Perturbazioni Lunari

La mappa del campo gravitazionale lunare

Tra il 1966 e il 1967, 5 sonde Lunar Orbiter vennero inviate verso la Luna a scopo di ricognizione fotografica dei siti Apollo. Fu attraverso queste missioni che vennero acquisite le competenze necessarie a tracciare accuratamente l’orbita di un oggetto intorno al nostro satellite. I controllori furono sorpresi dal fatto che, al contrario del campo gravitazionale terrestre che è molto stabile, quello lunare era in grado di perturbare notevolmente l’orbita delle sonde.

Immediatamente uno dei progetti a più alta priorità della NASA fu destinato a spiegare perché per i Lunar Orbiter, utilizzati anche per verificare l’accuratezza dei sitemi di navigazione del progetto Apollo, i modelli per calcolare l’orbita mostrassero errori di predizione della posizione dieci volte superiore a quelli richiesti dalle specifiche di missione (errori fino a 2 km invece dei 200 m attesi). La causa delle variazioni orbitali osservate venne infine identificata in forti perturbazioni gravitazionali localizzate nelle aree dei principali mari sulla superficie visibile della Luna.
Queste perturbazioni furono rilevate già dalla sonda sovietica Luna 10 nel 1966, ma della loro scoperta vennero accreditati Paul M. Muller e William Sjogren del NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). La NASA riportò che l’attrazione gravitazionale esercitata da queste aree era così pronunciata che l’Orbiter subiva un leggero abbassamento dell’altitudine ed accelerava quando passava sopra alle pianure lunari (di forma circolare). Questo mostrava che dovevano esserci delle strutture nascoste di qualche tipo di materia densa e pesante al centro dei mari (le pianure lunari di forma circolare).

Queste regioni della superficie lunare dove l’effetto della gravità è leggermente più alta del normale a causa della presenza di rocce a maggiore densità presero il nome di “mascon”, che è l’abbreviazione di “mass concentration” (“concentrazioni di massa”).

Sono stati in seguito identificati 5 grandi mascon sul lato visibile della Luna (quella che guarda verso la Terra), tutti localizzati nel mari. Tipici esempi di mascon lunari si trovano nei bacini di impatto Imbrium, Serenitatis, Crisium e Orientale, i quali posseggono tutti dei profili topografici di basso livello ma grandi anomalie gravitazionali. In teoria, a bassi profili topografici dovrebbero corrispondere piccole anomalie gravitazionali negative. I mascon lunari sono un mistero. Sebbene gli scienziati generalmente sono d’accordo che siano il risultato di un impatto avvenuto miliardi di anni fa, non è chiaro quanta di questa massa in eccesso sia materiale lavico in eccesso che ha riempito i crateri e quanta sia dovuta alla risalita di materiale ricco in ferro dal mantello alla crosta. Indipendentemente dalla loro origine, i mascon rendono la Luna il più irregolare corpo del Sistema Solare da punto di vista del campo gravitazionale. Sono stati trovati mascon anche su Marte, ma non su Venere e sulla Terra; questi due grossi pianeti hanno avuto un certo livello di attività tettonica che ha portato il materiale della crosta verso l’interno diverse volte nel corso di miliardi di anni, provocando una certa omogeneità nella distribuzione della massa (e quindi del campo gravitazionale).

Rappresentazione artistica di Apollo 16 che rilascia PFS-2

L’anomalia gravitazionale dovuta ai mascon è così grande – circa mezzo punto percentuale – che i suoi effetti erano misurabili dagli astronauti sulla superficie. Secondo A.S. Konopliv (planetary scientist al NASA Jet Propulsion Laboratory di Pasadena), “Se ti trovavi in piedi sul bordo di uno dei mari, un filo a piombo avrebbe mostrato una divergenza dalla verticale di un terzo di grado, nella direzione del mascon”. Un altro esempio: un astronauta completamente vestito con la sua tuta spaziale e il suo PLSS pesante intorno ai 22.6 Kg misurati sul bordo di un mascon, sarebbe pesato circa 22.71 kg al centro dello stesso. Una differenza di più di un etto (circa 113 grammi).
“I mascon lunari rendono molte delle orbite lunari basse instabili”, sempre secondo Konopliv. Se un satellite passa a circa 50-60 miglia di altitudine sopra ad un mascon, viene ‘tirato’ in avanti, in basso, indietro, a destra o a sinistra, e l’esatto ammontare e direzione del cambio dipende dalla traiettoria del satellite. In assenza di una periodica correzione dell’orbita (tramite motori a bordo del satellite), molti del satelliti rilasciati in orbita bassa finiscono per precipitare sulla superficie. PFS-2, rilasciato da Apollo 16 è l’esempio del caso peggiore (rimase in orbita 34 giorni). Ma anche il suo predecessore PFS-1 (rilasciato da Apollo 15) precipitò nel gennaio 1973, dopo poco più di un anno e mezzo di attività.
Questo cosa significa per una eventuale esplorazione lunare? Significa stare attenti all’orbita scelta per un satellite. “Quello che conta è l’inclinazione dell’orbita” rispetto al piano equatoriale lunare. “C’è tutta una serie di ‘frozen orbits’ dove un veicolo può rimanere in orbita lunare bassa indefinitamente. Corrispondono alle inclinazioni : 27°, 50°, 76° e 86° – quest’ultima è in sostanza un’orbita polare. Al di fuori di questi valori, occorre pianificare il ricorso frequente a manovre di correzione.”

I mascon complicarono la pianificazione delle missioni Apollo: siccome sono principalmente sul lato visibile, acceleravano leggermente le capsule. Nel breve periodo, questo provocava l’innalzamento dell’orbita sul lato nascosto e l’abbassamento su quello vicino (per motivi legati alle dinamiche orbitali). Utilizzando mappe ad alta precisione del campo gravitazionale, Apollo 15, 16 e 17 riuscirono a volare sopra a due dei mascons più’ grossi (Mare Serenitatis e Mare Imbrium). In Apollo 15, il FIDO compensò l’effetto del mascon, puntando ad un perlunio più alto per l’orbita di discesa, cosicché questo durante il sonno degli astronauti decadesse alla giusta altitudine. Per Apollo 14 aveva funzionato bene come strategia. Ma l’intensità del mascon del Mare Imbrium provocò una variazione maggiore. I flight controller chiesero a Al Worden (CMP di Apollo 15) di eseguire un manovra di aggiustamento utilizzando il CSM. Per Apollo 16 non servì alcuna correzione poiché la rotta equatoriale tenne la capsula lontana dai mascon più forti. Per Apollo 17, la lezione imparata nelle missioni precedenti venne tenuta in considerazione e la manovra DOI (Descent Orbit Insertion) venne divisa in due per combattere l’influenza dei due mascon attraversati dal’orbita.

2 Risposte to “Perturbazioni Lunari”

  1. FeFeSofT Says:

    Molto interessante e anche un aspetto nuovo penso poco conosciuto.

  2. raghnor Says:

    Ti ringrazio. Ogni tanto mi piace piazzare qualche post un po più ‘scientifico’ nei limiti delle mie (limitate) conoscenze.

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