|
Странный лед, который образуется на экзопланетах
|
|
|
|
Наконец-то доказано существование странного вида льда, который, как считается, обитает глубоко в океанах чужих планет. Впервые исследователи непосредственно наблюдали своего рода гибридную фазу воды, называемую пластичным льдом, которая образуется при высоких температурах и давлениях и проявляет свойства как твердого льда, так и жидкой воды. Наблюдения, опубликованные 12 февраля в журнале Nature, могут помочь исследователям лучше понять внутреннюю архитектуру и процессы других миров в нашей Солнечной системе и за ее пределами, некоторые из которых могут быть пригодны для жизни.
|
|
|
|
Пластиковый лед - это “нечто среднее между жидкостью и кристаллом, вы можете себе представить, что он становится мягче, когда вы его сжимаете”, - говорит физик Ливия Бове из CNRS в Париже. Он называется пластичным льдом, потому что его легче формовать или деформировать, чем обычный кристаллический лед, и он обладает свойством, которое ученые называют пластичностью, говорит она. “Это похоже на то, что может [протиснуться] сквозь отверстие и выйти наружу, даже если оно все еще твердое”.
|
|
|
|
|
|
|
Большая часть льда на поверхности Земли, включая кубики льда, ледники и снег, состоит из молекул воды, расположенных в виде шестиугольной решетки, напоминающей пчелиные соты. Ученые классифицируют этот обычный лед как лед lh. Но в дополнение ко льду Ih известно по меньшей мере 20 других ледяных фаз, которые образуются при различных условиях давления и температуры. При давлении выше 20 000 бар — или 20 000 килограммов на квадратный сантиметр — ледяные решетки сжимаются в лед VII, полиморфный материал с плотной кубической структурой, в котором молекулы упорядочены, как кубики в кубике Рубика. Лед VII был обнаружен в алмазах, образующихся в мантии Земли, и, как полагают, встречается и на других планетах. Поклонникам Курта Воннегута, возможно, будет интересно узнать, что в 1996 году был обнаружен лед IX, хотя он и не обладает ужасающей способностью замораживать целые океаны.
|
|
|
|
Существуют также ледяные фазы, существование которых предполагалось только теоретически. Более 15 лет назад компьютерное моделирование показало, что при нагревании льда VII и воздействии на него экстремальных давлений отдельные молекулы воды в нем должны начать свободно вращаться, как в жидкости, занимая при этом фиксированное положение, как в твердом теле. Поскольку гипотетическая фаза имела ту же кубическую кристаллическую структуру, что и лед VII, она стала известна как пластичный лед VII. Но поскольку в то время проведение экспериментов при таких высоких давлениях было технически неосуществимо, убедительные доказательства существования пластичного льда ускользали от ученых в течение многих лет.
|
|
|
|
Для нового исследования Бове и его коллеги использовали относительно новый инструмент в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция, который способен измерять движение молекул при экстремальных давлениях. В ходе экспериментов они направляли нейтронный луч на образцы воды и подвергали их воздействию температуры до 326°C и давления до 60 000 бар. Когда поступающие нейтроны взаимодействовали с молекулами воды в образцах, они приобретали или теряли энергию в зависимости от того, насколько сильно молекулы воды двигались и вращались, прежде чем рассеяться в направлении детектора. Измерение энергии рассеянных нейтронов позволило команде Бове охарактеризовать движение молекул и идентифицировать образовавшуюся фазу.
|
|
|
|
При температуре выше 177°C и давлении примерно в 30 000 бар, что примерно в 28 раз превышает давление в самой глубокой точке земного океана, команда Бове наблюдала фазу льда, который обладал кубической кристаллической решеткой, а молекулы воды вращались примерно так же быстро, как и в жидкой воде. Они идентифицировали эту фазу как plastic ice VII, окончательно подтвердив ее существование.
|
|
|
|
Однако одна наблюдаемая деталь отличалась от предсказаний. Вместо того, чтобы вращаться свободно, молекулы воды, по-видимому, совершали резкие движения. Вращаясь, молекулы разрывают свои водородные связи с соседними молекулами только для того, чтобы быстро повернуться и соединиться с другими, объясняет Бове.
|
|
|
|
"Пластиковый лед VII, возможно, существовал на ранних стадиях формирования Европы, Титана и других ледяных спутников нашей Солнечной системы, еще до того, как вся вода вытекла из их недр под высоким давлением", - говорит планетолог Батист Джорно из Вашингтонского университета в Сиэтле. По его словам, новые наблюдения могут помочь исследователям собрать воедино историю о том, как эти спутники эволюционировали в океанические миры, которыми они являются сегодня.
|
|
|
|
А за пределами нашей Солнечной системы странный лед может покоиться на дне гигантских океанов на экзопланетах, некоторые из которых имеют глубину в тысячи километров и потенциально пригодны для жизни, пишет журнал. По его словам, изучение того, насколько легко plastic ice VII встраивает соли в свою кристаллическую решетку, может помочь определить, усиливает ли присутствие странной фазы солевой обмен между морским дном экзопланеты и океанами над ней. “Это на самом деле обеспечило бы океан большим количеством питательных веществ”.
|
|
|
|
Источник
|
