Lodowaty księżyc Jowisza Callisto. Źródło zdjęcia: NASA Kliknij, aby powiększyć
Gdy naukowcy dowiadują się więcej o naszym Układzie Słonecznym, znaleźli lód wodny w nietypowych sytuacjach. Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory odtworzyli ten rodzaj lodu w swoim laboratorium; lód, który prawdopodobnie naśladuje warunki ciśnienia, temperatury, naprężeń i wielkości ziarna występujące na tych księżycach. Ten lód może powoli pełzać i wirować w zależności od temperatury wnętrz księżyców.
Ten codzienny lód, którego używasz do schładzania szklanki lemoniady, pomógł naukowcom lepiej zrozumieć wewnętrzną strukturę lodowych księżyców w odległych zakątkach Układu Słonecznego.
Zespół badawczy wykazał nowy rodzaj „pełzania” lub przepływu w postaci lodu pod wysokim ciśnieniem, tworząc w laboratorium warunki ciśnienia, temperatury, naprężeń i wielkości ziarna, które naśladują te w głębokich wnętrzach dużych lodowe księżyce.
Fazy lodu pod wysokim ciśnieniem są głównymi składnikami gigantycznych lodowych księżyców zewnętrznego układu słonecznego: Ganymede i Callisto Jowisza, Tytan Saturna i Tryton Neptuna. Tryton jest mniej więcej wielkości naszego własnego księżyca; pozostałe trzy olbrzymy mają około 1,5 razy większą średnicę. Zaakceptowana teoria mówi, że większość lodowych księżyców skondensowanych jako „brudne śnieżki” z chmury pyłu wokół Słońca (mgławicy słonecznej) około 4,5 miliarda lat temu. Księżyce zostały ocieplone wewnętrznie dzięki temu procesowi akrecyjnemu i radioaktywnemu rozpadowi ich skalistej frakcji.
Konwekcyjny przepływ lodu (podobnie jak wiry w gorącej filiżance kawy) we wnętrzach lodowatych księżyców kontrolował ich późniejszą ewolucję i dzisiejszą strukturę. Im słabszy lód, tym bardziej wydajna konwekcja i chłodniejsze wnętrza. I odwrotnie, im silniejszy lód, tym cieplejsze wnętrza i większa możliwość pojawienia się czegoś w rodzaju ciekłego oceanu wewnętrznego.
Nowe badania ujawniają w jednej z wysokociśnieniowych faz lodu („lód II”) mechanizm pełzania, na który wpływa krystalit lub „ziarno” lodu. To odkrycie implikuje znacznie słabszą warstwę lodu w księżycach, niż wcześniej sądzono. Ice II pojawia się po raz pierwszy przy ciśnieniu około 2000 atmosfer, co odpowiada głębokości około 70 km w największym z lodowych gigantów. Warstwa lodu II ma grubość około 100 km. Poziomy ciśnienia w centrach lodowych gigantycznych księżyców ostatecznie osiągają równowartość od 20 000 do 40 000 atmosfer Ziemi.
Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Kyushu University w Japonii i US Geological Survey przeprowadzili eksperymenty pełzania przy użyciu niskotemperaturowego aparatu testowego w Experimental Geophysics Laboratory w LLNL. Następnie obserwowali i mierzyli wielkość ziaren lodu II za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego kriogenicznego. Grupa znalazła mechanizm pełzania, który dominuje przepływ przy niższych naprężeniach i drobniejszych ziarnach. Wcześniejsze eksperymenty przy wyższych naprężeniach i aktywowanych mechanizmach przepływu o większej wielkości ziarna, które nie zależały od wielkości ziarna.
Eksperymentaliści byli w stanie udowodnić, że nowy mechanizm pełzania był rzeczywiście związany z rozmiarem ziaren lodu, co wcześniej badano tylko teoretycznie.
Ale pomiar nie był łatwym wyczynem. Najpierw musieli stworzyć lód II o bardzo drobnych ziarnach (mniej niż 10 mikrometrów lub jedna dziesiąta grubości ludzkiego włosa). W końcu załatwiła się technika szybkiego zmieniania ciśnienia powyżej i poniżej 2000 atmosfer. Co więcej, zespół utrzymywał bardzo stałe 2000 atmosfer ciśnienia w aparacie testowym, aby przeprowadzać eksperyment deformacji przy niskim naprężeniu przez wiele tygodni. Wreszcie, aby nakreślić ziarna lodu II i uczynić je widocznymi w skaningowym mikroskopie elektronowym, zespół opracował metodę oznaczania granic ziaren zwykłą formą lodu („lód I”), która w mikroskopie wyglądała inaczej niż lód II . Po zidentyfikowaniu granic zespół mógł zmierzyć wielkość ziaren lodu II.
„Te nowe wyniki pokazują, że lepkość głębokiego lodowego płaszcza jest znacznie niższa, niż wcześniej sądziliśmy” - powiedział William Durham, geofizyk z Dyrekcji ds. Energii i Środowiska w Livermore.
Durham powiedział, że wysokiej jakości zachowanie aparatu testowego przy ciśnieniu 2000 atmosfer, współpraca z Tomoaki Kubo z Kyushu University oraz sukces w pokonywaniu poważnych wyzwań technicznych związanych z przypadkowym eksperymentem.
Korzystając z nowych wyników, naukowcy doszli do wniosku, że jest prawdopodobne, że lód odkształca się dzięki mechanizmowi pełzania wrażliwemu na wielkość ziarna we wnętrzu lodowych księżyców, gdy ziarna mają nawet centymetr wielkości.
„Ten nowo odkryty mechanizm pełzania zmieni nasze myślenie o ewolucji termicznej i wewnętrznej dynamice średnich i dużych księżyców planet zewnętrznych w naszym Układzie Słonecznym” - powiedział Durham. „Ewolucja termiczna tych księżyców może pomóc nam wyjaśnić, co działo się we wczesnym Układzie Słonecznym.”
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science z 3 marca.
Lawrence Livermore National Laboratory, założone w 1952 roku, ma za zadanie zapewnić bezpieczeństwo narodowe oraz zastosować naukę i technologię w ważnych kwestiach naszych czasów. Lawrence Livermore National Laboratory jest zarządzany przez University of California dla amerykańskiego Departamentu Energii National Nuclear Security Administration.
Oryginalne źródło: LLNL News Release
