Jupiterův ledový měsíc Callisto. Obrazový kredit: NASA Klikněte pro zvětšení
Jak vědci získají více informací o naší sluneční soustavě, našli vodní led v některých neobvyklých situacích. Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory znovu vytvořili tento druh ledu ve své laboratoři; led, který pravděpodobně napodobuje podmínky tlaku, teploty, stresu a velikosti zrn nalezené na těchto měsících. Tento led se může pomalu plazit a kroužit kolem v závislosti na teplotě vnitřních měsíců.
Tento každodenní led, který používáte k ochlazování sklenice limonády, pomohl vědcům lépe porozumět vnitřní struktuře ledových měsíců v dalekém dosahu sluneční soustavy.
Výzkumný tým demonstroval nový druh „tečení“ nebo proudění ve vysokotlaké formě ledu tím, že v laboratoři vytvořil podmínky tlaku, teploty, stresu a velikosti zrn, které napodobují ty v hlubokých vnitřcích velkých ledové měsíce.
Vysokotlaké fáze ledu jsou hlavními součástmi obřích ledových měsíců vnější sluneční soustavy: Jupiterův Ganymede a Callisto, Saturnův Titan a Neptunův Triton. Triton je zhruba velikost našeho vlastního měsíce; ostatní tři obři mají průměr přibližně 1,5krát větší. Přijatá teorie říká, že většina z ledových měsíců kondenzovala jako „špinavé sněhové koule“ z oblaku prachu kolem Slunce (sluneční mlhovina) asi před 4,5 miliardami let. Měsíce byly vnitřně zahřívány tímto akrečním procesem a radioaktivním rozpadem jejich skalní frakce.
Konvekční proud ledu (podobně jako víření v horkém šálku kávy) v interiérech ledových měsíců řídil jejich následný vývoj a současnou strukturu. Čím slabší je led, tím účinnější je proudění a chladnější vnitřky. Naopak čím silnější je led, tím teplejší jsou interiéry a tím větší je možnost, že se objeví něco jako tekutý vnitřní oceán.
Nový výzkum odhalil v jedné z vysokotlakých fází ledu („led II“) mechanismus tečení, který je ovlivněn krystalitem nebo „zrnitostí“ velikosti ledu. Toto zjištění naznačuje výrazně slabší ledovou vrstvu v měsících, než se dříve myslelo. Ice II se poprvé objevuje při tlacích asi 2000 atmosfér, což odpovídá hloubce asi 70 km v největším z ledových obrů. Vrstva ledu II je hrubá zhruba 100 km. Hladiny tlaku ve středu ledových obřích měsíců nakonec dosáhnou ekvivalentu 20 000 až 40 000 zemských atmosfér.
Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Kyushu University v Japonsku a USA Geological Survey provedli creep experimenty s použitím nízkoteplotního testovacího zařízení v Experimental Geophysics Laboratory v LLNL. Poté pozorovali a měřili velikost zrn ledu II pomocí kryogenního skenovacího elektronového mikroskopu. Skupina našla mechanismus tečení, který ovládá tok při nižším napětí a jemnějších zrnech. Dřívější experimenty s vyššími napětími a většími zrny aktivovaly tokové mechanismy, které nezávisely na velikosti zrna.
Experti dokázali prokázat, že nový mechanismus dotvarování skutečně souvisí s velikostí ledových zrn, což bylo dříve zkoumáno pouze teoreticky.
Měření však nebylo snadné. Nejprve museli vytvořit led II velmi jemné zrnitosti (méně než 10 mikrometrů, nebo jednu desetinu tloušťky lidských vlasů). Technika rychlého cyklování tlaku nad a pod 2 000 atmosfér nakonec trik. Kromě toho tým udržoval velmi stabilní atmosféru tlaku 2 000 atmosfér ve zkušebním zařízení, aby na konci týdnů provedl experiment deformace při nízkém napětí. Konečně, k vymezení zrn ledu II a jejich zviditelnění v rastrovacím elektronovém mikroskopu, tým vyvinul metodu označení hranic zrn běžnou formou ledu („led I“), která se objevila odlišně od ledu II v mikroskopu . Jakmile byly hranice identifikovány, tým mohl změřit velikost zrn ledu II.
"Tyto nové výsledky ukazují, že viskozita hlubokého ledového pláště je mnohem nižší, než jsme si dříve mysleli," uvedl William Durham, geofyzik z Livermorského ředitelství pro energii a životní prostředí.
Durham uvedl, že vysoce kvalitní chování testovacího zařízení při tlaku 2 000 atmosfér, spolupráce s Tomoaki Kubo z Kyushu University a úspěch při překonávání závažných technických výzev způsobených náhodným experimentem.
Použitím nových výsledků vědci dospěli k závěru, že je pravděpodobné, že se led deformuje mechanismem creepu citlivého na velikost zrna v ledových měsících, když jsou zrna až do centimetrů.
"Tento nově objevený plazivý mechanismus změní naše myšlení o tepelném vývoji a vnitřní dynamice středních a velkých měsíců vnějších planet naší sluneční soustavy," řekl Durham. "Tepelný vývoj těchto měsíců nám může pomoci vysvětlit, co se dělo v rané sluneční soustavě."
Výzkum se objevuje v čísle 3. března časopisu Science.
Společnost Lawrence Livermore National Laboratory, založená v roce 1952, má za úkol zajistit národní bezpečnost a aplikovat vědu a technologii na důležité otázky naší doby. Lawrence Livermore National Laboratory je spravována Kalifornskou univerzitou pro Národní správu jaderné bezpečnosti Ministerstva energetiky USA.
Původní zdroj: LLNL News Release
