Две недавно открытые формы замороженной соленой воды могут помочь ученым разгадать тайну, касающуюся покрытых льдом спутников Солнечной системы. Соответствующее исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Под воздействием более высоких давлений и более низких температур, чем в природе на Земле, атомы в гидратированном хлориде натрия, более известном как соленый водяной лед, упорядочиваются в никогда ранее не идентифицированные структуры, в которых доля молекул воды гораздо выше чем соль.
Это может объяснить странную химическую характеристику вещества на поверхности спутника Юпитера Европы, которое кажется более водянистым, чем ожидают ученые.
«В наши дни в науке редко случаются фундаментальные открытия. Соль и вода очень хорошо известны в земных условиях. Но кроме того, мы в полном неведении. переделать всю фундаментальную минералогию, которую люди сделали в 1800-х годах, но при высоком давлении и низкой температуре. Это захватывающее время», - пояснил Батист Журно из Вашингтонского университета.
Соль и вода, также известные как хлорид натрия и дигидрогеноксид, в изобилии присутствуют в нашем родном мире. При соединении молекулы соли растворяются в молекулах воды, образуя раствор. Присутствие соли снижает температуру замерзания раствора по сравнению с несоленой водой, но поскольку температура продолжает падать в типичных земных атмосферных условиях, он в конечном итоге замерзнет.
Когда это происходит, молекулы образуют жесткую решетчатую структуру, известную как гидрат. На Земле (за пределами лаборатории) эта структура имеет только одну конфигурацию: одна молекула соли на каждые две молекулы воды.
На таких спутниках, как Европа и Ганимед, которые вращаются вокруг Юпитера, и на спутнике Сатурна Энцеладе ученые также нашли доказательства наличия соли и воды, только условия, в которых они находятся, сильно отличаются от земных.
Находясь в почти вакууме космоса, вдали от Солнца, поверхности этих далеких миров могут стать очень холодными. Под их ледяными покровами лежат океаны, которые в некоторых случаях могут быть более чем в 100 раз толще, чем самые глубокие воды на Земле, что приводит к довольно экстремальным давлениям и температурам.
Журно и его коллеги решили исследовать влияние соли на производство льда. Они сжали крошечную каплю соленой воды в ячейке с алмазной наковальней в чрезвычайно холодных условиях, создав давление, в 25 000 раз превышающее земное атмосферное давление, при этом понизив температуру до -123 градусов по Цельсию. Они не ожидали того, что произошло дальше.
«Мы пытались измерить, как добавление соли изменит количество льда, которое мы можем получить, поскольку соль действует как антифриз», — объясняет Журно. «Удивительно, но когда мы оказали давление, мы увидели, что эти кристаллы, которых мы не ожидали, начали расти. Это было очень удачное открытие».
В условиях своего эксперимента исследователи увидели два новых расположения молекул соли и воды. В одном из них на каждые 17 молекул воды приходилось две молекулы соли; в другом на одну молекулу соли приходилось 13 молекул воды. И то, и другое сильно отличается от одной соли и двух вод, наблюдаемых в природе на Земле, и согласуется с водянистыми химическими сигнатурами, наблюдаемыми на ледяных спутниках.
«У него есть структура, которую ждали планетологи», — отметил Журно.
Исследователи говорят, что главным фактором является давление, которое сжимает молекулы и заставляет их искать новые способы сосуществования. Но даже когда давление было сброшено, один из недавно идентифицированных гидратов — тот, что с 17 молекулами воды — оставался стабильным до температуры -50 градусов по Цельсию. Это говорит о том, что его можно найти и здесь, на Земле, возможно, подо льдом Антарктиды.
Будущие исследования должны быть предприняты, чтобы определить, может ли это открытие разрешить тайну ледяной луны.
«Инфракрасные спектры гидрата еще предстоит определить в будущих исследованиях, но его гипергидратированная структура может решить давнюю загадку неопознанной гидратной фазы на поверхности Европы и Ганимеда», — пишут исследователи.