Что такое горячий лед?
Вода на планете Земля существует всего в 3 состояниях: жидком, твердом и газообразном. Однако на других планетах ее свойства могут быть совершенно иными. Например, ученые заявляют о том, что на некоторых экзопланетах вода находится в «супержидком» состоянии.
Также астрономы нередко говорят о таком странном явлении, как «горячий лед». Какими свойствами при этом обладает столь привычная для земных обитателей молекула H2O?
Необычный лед
Так как условия на других планетах сильно отличаются от земных, вода там может обладать довольно необычными свойствами. Чтобы изучить эти свойства, ученые попытались воссоздать схожие температуру и давление, в которые поместили воду.
Экспериментально ученым удалось получить более 10 разновидностей льда. Они отличаются друг от друга строением кристаллической решетки. Их получали путем воздействия на воду разными температурами и давлениями.
Каждый вид льда исследователи пронумеровывали. Так известный всем обычный лед – это лед-I (Ih ). Но у него есть и другая форма ‒ Ic.
Все последующие формы льда имеют нумерацию от II до XVII. Особый интерес вызывает состояние воды под номером VIII. Этот лед еще называют «суперионным».
Предполагают, что именно в этом состоянии вода находится на таких ледяных гигантах как Уран и Нептун. Другие формы льда состоят из неразделенных молекул воды.
Суперионный же лед отличается от них. Он наполовину твердый, и наполовину жидкий. Все потому что его твердая кристаллическая решетка состоит из ионов кислорода , но отделенные от них ионы водорода продолжают свободно передвигаться внутри нее, словно жидкость.
Внешне такой лед тоже очень сильно отличается от обычного. Он черный и горячий.
Однако все формы, полученные лабораторным путем, необычны. Например, температура плавления таких сортов льда может достигать 100°С и выше. Все потому что под большим давлением кристаллическая решетка замерзшей воды становится более плотной, чем при обычных условиях. Например, если оказываемое давление равно примерно 21 000 атм, вода превращается в лед при температуре +76°С.
Когда же давление равно 30 000 атм, вода начинает замерзать лишь при +180°С. Соответственно, таким льдом вполне можно обжечься, правда, дотронуться до него не удастся из-за высокого давления. Этот лед тяжелее воды, а его плотность достигает 1,05 г/см3 ‒ действительно, экзотическое состояние.
Источник
Самая странная планета во Вселенной
Те, кто следит за астрономическими открытиями ученых, не раз слышали про ледяные гиганты и планеты-океаны. Однако планета, о которой пойдет речь в данной статье, полностью состоит из горячего льда и супержидкой воды. Сейчас она носит название GJ 1214 b или Глизе 1214 b.
Особенности необычной планеты
Данная планета была обнаружена в 2009 году. Ее открытие произошло посредством роботизированной обсерватории под названием «Проект MEath ». Этот проект ведет наблюдение за яркостью красных карликов и фиксирует снижение интенсивности светового потока.
Причиной такого снижения яркости часто бывает перемещение планет по орбите звезды. Так как карлики являются сравнительно небольшими звездами, то планеты, проходя перед ними, могут блокировать часть света. Используя такой подход, ученые способны обнаруживать планеты даже небольшого диаметра.
Данный метод называется транзитным и является довольно эффективным. Эта экзопланета находится в созвездии Змееносца, где она совершает полный оборот за 36 часов вокруг своей материнской звезды – красного карлика.
Исходя из массы GJ 1214 b , ее определили как суперземлю. К суперземлям относятся планеты, которые намного массивнее Земли, но при этом не дотягивают до массы газовых гигантов.
Стоит отметить, что по меркам космоса, ее удаленность от настоящей Земли не так уж велика – всего каких-то 40 световых лет отделяют человечество от мира горячего льда и супержидкой воды. Правда, изначально ученые предполагали, что планета состоит из воды на 75% и на 25% из камней и железа, а в атмосфере преимущественно содержатся водород и гелий. Данные предположения делались на основании массы и радиуса планеты, по которым специалисты определили примерную плотность и гравитацию.
Однако такие выводы стали ошибочными. В 2012 году группе астрономов удалось выяснить точный состав атмосферы планеты. Оказалось, что GJ 1214 b окутана густым водяным паром, и в нем лишь в небольших количествах присутствуют гелий и водород.
Интересно, как был установлен подобный факт, ведь ни один аппарат за такой короткий промежуток времени не смог бы преодолеть расстояние в 13 парсек (40 световых лет). Чтобы определить состав атмосферы ученые использовали возможности телескопа Хаббл. С помощью него астрономы наблюдали за тем, как изменяется спектр излучения красного карлика, когда он проходит через атмосферу экзопланеты.
Состав же самой планеты по сей день до конца не изучен. Однако есть весьма обоснованные предположения. По мнению ученых, Глизе 1214 b является водяной планетой ‒ так сказать, планета-океан с твердым ядром. Однако глубина данного океана – самый неизученный вопрос.
Но, по мнению ученых, на GJ 1214 b невозможно обнаружить жизнь. Все потому что орбита экзопланеты проходит довольно близко от красного карлика, что делает ее очень горячей. Всего 2 млн. км отделяют ее от материнской звезды, что в 75 раз меньше расстояния от Земли до Солнца.
Теоретически, температура поверхности GJ 1214 b может достигать 280° С, в случае, если ее отражательная способность (альбедо) почти равна нулю. Если же экзопланета обладает большим альбедо, например, как у Венеры, то температура достигнет 120° С.
Авторы исследования отмечают, что вода под действием подобных температур и высокого давления, должна иметь необычное состояние, экзотическое . Как уже говорилось, это горячий лед и супержидкая вода. На Земле воссоздать подобные условия довольно сложно даже в лабораториях.
Источник
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной
Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных лазеров в мире ударил в каплю воды, создав ударную волну, которая подняла давление в этой воде до миллионов атмосфер, а температуру — до тысяч градусов. Рентгеновские лучи, которые прошли через эту каплю в ту же долю секунды, явили человечеству первый проблеск воды в таких экстремальных условиях. Они показали, что вода внутри ударной волны не стала перегретой жидкостью или газом. Нет, вода замерзла.
Оказывается вода может быть разной формы.
Как это ни парадоксально, атомы воды замерзли, образовав кристаллический лед. Впрочем, как и предполагали физики, щурящиеся на экраны в соседней комнате.
«Вы слышите выстрел и в тот же момент видите, что произошло нечто интересное», говорит Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, который проводил эксперимент вместе с Федерикой Коппари.
Что происходит с водой при высоком давлении и температуре?
Результаты этой работы, опубликованной на этой неделе в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от знакомого вам льда, который можно найти в морозилке или на северном полюсе, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда весил в четыре раза больше обычного. Впервые его существование было предсказано более 30 лет назад, и хотя его до сих пор никогда не видели, ученые считают, что он может быть одним из самых распространенных видов воды во Вселенной.
Даже в Солнечной системе большая часть воды, вероятно, находится в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее больше, чем жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старые загадки о составе этих «ледяных гигантов».
Ученые уже обнаружили восемнадцать изумительных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII по порядку открытия. Да, «лед-9» на самом деле существует, но его свойства вовсе не такие, как в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».
Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это новый кристалл, но есть в нем одно но. Все ранее известные водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, в которых один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как показывают новые измерения, не такой. Он существует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину твердом, наполовину жидком. Отдельные молекулы воды распадаются. Атомы кислорода формируют кубическую решетку, но атомы водорода разливаются свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Специалисты говорят, что обнаружение суперионного льда оправдывает компьютерные прогнозы, которые могут помочь физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. А обнаружение этого льда требовало сверхбыстрых измерений и точного контроля температуры и давления, что стало возможным лишь в условиях усовершенствования экспериментальных методов.
«Все это было невозможно сделать, скажем, пять лет назад», говорит Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это безусловно окажет огромное влияние».
Физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции считает, что поскольку молекулы воды распадаются, это не совсем новая фаза воды. «Это новое состояние вещества, что довольно впечатляюще».
Паззлы на льду
Физики охотились за суперионным льдом много лет — с тех пор, как примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода примет эту странную, почти металлическую форму, если вытолкнуть ее за пределы карты известных ледяных фаз.
Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую решетку, а «водород начинает прыгать из одного положение в кристалле в другое, снова и снова», говорит Милло. Эти прыжки между узлами решетки настолько быстрые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по сути, в положительно заряженные протоны — ведут себя как жидкость.
Появилось предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, и водород будет выполнять роль электронов. Наличие этих свободных атомов водорода также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В свою очередь, увеличение энтропии сделает лед стабильнее, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его температура плавления вырастет.
Представить это все легко, поверить в это — трудно. Первые модели использовали упрощенную физику, продираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции добавили больше квантовых эффектов, но все же обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, которое слишком трудно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что повышало вероятность того, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Эксперименты, между тем, не могли создать необходимое давление и произвести достаточно тепла, чтобы расплавить это прочное вещество.
И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у воды может быть суперионная фаза льда. Примерно в то же время, когда эта фаза была впервые предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.
Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из строго определенных северного и южного полюса, без особой другой структуры. Похоже на то, как будто в них находятся стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля.
Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.
Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут.
Взрывной лед
Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.
В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов.
Такая вода нам привычна.
Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все еще зажатый между алмазными наковальнями. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.
После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Их новый эксперимент пропустил лед-VI и лед-VII вообще. Вместо этого команда просто разбила воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные доли секунды, пока ударные волны проникали сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.
Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани.
«Это настоящий прорыв», говорит Коппари.
«Тот факт, что существование этой фазы не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а вполне реально — это очень радует», говорит Бове.
Что такое супер лед
И такого рода успешная перекрестная проверка как моделирования, так и настоящего суперионного льда предполагает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов может быть вскоре достигнута. «Вы говорите мне, какие свойства материала вам нужны, мы идем к компьютеру и теоретически выясняем, какой материал и какая кристаллическая структура вам нужна», говорит Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского университета в Беркли.
Новый анализ также намекает на то, что хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является рыхловатым, но твердым веществом. Он будет понемногу растекаться, но течь — нет. Таким образом, жидкие слои внутри Урана и Нептуна могут остановиться примерно на 8000 километрах вглубь планеты, где начнется огромная мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большинство действий динамо на меньших глубинах, учитывая необычные поля планет.
Другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не располагают внутренними температурами и давлениями, которые позволили бы существовать суперионному льду. Но множество экзопланет размеров ледяных гигантов позволяют предположить, что это вещество — суперионный лед — будет распространен в ледяных мирах по всей галактике.
Конечно, ни одна планета не будет содержать одну только воду. Ледяные гиганты в нашей Солнечной системе также замешаны из метана и аммиака. Степень, в которой суперионное поведение на самом деле находит место в природе, «будет зависеть от того, существуют ли эти фазы, когда мы замешиваем воду с другими материалами», говорят ученые. Впрочем, суперионный аммиак также должен существовать.
Эксперименты продолжаются. Как думаете, узнаем ли мы однажды, что находится в центре крупнейших тел в нашей Солнечной системе? Поделитесь мнением в нашем чате в Телеграме.
Источник
