Вода способна существовать в гораздо большем количестве состояний, чем привычные лёд, жидкость и пар. При огромном давлении и высокой температуре её молекулярная структура полностью меняется, а вещество может перейти в так называемое суперионное состояние. Именно такой необычный лёд рассматривается как один из компонентов глубоких слоёв Урана и Нептуна.
Теперь физикам удалось непосредственно исследовать ещё одну форму такого вещества. В лабораторном эксперименте воду сжали до давлений в сотни миллиардов паскалей и одновременно нагрели лазерами до температур свыше 1800 К. Рентгеновская дифракция показала, что при экстремальных условиях атомы кислорода образуют не ранее изученную кубическую, а гексагональную плотноупакованную структуру.
Полученный результат важен не только для физики льда. Различия между двумя структурами могут влиять на электрическую проводимость и механические свойства вещества в недрах ледяных гигантов. Поэтому новая экспериментальная информация способна изменить модели внутреннего строения Урана и Нептуна и представления о происхождении их необычных магнитных полей.
Почему лёд внутри Урана и Нептуна совсем не похож на земной
Уран и Нептун часто называют ледяными гигантами. Такое название может вводить в заблуждение, если представлять себе планеты как огромные шары, заполненные обычным водяным льдом.
Внешние области этих планет действительно содержат водород, гелий и другие вещества, а глубже расположены слои, богатые водой, аммиаком и метаном. Но давление и температура с увеличением глубины становятся настолько высокими, что привычные формы этих веществ перестают существовать. Поэтому в планетологии термин «лёд» применительно к внутренним слоям означает прежде всего состав вещества, а не его знакомое земное состояние.
В глубине Урана и Нептуна вода оказывается в области температур и давлений, при которых её атомы могут формировать совершенно необычные структуры. Одной из них является суперионный лёд — состояние, в котором кислород образует относительно устойчивую кристаллическую решётку, тогда как ядра водорода получают возможность перемещаться внутри неё.
Такое сочетание свойств необычно: вещество сохраняет упорядоченную структуру, характерную для твёрдого тела, но одновременно часть его атомных компонентов обладает высокой подвижностью. Именно поэтому суперионный лёд способен проводить электричество.
Что такое суперионный лёд
В обычном кристаллическом льду атомы и молекулы воды связаны в определённой структуре. При повышении давления вода может переходить в различные кристаллические модификации, причём расположение атомов постепенно меняется.
При ещё более экстремальных условиях происходит другое. Кислородные атомы сохраняют упорядоченное расположение, а водород становится значительно более подвижным. Поэтому суперионное состояние нельзя полностью отнести ни к привычному твёрдому телу, ни к обычной жидкости.
Для внутреннего строения ледяных гигантов это особенно интересно из-за электрической проводимости. Движение заряженных частиц внутри вещества создаёт возможность для возникновения и поддержания электрических токов. А электрические токи, в свою очередь, связаны с генерацией магнитного поля планеты.
Именно поэтому физические свойства суперионной воды имеют значение для моделей магнитных полей Урана и Нептуна. При этом нельзя говорить, что существование суперионного льда само по себе уже объясняет магнитное поле этих планет: структура и движение проводящего вещества внутри каждой планеты остаются отдельной задачей.
Как учёные воссоздали условия внутри ледяных гигантов
Исследовать вещество непосредственно в недрах Урана или Нептуна невозможно. Поэтому экспериментаторы используют установки высокого давления, позволяющие получить небольшие образцы вещества в условиях, близких к планетарным.
В новом эксперименте воду поместили между двумя очень твёрдыми алмазами. Такая установка называется алмазной наковальней. Алмазы позволяют приложить к крошечному образцу чрезвычайно высокое давление, одновременно оставляя возможность направить на него лазерное излучение и исследовать получившееся вещество.
Образец нагревали лазерами, а давление доводили примерно до 230 гигапаскалей. Это более двух миллионов атмосфер земного давления. Температура в экспериментах достигала более 1800 К, а во всём исследованном диапазоне изменялась от нескольких сотен до примерно 2630 К. Размер образца был микроскопическим — порядка десятков микрометров.
Такие условия позволяют воспроизводить диапазон параметров, который рассматривается как характерный для тёплых плотных слоёв внутри ледяных гигантов. Эксперимент при этом не является буквальной копией всего внутреннего устройства Урана или Нептуна. В лаборатории исследуется небольшой образец воды при выбранных температуре и давлении, а затем полученные свойства используются при построении физических моделей планет.
Почему одних измерений температуры и давления недостаточно
Знать температуру и давление недостаточно, чтобы определить состояние вещества. При одинаковом химическом составе вода может образовывать разные кристаллические структуры в зависимости от условий.
Именно структура определяет многие физические свойства материала. В данном случае исследователей интересовало прежде всего то, каким образом располагаются атомы кислорода и как это расположение связано с переходом воды в суперионное состояние.
Для этого использовали синхротронное рентгеновское излучение. Оно позволяет определить внутреннюю структуру вещества по характерному рисунку дифракции. Иными словами, исследователи не наблюдали отдельные атомы непосредственно, а определяли их коллективное расположение по тому, как рентгеновские лучи взаимодействуют с образцом.
Эксперимент проводился на Европейском центре синхротронного излучения во Франции. Высокая яркость источника рентгеновского излучения была особенно важна из-за очень малого размера образца и экстремальных условий эксперимента.
В воде обнаружили гексагональную структуру
Главным результатом эксперимента стало непосредственное обнаружение гексагональной плотноупакованной структуры, обозначаемой как hcp.
До этого при соответствующих исследованиях сверхплотного льда была экспериментально подтверждена другая компактная структура — гранецентрированная кубическая, или fcc. Теоретические расчёты давно допускали существование гексагональной разновидности, однако её прямое экспериментальное наблюдение при таких условиях стало новым результатом.
В диапазоне давлений примерно от 80 до 200 гигапаскалей исследователи наблюдали сосуществование fcc- и hcp-структур. При давлениях выше 200 гигапаскалей и температурах выше примерно 1800 К гексагональная фаза становилась доминирующей при переходе воды в суперионный режим.
Таким образом, речь идёт не просто об обнаружении «ещё одного льда». Эксперимент показал, что даже в пределах суперионного состояния вода может переходить между разными кристаллическими структурами.
Это важно, поскольку разные структуры одного и того же вещества способны иметь разные электрические, механические и термодинамические свойства.
Чем гексагональная структура отличается от кубической
В fcc-структуре атомы кислорода располагаются в определённом компактном кубическом порядке. В hcp-структуре они также образуют очень плотную упаковку, но последовательность слоёв имеет другую геометрию.
На бытовом уровне разница может показаться чисто геометрической. Однако для вещества при экстремальном давлении изменение порядка расположения атомов влияет на то, как через материал перемещаются водородные ядра, как вещество деформируется и как оно проводит электричество.
Поэтому переход между fcc и hcp — это физически значимое изменение состояния материала, а не просто другое изображение той же самой структуры.
Полученные данные показывают, что гексагональная структура становится более устойчивой при переходе в определённую область суперионного режима. Исследователи связывают наблюдаемое изменение с мартенситным переходом — перестройкой кристаллической структуры без необходимости полного разрушения исходной решётки и последующего формирования новой из полностью неупорядоченного состояния.
Структура льда меняется при нагревании и охлаждении
Эксперимент оказался интересен не только обнаружением hcp-фазы при высоких температурах.
Исследователи обнаружили признаки того, что гексагональная структура может возникать и в процессе охлаждения вещества. При переходах между различными фазами в кислородной решётке появляются нарушения последовательности укладки слоёв. Такая разупорядоченность может способствовать формированию участков hcp-структуры.
В результате поведение воды при экстремальном давлении оказалось сложнее простой схемы «одна структура соответствует одному диапазону условий». Фазовые переходы могут зависеть не только от конечных температуры и давления, но и от того, каким образом образец пришёл в это состояние.
Особенно важным оказался диапазон примерно 130–200 гигапаскалей. Полученные данные согласуются с существованием мартенситного перехода между fcc- и hcp-структурами внутри суперионного режима.
Это означает, что при моделировании вещества в недрах ледяных гигантов необходимо учитывать не только наличие суперионной воды как таковой, но и возможные изменения её кристаллической структуры.
Что это может означать для Урана и Нептуна
Уран и Нептун обладают магнитными полями, которые заметно отличаются от простого дипольного поля Земли. Их магнитные оси сильно наклонены относительно осей вращения, а сами поля имеют значительную сложность.
Одна из причин, по которой исследователи изучают суперионный лёд, заключается в том, что проводящие слои воды могут участвовать в генерации магнитного поля. Однако для этого важно знать не только то, проводит ли вещество электричество, но и насколько хорошо оно это делает, в каких направлениях и как ведёт себя при деформации и перемещении.
Гексагональная и кубическая формы суперионного льда потенциально отличаются по этим параметрам. Поэтому обнаружение hcp-фазы даёт дополнительные данные для построения моделей глубинных слоёв Урана и Нептуна.
Исследователи не утверждают, что новая структура полностью решает загадку магнитных полей ледяных гигантов. Результат означает другое: теперь в физические модели можно включать экспериментально подтверждённую фазу воды, существующую в соответствующем диапазоне экстремальных условий.
Магнитное поле зависит не только от состава
При обсуждении суперионного льда легко сделать слишком прямой вывод: если внутри планеты есть проводящая вода, значит именно она создаёт магнитное поле. В действительности механизм значительно сложнее.
Для генерации планетарного магнитного поля требуется движение электропроводящего материала. Важны его состав, проводимость, распределение по глубине, температура, давление и характер внутренних движений.
Поэтому новая работа предоставляет один из недостающих элементов для таких моделей — информацию о структуре воды в экстремальном режиме. Но окончательная модель магнитного поля должна учитывать весь внутренний энергетический и динамический процесс планеты.
Именно поэтому результат имеет значение прежде всего как уточнение физики вещества, а не как окончательное объяснение магнитного поля Урана или Нептуна.
В недрах планет «лёд» может быть одновременно твёрдым и текучим
Одна из наиболее необычных особенностей суперионной воды заключается в сочетании свойств, которые на Земле обычно воспринимаются как взаимоисключающие.
Кислородная часть вещества сохраняет упорядоченную структуру. В то же время водородные ядра способны перемещаться через эту структуру. Поэтому материал остаётся кристаллическим по одному признаку, но демонстрирует высокую подвижность другого компонента.
Это позволяет понять, почему слово «лёд» в описании ледяных гигантов нельзя воспринимать буквально. При температурах в тысячи градусов привычный земной лёд, конечно, существовать не может. Но при огромном давлении вода может переходить в плотные высокотемпературные фазы, которые по своему составу остаются водой, а по физическим свойствам радикально отличаются от обычного льда.
Именно экстремальное давление является здесь ключевым фактором. Оно заставляет вещество сохранять плотную структуру даже при очень высокой температуре.
Почему эксперимент важен для экзопланет
Уран и Нептун — не единственные объекты, внутри которых могут существовать подобные состояния вещества.
Астрономы обнаружили множество экзопланет, по размерам и массе напоминающих ледяные гиганты или находящихся между классами газовых и ледяных планет. Внутри таких миров также могут возникать высокие давления и температуры, при которых вода и другие соединения переходят в необычные фазы.
Поэтому лабораторное исследование воды при экстремальных условиях имеет значение не только для двух планет Солнечной системы. Полученные данные могут использоваться при моделировании более широкого класса планетных объектов.
Разумеется, конкретное внутреннее строение каждой экзопланеты зависит от её массы, температуры, состава и истории формирования. Нельзя автоматически переносить результаты эксперимента на все планеты, содержащие воду. Но новые данные расширяют физическую основу, на которой строятся такие модели.
Почему Уран и Нептун особенно важны для физики воды
На Земле естественные условия не позволяют исследовать многие из подобных состояний воды непосредственно в больших объёмах. Давления в недрах ледяных гигантов создают принципиально другую среду.
Кроме того, эти планеты предоставляют естественные лаборатории, где экстремальные состояния вещества существуют на планетарных масштабах. Мы не можем отправить зонд в глубокие слои Нептуна и извлечь оттуда образец, но можем сравнивать наблюдаемые свойства планеты с результатами экспериментов и расчётов.
Чем точнее известны свойства воды и других веществ при соответствующих давлениях и температурах, тем точнее можно рассчитывать плотность, внутреннее строение, перенос тепла и электрические свойства планеты.
В этом смысле лабораторный эксперимент с микроскопическим количеством воды помогает исследовать объект, размеры которого составляют десятки тысяч километров.
Что именно установлено, а что пока остаётся моделью
Новый результат позволяет достаточно чётко разделить экспериментально установленное и предполагаемое.
Экспериментально подтверждено существование hcp-фазы воды при экстремальных давлениях и температурах. Её структура была определена с помощью синхротронной рентгеновской дифракции. При давлениях выше 200 гигапаскалей и температурах выше примерно 1800 К она становится доминирующей в исследованном суперионном режиме. Наблюдения также согласуются с переходом между fcc- и hcp-структурами в диапазоне примерно 130–200 гигапаскалей.
Предположением уже является конкретная роль этой фазы внутри Урана и Нептуна. Физики считают, что такие условия могут существовать в их глубоких слоях, а новая структура способна влиять на свойства этих областей. Но лабораторный эксперимент не является непосредственным измерением вещества внутри планет.
Точно так же пока нельзя утверждать, что именно hcp-суперионный лёд отвечает за наблюдаемые особенности магнитных полей Урана и Нептуна. Для такого вывода необходимо построить полные модели внутренней динамики планет и проверить, насколько они воспроизводят наблюдаемые магнитные поля.
Новая фаза уточняет картину экстремальной воды
Исследование показывает, насколько необычным может быть поведение самого распространённого вещества на Земле.
В привычных условиях вода сравнительно проста для понимания: она замерзает, плавится и испаряется. Но при давлениях, превышающих земное атмосферное в миллионы раз, и температурах в тысячи градусов её поведение становится значительно сложнее. Она может переходить между несколькими кристаллическими структурами, а в суперионном состоянии сочетать упорядоченную кислородную решётку с подвижными водородными ядрами.
Обнаружение гексагональной структуры закрывает один из пробелов в экспериментальном изучении такой воды. Ранее существование компактной fcc-фазы было подтверждено, тогда как hcp-фаза оставалась в основном теоретически ожидаемым вариантом. Теперь обе структуры получили экспериментальное подтверждение в экстремальном диапазоне условий.
Для планетологии это означает, что модели Урана и Нептуна могут учитывать более сложную фазовую картину их глубоких слоёв. А для физики вещества эксперимент даёт прямое свидетельство того, что при огромном давлении вода способна перестраивать свою структуру даже внутри суперионного состояния.
В итоге необычный лёд, который невозможно увидеть непосредственно в недрах далёких планет, удалось исследовать на Земле. Эксперимент не дал окончательного ответа на вопрос о происхождении магнитных полей Урана и Нептуна, но предоставил новый экспериментально подтверждённый элемент для таких моделей. Теперь физикам необходимо выяснить, насколько существенно присутствие гексагональной суперионной воды изменяет расчёты внутреннего строения и динамики ледяных гигантов.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
