Крижаний місяць Юпітера Каллісто. Кредит зображення: NASA Натисніть, щоб збільшити
Коли вчені дізнаються більше про нашу Сонячну систему, вони виявили водний лід у деяких незвичних ситуаціях. Дослідники з Національної лабораторії Лоуренса Лівермора відтворили цей вид льоду у своїй лабораторії; лід, який, ймовірно, імітує умови тиску, температури, напруги та розміру зерна, виявлені на цих місяцях. Цей лід може повільно повзати і крутитися навколо, залежно від температури інтер'єрів місячних.
Той щоденний лід, який ви використовуєте для охолодження склянки лимонаду, допоміг дослідникам краще зрозуміти внутрішню будову крижаних лун у далеких районах Сонячної системи.
Дослідницька група продемонструвала новий вид "повзучості" або потоку у формі льоду високого тиску, створивши в лабораторії умови тиску, температури, напруги та розміру зерна, що імітують тих, хто знаходиться у глибоких інтер'єрах великих крижані місяці.
Фази високого тиску льоду - основні компоненти гігантських крижаних лун зовнішньої сонячної системи: Ганімед і Каллісто Юпітера, Титан Сатурна та Тритон Нептуна. Тритон - приблизно розмір нашого власного Місяця; інші три гіганти приблизно в 1,5 рази більші в діаметрі. Прийнята теорія стверджує, що більшість крижаних лун конденсувалися як "брудні сніжні кулі" з пилової хмари навколо сонця (сонячної туманності) близько 4,5 мільярдів років тому. Місяці були зігріті внутрішньо цим аккреційним процесом і радіоактивним розпадом їх скелястої фракції.
Конвективний потік льоду (подібно до завихрень у гарячій чашці кави) в інтер’єрах крижаних лун контролював їх подальшу еволюцію та сучасну структуру. Чим слабкіший лід, тим ефективніша конвекція і прохолодніші інтер’єри. І навпаки, чим сильніший лід, тим тепліше інтер'єри і тим більша можливість появи щось на кшталт рідкого внутрішнього океану.
Нове дослідження виявляє в одній з фаз високого тиску льоду ("лід II") механізм повзучості, на який впливає кристалічний або "зерновий" розмір льоду. Цей висновок передбачає значно слабший шар льоду в місяцях, ніж вважалося раніше. Лід II вперше з'являється при тиску близько 2000 атмосфер, що відповідає глибині близько 70 км у найбільшому з крижаних гігантів. Шар льоду II товщиною приблизно 100 км. Рівень тиску в центрах крижаних гігантських лун зрештою сягає еквівалента від 20000 до 40 000 земних атмосфер.
Дослідники з Національної лабораторії Лоуренса Лівермора (LLNL), університету Кюшу в Японії та американського геологічного обстеження провели експерименти на повзучість, використовуючи апарат для тестування низьких температур в експериментальній лабораторії геофізики LLNL. Потім вони спостерігали і вимірювали розмір зерна льоду II за допомогою кріогенного скануючого електронного мікроскопа. Група знайшла механізм повзучості, який домінує над потоком при менших напруженнях та більш дрібних розмірах зерна. Раніші експерименти при більших напруженнях та більших розмірах зерна активували механізми потоку, які не залежали від розміру зерна.
Експерименталістам вдалося довести, що новий механізм повзучості дійсно пов'язаний з розміром крижаних зерен, що раніше було вивчено лише теоретично.
Але вимірювання було нелегким подвигом. По-перше, вони повинні були створити лід II дуже дрібного розміру зерна (менше 10 мікрометрів або на одну десяту частину товщини людського волосся). Техніка швидкого кругообігу тиску вище і нижче 2000 атмосфер врешті зробила свою справу. Додаючи до цього, команда підтримувала дуже стійкий 2000 атмосферного тиску в апараті для випробувань, щоб провести експеримент деформації з низьким напругою протягом тижнів. Нарешті, щоб розмежувати зерна льоду II та зробити їх видимими на скануючому електронному мікроскопі, команда розробила метод маркування меж зерна загальною формою льоду ("лід I"), який виявився відмінним від льоду II у мікроскопі . Як тільки будуть визначені межі, команда могла б виміряти розмір зерна льоду II.
"Ці нові результати показують, що в'язкість глибокої крижаної мантії набагато нижча, ніж ми думали раніше", - сказав Вільям Дарем, геофізик з управління енергетики та довкілля Лівермора.
Дарем заявив, що високоякісна поведінка випробувального апарату при тиску 2000 атмосфер, співпраця з Томоакі Кубо з університету Кюсю та успішність у подоланні серйозних технічних проблем, спричинених вдалим експериментом.
Використовуючи нові результати, дослідники роблять висновок, що ймовірно, що лід деформується механізмом повзання зерна, чутливого до розміру зерна, у внутрішніх місцях крижаних лун, коли розміри зерен розміром до сантиметра.
"Цей нещодавно відкритий механізм повзучості змінить наше мислення про теплову еволюцію та внутрішню динаміку середніх і великих розмірів лун зовнішніх планет у нашій Сонячній системі", - сказав Дарем. "Теплова еволюція цих лун може допомогти нам пояснити, що відбувалося в ранній Сонячній системі".
Дослідження з’являється у номері 3 березня журналу Science.
Заснована в 1952 році, Національна лабораторія Лоуренса Лівермора має місію забезпечити національну безпеку та застосувати науку та техніку до важливих питань сучасності. Національною лабораторією Лоуренса Лівермора керує Каліфорнійський університет при Національному управлінні ядерної безпеки Міністерства енергетики США.
Оригінальне джерело: LLNL News Release
