Ученые выяснили, какую форму может принимать лед внутри Урана и Нептуна

Исследовательская группа под руководством Алексиса Форестье из французской Комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) обнаружила новую фазу суперионного льда, которая возникает при экстремальных давлениях и температурах, характерных для недр Урана и Нептуна. Оказалось, что при давлении выше 200 гигапаскалей и температуре около 1800 Кельвинов атомы кислорода выстраиваются в гексагональную плотноупакованную решетку, вытесняя кубическую фазу. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Лед на далеких ледяных гигантах совсем не похож на тот, к которому мы привыкли. Из-за чудовищного давления и высокой температуры он переходит в особое состояние, которое называют суперионным льдом. В этой фазе атомы кислорода образуют жесткую кристаллическую сетку, а ядра водорода свободно движутся сквозь нее, словно жидкость. Именно это делает такой лед проводящим электричество. Ученые давно знали о его существовании, но до сих пор не понимали, как именно располагаются атомы кислорода внутри этой решетки.

Чтобы заглянуть в недра далеких планет, исследователи пошли на хитрость. Они не могут добыть образцы льда с Урана или Нептуна, поэтому воссоздали похожие условия в лаборатории. Крошечные образцы обычного водяного льда поместили между двумя сверхтвердыми алмазами в специальном устройстве — алмазной наковальне. Затем лазерами нагрели их до температуры выше 1800 Кельвинов и сжали до давления в 230 гигапаскалей. Это более чем в два миллиона раз превышает атмосферное давление на Земле.

Когда ученые направили на образцы рентгеновские лучи в Европейском центре синхротронного излучения, они увидели нечто удивительное. Атомы кислорода образовали гексагональную плотноупакованную структуру. При давлении выше 200 гигапаскалей и температуре 1800 Кельвинов именно эта форма стала основной фазой суперионного льда, заменив собой гранецентрированную кубическую решетку. По словам авторов, им впервые удалось однозначно наблюдать новую фазу льда с гексагональной подрешеткой кислорода.

Это открытие важно не только само по себе. Оно помогает лучше понять, что происходит глубоко внутри Урана и Нептуна. Считается, что суперионный лед играет ключевую роль в генерации их необычных магнитных полей.

Поскольку гексагональная форма может обладать иными электрическими и механическими свойствами, чем кубическая, полученные данные способны изменить подход ученых к моделированию внутреннего строения этих планет. Наличие перехода от кубической структуры к гексагональной в суперионном режиме теплого плотного льда может иметь значение для планетарных моделей Урана и Нептуна.

Суперионный лед — это особое состояние воды, которое возникает при очень высоких давлениях и температурах, например внутри Урана или Нептуна. В обычном льде молекулы воды закреплены в кристаллической решетке: и атомы кислорода, и атомы водорода занимают строго определенные места и почти не двигаются. В суперионном льде ситуация иная.

Атомы кислорода остаются на своих местах и образуют жесткую кристаллическую сетку. А вот ядра водорода — протоны, получают достаточно энергии, чтобы покинуть свои позиции и свободно перемещаться сквозь эту кислородную решетку, словно жидкость через губку. Получается странная гибридная структура: твердый каркас из кислорода и текучие, подвижные протоны внутри него.

Именно из-за этой подвижности протонов суперионный лед проводит электричество. В обычном льде ток не идет, потому что заряженные частицы закреплены. А здесь протоны могут переносить заряд, поэтому такой лед ведет себя как проводник, оставаясь при этом твердым веществом.

В результате исследования ученые не только подтвердили, что суперионный лед может существовать в виде гексагональной плотноупакованной фазы, но и показали, как именно происходит этот переход.

При повышении давления кубическая решетка перестраивается в гексагональную, а при охлаждении гексагональная фаза возникает из дефектов внутри кубической решетки. Эти данные дают более точную картину того, какие формы может принимать вода в экстремальных условиях недр далеких планет.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях