Горячий лёд на дне кипящего океана

На Земле мы привыкли к простой картине: вода замерзает при 0 °C и превращается в лёд, который легче жидкости и плавает (такой огромный кусок, называемый, в свое время и потопил Титаник). Если нагреть — снова становится водой, а при 100 °C закипает. Эти физическими законы кажутся нам фундаментальными. Как говорят англичане "general truth" (общеизвестно и не требует доказательства). Но стоит выйти за пределы земных условий — и вода начинает вести себя совершенно иначе. Да настолько иначе, что даже в голове не укладывается. 

На некоторых экзопланетах, удалённых от нас на десятки световых лет, могут существовать миры, где поверх огромного океана глубиной около 100 километров лежит слой раскалённой, почти кипящей воды, а на самом дне — твёрдый лёд (!), который остаётся твёрдым при температурах в сотни градусов (!). Это не научная фантастика. Это следствие фазовой диаграммы воды при экстремальных давлениях. Надо просто расширит свое физическое сознание в этом контексте далеко за пределы школьнйо программы.

*** Интересно ! Даже практически несжимаемую воду можно сжать до давления 0,3–0,4 ГПа (3000–4000 бар) - на этой основе работает гидроабразивная резка, в которой вода разгоняется до сверхзвукового давления.
Именно методом гидроабразивной резки на глубине 100 метров водолазы прорезали круглые отверстия в корпусе АПЛ "Курск" в 2001 году под захваты перед процедурой подъема. Несмотря на давление окружающей морской воды, которая фактически "размывала" струю под давлением с абразивом, удалось прорезать как легкий наружный корпус (примерно 8–10 мм стали + толстый слой резинового звукопоглощающего покрытия (до 80 мм) да плюс еще усиленный внутренний корпус (45-50 мм высокопрочной стали).

Вот это давление ! Воскликнете Вы. Но это всего лишь "цветочки". Поскольку ниже мы будем оперировать цифрами давления воды в 30–100 раз выше (10–30 ГПа или 10 000–30 000 бар) ! И именно в такой экзотике и может существовать твердый горячий лед.

Планеты-океаны и «невозможный» лёд

Речь идет о планете Gliese 1214 b (или GJ 1214 b) — так называемая суперземля (планета вне нашей солнечной системы) примерно в 40–48 световых годах от Солнца. Её плотность оказалась ученым подозрительно низкой, и модели допускали, что значительная часть планеты может состоять из воды. Если океан на такой планете действительно достигает глубины порядка 100 км, давление на дне вырастает до десятков гигапаскалей (1 ГПа ≈ 10 000 атмосфер).
Но это еще не все. 
Верхние слои океана из-за близости к звезде Gliese 1214, вокруг которой планета Gliese 1214 b и вращается могут быть очень горячими — вода там фактически «кипит» или даже переходит в сверхкритическое состояние, где исчезает чёткая граница между жидкостью и паром.
Как так ?! А ведь в земных ядерных реакторах это обычное дело. Вода нагревается до 300 °C (!). Это достигается под высоким давлением (около 150–160 атмосфер в первом контуре), поэтому вода не закипает, а остается в жидком состоянии.
Так что прежде чем чему дивляться или не верить, нужно принять во внимание дополнительные факторы. При атмосферном давлении - да кипит при 100 градусах. Но как только давление увеличить, эта цифра может измениться в разы !
Но вернемся в океан Gliese 1214 b.

И вот здесь начинается самое интересное. При озвученных давлениях обычный лёд, который мы знаем (твердый и обязательно холодный), уже давно не существует. Вместо него появляются совершенно другие фантастические кристаллические структуры.

Непостижимая фазовая диаграмма

Чтобы понять, что происходит, нужно смотреть на фазовую диаграмму воды в координатах «давление — температура». На обычных земных диаграммах мы видим лишь крошечный уголок (левая нижняя часть) ! Например в бокале с виски или колой льдинки находятся при температуре около нуля и обычном атмосферном давлении. Если же расширить шкалу давления до сотен гигапаскалей, а температуру — до нескольких тысяч кельвинов, картина радикально меняется. И становится возможным твердый горячий лед.

На диаграмме, составленной по результатам современных экспериментов и расчётов, хорошо видны ключевые области:

• Лёд VII (красная зона) существует при давлении примерно от 2 до 50 ГПа. И мы говорим именно о нем, рассматривая океан Gliese 1214 b.  Структура этого льда — кубическая: атомы кислорода образуют объёмно-центрированную кубическую решётку, а протоны (ядра водорода) разупорядочены. Именно этот лёд чаще всего появляется в моделях глубоких океанов на суперземлях.
• Лёд X (фиолетовая зона) образуется при ещё более высоких давлениях (примерно выше 50 ГПа). Здесь протоны «встают» ровно посередине между атомами кислорода — лёд становится ионным. Он остаётся твёрдым даже при очень высоких температурах.
• Суперионный лёд (зелёная область) — самая экзотическая фаза. Кислородная решётка твёрдая, а протоны ведут себя почти как жидкость и свободно перемещаются внутри кристалла. Такие состояния предсказывают в недрах Урана, Нептуна и горячих водных суперземель.

Чёрная линия на диаграмме — кривая плавления. Она резко поднимается с ростом давления. При 20–40 ГПа температура плавления льда VII уже измеряется сотнями градусов Цельсия (!) Можете себе такое представить ? Именно поэтому на дне глубокого горячего океана может спокойно лежать твёрдый лёд.

Доказано экспериментом

Самое важное: всё это не чистая гипотеза. Высокотемпературные фазы льда уже многократно получали в лабораториях. Учёные используют алмазные наковальни — два крошечных алмаза, между которыми сжимают образец воды до давлений в десятки и сотни гигапаскалей, а затем нагревают лазером. Структуру наблюдают с помощью рентгеновской дифракции и спектроскопии.

Эксперименты подтверждают:

• существование льда в фазах VII и льда X;
• резкий рост температуры плавления с давлением;
• появление суперионных состояний, в которых протоны действительно становятся подвижными, а кислородная решётка остаётся твёрдой.

Точные границы фаз до сих пор уточняются — разные группы иногда получают слегка различающиеся значения температур плавления. Но качественная картина уже вполне надёжна: при достаточно высоком давлении вода может оставаться твёрдой при температурах, при которых на поверхности Земли она давно бы закипела и испарилась.

Что это значит для планет

Если на планете-океане действительно существует слой воды толщиной около 100 км, то на глубине давление достигает значений, при которых лёд VII (а глубже — и лёд X) становится устойчивым. Горячая жидкая вода сверху, твёрдый горячий лёд снизу. Причём этот лёд плотнее жидкости, поэтому он опускается на дно и образует своего рода «ледяную мантию» вокруг скалистого или железного ядра.

Такая структура меняет всё: тепловой режим планеты, возможность химических реакций между океаном и породой, а значит — и перспективы обитаемости. Классическая идея «океан на скалистом дне» здесь не работает. Между водой и силикатами лежит толстый слой экзотического льда.

Заключение

Вода — одно из самых обычных веществ во Вселенной. И одновременно — одно из самых странных. Её фазовая диаграмма при экстремальных условиях показывает, насколько сильно привычные нам земные правила зависят от давления. То, что кажется невозможным в повседневной жизни (твёрдый лёд при температуре кипения), становится вполне естественным в недрах далёких планет.

Именно поэтому истории про «кипящий океан над горячим льдом» звучат так убедительно. Это не красивая сказка. Это прямое следствие необычной и непривычной физики воды, о которой мы сегодня Вам рассказали.