1. Ricerca di acqua e ghiaccio nel Sistema Solare (Marte e Polo Sud di Marte)
È il settore per cui è maggiormente noto a livello globale.
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Presenza di acqua liquida subglaciale: Orosei è stato il coordinatore (Principal Investigator) del gruppo di ricerca che, analizzando i dati del radar MARSIS sulla sonda Mars Express, ha scoperto la presenza di acqua liquida salmastra al di sotto della calotta polare meridionale di Marte.
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Abitabilità planetaria: Studio della distribuzione e della stabilità di acqua e ghiaccio su Marte, sia sulla superficie che nella sottosuperficie, per comprenderne l'evoluzione climatica e valutarne le condizioni di abitabilità passata e presente.
2. Telerilevamento e Radar per l'Esplorazione Spaziale (Planetary Radar Sounding)
Un pilastro del suo lavoro riguarda lo sviluppo metodologico e tecnologico di strumentazione radar per sondare il sottosuolo dei corpi celesti:
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Elaborazione e inversione dei segnali radar: Sviluppo di modelli numerici e algoritmi per simulare la propagazione delle onde elettromagnetiche nel terreno e nella ionosfera.
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Determinazione delle proprietà dielettriche: Analisi della composizione geologica del sottosuolo (rocce, ghiaccio, depositi sedimentari) attraverso la risposta dielettrica del segnale radar.
3. Geologia Planetaria e Sottosuperficie dei Corpi Celesti
I suoi studi non si limitano a Marte, ma spaziano su vari corpi del Sistema Solare per analizzarne la struttura, la stratigrafia e l'origine:
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Comete e Asteroidi: Analisi dei dati di missioni come Rosetta (strumento VIRTIS) sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko e della missione Dawn (su Cerere e Vesta).
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Lune ghiacciate e sistema gioviano: Studio delle calotte e delle croste ghiacciate delle lune di Giove (Europa, Ganimede, Callisto) in vista della missione JUICE (attraverso lo strumento radar RIME) e supporto alla missione Juno.
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Luna e sateliti marziani: Studio delle proprietà del sottosuolo lunare e delle caratteristiche di Phobos e Deimos.
4. Ionosfere e Ambienti Plasma Planetari
Le onde radar inviate dalle sonde devono attraversare la ionosfera dei pianeti, il che rende questo ambiente un importante oggetto di studio collaterale:
