Открытие двух новых форм соленой воды может переписать фундаментальную химию
Две недавно открытые формы замерзшей соленой воды могут помочь ученым разгадать тайну Солнечной системы покрытые льдом луны.
Под воздействием более высоких давлений и более низких температур, чем в природе на Земле, атомы в гидратированном хлориде натрия, более известном как соль водяной лед – организовались в никогда ранее не идентифицированные структуры, в которых доля молекул воды гораздо выше, чем соли.
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, – говорит ученый-землянин и космонавт Батист Журно из Вашингтонского университета.
«Соль и вода очень хорошо известны в земных условиях. Но дальше мы в полном неведении. И теперь у нас есть эти планетарные объекты которые, вероятно, имеют соединения, очень знакомые нам, но в очень экзотических условиях. Мы должны переделать всю фундаментальную минералогическую науку, которую люди сделали в 1800-х годах, но при высоком давлении и низкой температуре. Это захватывающее время.»
Соль и вода, также известные как хлорид натрия и дигидрогеноксид, в изобилии присутствуют в нашем родном мире. При смешивании 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, раствор в конечном итоге замерзает.
Когда это происходит, молекулы располагаются в жесткой решетке st структура, известная 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 спутнике Сатурна Энцеладе ученые обнаружили также обнаружил доказательства наличия соли и воды, только условия, в которых они находятся, сильно отличаются от земных.
Подвержен воздействию почти в вакууме космоса, вдали от Солнца, поверхности этих далеких миров могут стать чрезвычайно 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, создавая довольно экстремальные давления и температуры.
Журно и его коллеги решили исследовать влияние соли на производство льда. Они сжали крошечный шарик 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 Цельсия (-190 градусов по Фаренгейту»).
Они не ожидали, что произойдет дальше.
«Мы пытались измерить, как добавление соли изменит количество льда, которое мы могли получить, поскольку соль действует как антифриз», — объясняет Журно. «Удивительно, но когда мы надавили, 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 воды из одной соли и двух, наблюдаемой в природе на Земле, и согласуется с водянистыми химическими сигнатурами, наблюдаемыми на ледяных лунах.
«У нее есть структура, которую ждали планетарные ученые», — добавляет Журно.
Основным фактором, по словам исследователей, является давление, которое сжимает молекулы вместе 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.
Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы определить, сможет ли это открытие раскрыть тайну ледяной Луны.
«Инфракрасные спектры [гидрата] еще предстоит определить в будущих исследованиях, — пишут исследователи, — но его гипергидратированная структура может решить давнюю загадку неопознанной гидратной фазы на поверхности Европы и Ганимеда».
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
