi bacini ellit-tici è grosso modo parallelo alla linea checorrisponde all'equatore durante il pe-riodo in cui si formarono i bacini stessi,indicando che gli oggetti che entraronoin collisione con la Luna stavano muo-vendosi, all'epoca dell'impatto, nel pia-no dell'equatore lunare o in prossimitàdi esso.

Si giungere quindi alla conclusione

LY che, nel primo periodo della sua sto-ria, la Luna ebbe un sistema di satelliti.Questa prima prova dell'esistenza di al-tri corpi nel sistema Terra-Luna dovreb-be fornirci informazioni preziose sull'o-rigine del sistema Terra-Luna e dei pia-neti in generale.

Oggi possediamo un quadro ragione-volmente chiaro delle prime fasi dell'e-voluzione del sistema solare: una nubedi gas e polvere interstellare si contrassea partire da un diametro di circa 100 000unità astronomiche (una UA è pari alladistanza media fra la Terra e il Sole, circa149,6 milioni di chilometri), riducendosia un diametro di circa 50 UA e appiat-tendosi in forma di disco nel corso delcollasso. Il nostro quadro delle fasi piùtarde è però molto approssimativo. Pic-coli granuli di silicati e di ferro devonoessersi in qualche modo aggregati a for-mare milioni di piccoli corpi, i quali de-vono essersi uniti a loro volta a formarecorpi maggiori. Le fasi finali di questoprocesso di aggregazione sono testimo-niate dai molti crateri da impatto checostellano la superficie della Luna equella di Mercurio, ma non possediamoquasi nessuna conoscenza certa sulle pri-me fasi del processo di aggregazione. Laproposta che nel sistema Terra-Lunafossero originariamente presenti satelli-ti abbastanza grandi potrebbe renderepossibile una ricostruzione almeno par-ziale di questa fase intermedia nella for-mazione del sistema solare.

Tre antichi equatori lunari sono sovrapposti aimmagini della Luna raffigurata secondo lasua orientazione attuale. Le curve continue innero rappresentano la posizione dell'equatorein ciascuno dei tre periodi illustrati. I cer-chietti in colore indicano la posizione delleanomalie magnetiche le cui direzioni di ma-gnetizzazione hanno permesso di determinaredove si trovassero gli antichi poli magnetici;in base a questi dati è stata ottenuta la posi-zione degli antichi equatori. I bacini principa-li di cui vengono indicati i nomi - bacini situa-ti tutti in prossimità di antichi equatori luna-ri - potrebbero essere stati prodotti in segui-to all'impatto di frammenti di piccoli satelli-ti che in passato orbitavano attorno alla Luna.