Открыты две необычные формы льда, способные существовать в недрах планет

Фото из открытых источников

Два новых типа льда могут помочь нам понять, что происходит внутри Нептуна и Урана. Эти ледяные гиганты обладают крайне необычными магнитными полями; возможно, это объясняется существованием странных форм льда глубоко под их поверхностью. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Привычный нам в повседневной жизни водяной лед — это лишь одна из более чем 20 различных фаз, каждая из которых отличается особой кристаллической структурой молекул. При повышении температуры и давления атомы водорода и кислорода, составляющие воду, перестраиваются, наделяя каждую фазу уникальными электрическими и механическими свойствами.

Для поиска новых фаз льда исследователи используют устройство под названием «алмазная наковальня», позволяющее сжимать молекулы воды под давлением в миллионы атмосфер. Гуннар Век из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) и его коллеги также нагревали наковальню лазером, доводя температуру образцов до тысяч градусов.

Новая фаза льда, обнаруженная ими в таких экстремальных условиях, получила название «лед с гексагональной плотноупакованной структурой» (hcp-лед). Его главное отличие от «обычного» льда заключается в характере движения атомов водорода. «Кислород остается в твердой кристаллической решетке, тогда как водород может перемещаться, словно в жидкости», — поясняет Век. Благодаря этому hcp-лед становится так называемой суперионной фазой, обладающей гораздо более высокой электропроводностью по сравнению с другими формами льда.

Эта проводимость имеет важное значение, поскольку она может объяснить, почему магнитные поля ледяных гигантов наклонены и смещены относительно центра планеты. Если эти поля возникают в результате протекания электрического заряда через суперионные льды, расположенные ближе к поверхности, а не благодаря работе динамо-машины в ядре (как на Земле), то такая модель вполне согласуется с данными, полученными космическими аппаратами.

«Следующий шаг — попытаться с высокой точностью определить границы перехода между различными фазами, — говорит Век. — Необходимо знать области устойчивости этих суперионных фаз, чтобы понять, на какой глубине внутри планет-гигантов они могут существовать». Исследователи уже ведут работу в этом направлении: так, команда Исраэля Осмонда из Эдинбургского университета (Великобритания) недавно обнаружила новую фазу — лед XXII, который сохраняет устойчивость при давлении, почти вдвое превышающем показатели, необходимые для образования hcp-льда. Как только мы поймем, где именно внутри ледяных гигантов могут существовать эти виды льда, нам предстоит выяснить, как именно каждый из них ведет себя — как с электрической, так и с механической точки зрения. Характер магнитного поля, которое они способны создавать, будет зависеть не только от того, как через них протекает электрический заряд, но и от того, как они сами движутся и деформируются в условиях высоких давлений и температур, свойственных недрам ледяных гигантов. Каждая новая фаза — это отдельный фрагмент этой невероятно сложной головоломки.