Причудливая форма воды может помочь объяснить запутанный магнетизм Урана
Одна из самых необычных особенностей Урана и Нептуна — их магнитные поля. Каждая из этих планет имеет горячую мешанину магнитосферы, отклоненную от оси вращения и сильно отклоненную от оси вращения так, как нельзя увидеть ни на одной другой планете.
Не совсем понятно, почему, но благодаря Команда исследователей из Китая и России может открыть новую часть головоломки: действительно странную ионизированную форму воды, получившую название акводий, которая может существовать глубоко в недрах этих странных ледяных миров с экстремально высоким давлением.
Акодий состоит из обычной молекулы воды с двумя дополнительными протонами, что придает ей суммарный положительный заряд, который – в достаточных количествах – может создавать планетарное магнитное поле, подобное полям Урана и Нептуна.
Планетарные магнитные поля простираются далеко в пространство вокруг планет и производят их. Однако они генерируются глубоко внутри планеты в результате перемещения зарядов, хотя точный механизм может варьироваться.
На Земле это железо-никелевый сплав, кружащийся вокруг ядра, вращающийся, конвекционный и проводящий электричество. , преобразуя всю эту кинетическую энергию в потоки электронов в так называемом динамо. Ученые полагают, что для Юпитера и Сатурна проводником для текущих электронов является металлический водород.
Земля, Юпитер и Сатурн имеют относительно аккуратные магнитные поля, напоминающие поля огромного стержневого магнита, движущегося вдоль оси вращения планеты, а его силовые линии напоминают клетку, аккуратно соединяющую северный и южный полюс.
Магнитные полюса Урана и Нептуна, автор: Напротив, они наклонены на 59 и 47 градусов соответственно от своих осей вращения, а силовые линии магнитного поля постоянно трансформируются и смещаются. И на самом деле они не сосредоточены в ядрах планет.
Одно из возможных объяснений состоит в том, что магнитные поля могут создаваться ионно-проводящей жидкостью, в которой ионы являются носителями заряда, а не жидкость, действующая как канал для электронов.
«Водород, окружающий каменное ядро Юпитера в этих условиях [высокого давления], представляет собой жидкий металл: он может течь, так же, как течет расплавленное железо в недрах Земли, и его электропроводность Это связано с наличием свободных электронов, общих для всех атомов водорода, сжатых вместе», — объясняет химик-теоретик, минералог и физик Артем Оганов из Сколковского института науки и технологий в России.
«Мы думаем, что на Уране Сами ионы водорода, то есть протоны, являются свободными носителями заряда».
Тогда возникает вопрос: какие ионы? Некоторые из них, например аммоний, представляют собой очевидные возможности. Но могут ли молекулы воды на планетах сыграть более важную роль в этом процессе?
Под руководством физика Цзинъюй Хоу из Нанкайского университета в Китае группа исследователей вернулась к основным принципам в сочетании с моделями Как молекулы могут развиваться, углубляясь в концепцию, называемую химической гибридизацией.
Это когда орбитальные элементы атома смешиваются или объединяются для создания атома, который может связываться новыми способами. Существуют разные типы гибридизации, но здесь наиболее актуальна sp3 гибридизация, при которой четыре орбитали образуют тетраэдрическое расположение вокруг центрального ядра.
Каждая из четырех точек тетраэдр имеет либо одиночный электрон, способный связываться с другим атомом, либо электронную пару, которая не может образовывать связи с другими атомами.
Кислород имеет два одиночных электрона и две электронные пары во внешней оболочке. Если вы присоедините атом водорода к каждому из доступных валентных электронов, вы получите H2O – воду.
Иногда водород без своего электрона – также известный как старый добрый протон – прикрепится к одной из электронных пар, образуя молекулу, называемую ионом гидроксония.
«Вопрос был: можно ли к иону гидроксония добавить еще один протон, чтобы восполнить недостающий кусок? Такая конфигурация в нормальных условиях энергетически очень невыгодна, но наши расчеты показывают, что есть две вещи, которые могут сделать это возможным», — говорит физик Сяо Донг из Нанкайского университета.
«Во-первых, очень высокое давление вынуждает материю уменьшать свой объём и делиться ранее неиспользованной электронной парой кислорода с Ион водорода (протон) — это отличный способ сделать это: как ковалентная связь с водородом, за исключением того, что оба электрона в паре происходят от кислорода. Во-вторых, вам нужно много доступных протонов, а это означает кислую среду, потому что это то, что нужно. кислоты — они отдают протоны».
Исследователи провели компьютерное моделирование, и в условиях, аналогичных тем, которые, как считалось, существуют внутри Урана и Нептуна, именно это и произошло. При температуре около 3000 градусов Цельсия (5430 градусов по Фаренгейту) и давлении 1,5 миллиона атмосфер протоны присоединяются к гидронию с образованием H4O2 – акводия.
Это, конечно, пока теоретически. Для дальнейшего изучения этой возможности потребуются более детальные наблюдения за двумя самыми удаленными планетами; но результаты дают нам новый способ понять синие чудаки, которыми являются Уран и Нептун.
И они также имеют значение для химии в целом, представляя, как пишут исследователи, «важное дополнение к традиционным физическим и химические теории, такие как модель отталкивания электронных пар валентной оболочки, перенос протона и теория кислотно-основного состояния».
Исследование опубликовано в Physical Review C.
