Ледяная луна Юпитера Каллисто. Изображение предоставлено NASA Нажмите для увеличения
По мере того, как ученые узнают больше о нашей Солнечной системе, в некоторых необычных ситуациях они находят водяной лед. Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса воссоздали этот вид льда в своей лаборатории; лед, который, вероятно, имитирует условия давления, температуры, напряжения и размера зерна, обнаруженные на этих лунах. Этот лед может медленно ползать и кружиться в зависимости от температуры внутри лун.
Тот ежедневный лед, который вы используете для охлаждения бокала лимонада, помог исследователям лучше понять внутреннюю структуру ледяных лун в дальних уголках Солнечной системы.
Исследовательская группа продемонстрировала новый вид «ползучести», или течения, в форме льда под высоким давлением, создав в лаборатории условия давления, температуры, напряжения и размера зерна, которые имитируют те, что находятся в глубоких недрах большого ледяные луны
Фазы льда высокого давления являются основными компонентами гигантских ледяных лун внешней солнечной системы: Ганимед Юпитера и Каллисто, Титан Сатурна и Тритон Нептуна. Тритон примерно размером с нашу собственную луну; остальные три гиганта примерно в 1,5 раза больше в диаметре. Принятая теория гласит, что большинство ледяных лун конденсировалось в виде «грязных снежных комьев» из пылевого облака вокруг Солнца (солнечной туманности) около 4,5 миллиардов лет назад. В результате этого аккреционного процесса и радиоактивного распада их скалистой фракции спутники внутри были нагреты.
Конвективный поток льда (очень похожий на завихрения в чашке горячего кофе) внутри ледяных лун контролировал их последующую эволюцию и современную структуру. Чем слабее лед, тем эффективнее конвекция и холоднее внутренние помещения. И наоборот, чем сильнее лед, тем теплее внутренности и тем больше вероятность появления чего-то вроде жидкого внутреннего океана.
Новое исследование обнаруживает в одной из фаз льда под высоким давлением («лед II») механизм ползучести, который зависит от размера кристаллитов или «зерен» льда. Этот вывод подразумевает значительно более слабый слой льда в лунах, чем считалось ранее. Лед II впервые появляется при давлении около 2000 атмосфер, что соответствует глубине около 70 км в самом большом из ледяных гигантов. Толщина льда II составляет около 100 км. Уровни давления в центрах ледяных гигантских лун в конечном итоге достигают эквивалента от 20000 до 40000 атмосфер Земли.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), Университета Кюсю в Японии и Геологической службы США провели эксперименты по ползучести с использованием низкотемпературного испытательного устройства в Лаборатории экспериментальной геофизики в LLNL. Затем они наблюдали и измеряли размер зерна льда II с помощью криогенного сканирующего электронного микроскопа. Группа обнаружила механизм ползучести, который доминирует в потоке при более низких напряжениях и более мелких размерах зерна. Более ранние эксперименты при более высоких напряжениях и большем размере зерна активировали механизмы потока, которые не зависели от размера зерна.
Экспериментаторам удалось доказать, что новый механизм ползучести действительно связан с размером зерен льда, что ранее было исследовано только теоретически.
Но измерение было нелегким делом. Сначала им пришлось создать лед II с очень мелким размером зерна (менее 10 микрометров или одну десятую толщины человеческого волоса). Техника быстрого циклического изменения давления выше и ниже 2000 атмосфер в конечном итоге сделала свое дело. Кроме того, команда поддерживала очень стабильное давление в 2000 атмосфер внутри испытательного устройства, чтобы проводить эксперимент по деформации с низким напряжением в течение нескольких недель подряд. Наконец, чтобы разграничить зерна льда II и сделать их видимыми в сканирующем электронном микроскопе, команда разработала метод маркировки границ зерен с помощью обычной формы льда («лед I»), которая в микроскопе отличалась от льда II , Как только границы были определены, команда могла измерить размер зерна льда II.
«Эти новые результаты показывают, что вязкость глубокого ледяного покрова намного ниже, чем мы думали ранее, - сказал Уильям Дарем, геофизик из Управления энергетики и окружающей среды Ливермора.
По словам Дарема, высокое качество работы испытательного устройства при давлении 2000 атмосфер, сотрудничество с Томоаки Кубо из Университета Кюсю и успех в преодолении серьезных технических проблем, ставших причиной случайного эксперимента.
Используя новые результаты, исследователи пришли к выводу, что, вероятно, лед деформируется механизмом ползучести, чувствительным к размеру зерен, внутри ледяных лун, когда размер зерен достигает сантиметра.
«Этот недавно открытый механизм ползучести изменит наше представление о тепловой эволюции и внутренней динамике средних и крупных спутников внешних планет в нашей солнечной системе», - сказал Дарем. «Тепловая эволюция этих лун может помочь нам объяснить, что происходило в ранней солнечной системе».
Исследование появляется в выпуске журнала Science 3 марта.
Основанная в 1952 году, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса ставит своей задачей обеспечение национальной безопасности и применение науки и техники к актуальным проблемам нашего времени. Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса находится в ведении Калифорнийского университета для Национальной администрации по ядерной безопасности Министерства энергетики США.
Источник: LLNL News Release
