Что происходит глубоко под поверхностью ледяных планет?

14.10.2024

Ледяные планеты — одни из самых таинственных, из известных нам, объектов во вселенной. Мы можем только предполагать, какие процессы происходят под толстым щитом вечного ледника. Или есть способ заглянуть глубоко внутрь?

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.

Теги: