RW Space

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.