Что происходит глубоко под поверхностью ледяных планет? Есть ли здесь жидкая вода, то как она взаимодействует с каменистым "дном" планеты? Новые эксперименты показывают, что на планетах с водяным льдом, вода выборочно выщелачивает магний из типичных минералов горных пород. Условия с давлением в сто тысяч атмосфер и температурой выше тысячи градусов по Цельсию были воссозданы в лаборатории и имитировали планеты, похожие (хоть и меньше размером) на Нептун и Уран.
Механизмы взаимодействия воды и породы на Землехорошо известны, и картина сложного цикла H2O в глубокой внутренней части нашей и других планет земного типа постоянно улучшается. Однако мы не знаем, что происходит на границе между горячей плотной H2O и глубокой скалистой оболочкой водно-ледяных планет при давлениях и температурах на порядки выше, чем на дне самых глубоких океанов Земли. В Солнечной системе Нептун и Уран классифицируются как ледяные гиганты: у них есть толстый внешний слой водяного льда, под которым лежит глубокий каменистый слой, и все еще обсуждается, достаточно ли высока температура на границе раздела для образования жидкой воды.
Международная исследовательская группа в которую вошли ученые из Университета Аризоны, из DESY , из Аргоннской национальной лаборатории, и Серджио Специале из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ, провела серию сложных исследований. Эксперименты в PETRA III (Гамбург) и Advanced Photon Source (Аргонн, США), показывающие, как вода сильно выщелачивает оксид магния (MgO) из определенных минералов, например ферропериклаза (Mg, Fe) O и оливина (Mg, Fe) 2 SiO 4, при давлении от 20 до 40 гигапаскалей (ГПа). Это в 200000–400000 раз больше атмосферного давления на Земле и температуры выше 1500 К ( ∼ 1230 ° C) — условия, которые присутствуют на границе между глубокими океанами и скалистой мантией в субнептуновом классе водных планет. Результаты этого исследования опубликованы в научном журнале Nature Astronomy.
Крошечные гранулы порошка ферропериклаза или оливина загружали вместе с водой в крошечную камеру для образцов (менее миллиметра в диаметре), просверленную в металлической фольге, и зажимали между двумя калетами из бриллиантов ювелирного качества с использованием ячейки с алмазной наковальней (DAC). Образцы нагревали, пропуская инфракрасный лазер через алмазные наковальни. Синхротронная дифракция рентгеновских лучей была использована для определения трансформации и разрушения минералов, вызванных реакциями с водой.
Внезапное уменьшение дифракционного сигнала от исходных минералов и появление новых твердых фаз, включая брусит (гидроксид магния), наблюдались во время полных циклов нагрева и закалки. Это продемонстрировало начало химических реакций и растворение компонента оксида магния как ферропериклаза, так и оливина; растворение было самым сильным в конкретном диапазоне давления-температуры от 20 до 40 Гапаскалей и от 1250 до 2000 Кельвинов.
Детали процесса реакции и последующее химическое отделение MgO от остаточных фаз были подтверждены тщательной сканирующей электронной микроскопией (SEM) и рентгеновской спектроскопией извлеченных образцов.
Ученые пришли к выводу, что интенсивное растворение MgO на границе раздела между слоем H2O и подстилающей каменистой мантией может привести к появлению на богатых водой экзопланетах, таких как TRAPPIST-1f, химических градиентов сооотвествующих составу планет, в первые (горячие) дни их жизни. Эти градиенты с дифференцированным распределением оксида магния на морском дне планеты могут частично сохраняться в течение длительного периода их охлаждения. Следы начальных относительно неглубоких взаимодействий между водой и каменистым материалом во время планетарной аккреции также могут сохраняться в течение миллиардов лет на больших ледяных планетах размером с Уран.
