Твердий гарячий лід на дні киплячого океану !

На Землі ми звикли до простої картини: вода замерзає при 0 °C і перетворюється на лід, який легший за рідину і плаває (такий величезний шматок, званий айсбергом, свого часу і потопив горезвісний "Титанік"). Якщо нагріти — знову стає водою, а при 100 °C закипає. Ці фізичні закони здаються нам фундаментальними. Як кажуть англійці "general truth" (загальновідомо і не потребує доказів). Але варто вийти за межі земних умов — і вода починає поводитися зовсім інакше. І настільки інакше, що навіть у голові не вкладається. 

На деяких екзопланетах, віддалених від нас на десятки світлових років, можуть існувати світи, де поверх величезного океану глибиною близько 100 кілометрів лежить шар розпеченої, майже киплячої води, а на самому дні — твердий лід (!), який залишається таким при температурах у сотні градусів (!). Це не наукова фантастика. Це наслідок фазової діаграми води при екстремальних тисках. Треба просто розширити свою фізичну свідомість у цьому контексті дещо за межі шкільної програми.

*** Цікавий факт ! Навіть воду, що практивно не стискається, можна стиснути до тиску 0,3–0,4 ГПа (3000–4000 бар) - на цій основі працює гідроабразивне різання, в якому вода розганяється до надзвукового тиску.
Саме методом гідроабразивного різання на глибині 100 метрів водолази прорізали круглі отвори в корпусі АПЛ "Курськ" у 2001 році під захоплювальні пристрої перед процедурою підйому. Незважаючи на тиск навколишньої морської води, яка фактично "розмивала" струмінь під тиском з абразивом, вдалося прорізати як легкий зовнішній корпус (приблизно 8–10 мм сталі + товстий шар гумового звукопоглинального покриття (до 80 мм) та плюс ще посилений внутрішній корпус (45-50 мм високоміцної сталі).

Оце так тиск ! Вигукнете Ви. Але це всього лише "днібнички". Оскільки нижче ми оперуватимемо цифрами тиску води у 30–100 разів вищими (10–30 ГПа або 10 000–30 000 бар) ! І саме в такій екзотиці і може існувати твердий гарячий лід.

Планети-океани та гарячий твердий лід

Мова йде про планету Gliese 1214 b (або GJ 1214 b) — так звану суперземлю (планета поза нашою сонячною системою) приблизно за 40–48 світлових років від Сонця. Її щільність здалася вченим підозріло низькою, і вони на підставі цього припускали, що значна частина планети може складатися з води. Якщо океан на такій планеті дійсно досягає глибини близько 100 км, тиск на дні зростає до десятків гігапаскалів (1 ГПа ≈ 10 000 атмосфер).
Але це ще не все. 
Верхні шари океану через близькість до зірки Gliese 1214, навколо якої планета Gliese 1214 b і обертається, можуть бути дуже гарячими — вода там фактично «кипить» або навіть переходить у надкритичний стан, де зникає чітка межа між рідиною та парою.
Як так ?! Але ж в "земних" ядерних реакторах це звичайна справа. Вода нагрівається до 300 °C (!). Це досягається під високим тиском (близько 150–160 атмосфер у першому контурі), тому вода не закипає, а залишається у рідкому стані.
Тож перш ніж чомусь дивуватися чи не вірити, потрібно взяти до уваги додаткові фактори. При атмосферному тиску - так, кипить при 100 градусах. Але як тільки тиск збільшити, ця цифра може змінитися в рази !
Але повернемося в океан Gliese 1214 b.

І ось тут починається найцікавіше. При озвучених значеннях тиску, звичайний лід, який ми знаємо (твердий і обов'язково холодний), уже давно не існує. Замість нього з'являються зовсім інші фантастичні кристалічні структури.

Неймовірна фазова діаграма

Щоб зрозуміти, що відбувається, потрібно дивитися на фазову діаграму води в координатах «тиск — температура». На звичайних земних діаграмах ми бачимо лише крихітний куточок (ліва нижня частина) ! Наприклад, у келиху з віскі або колою крижинки перебувають при температурі близько нуля і звичайному атмосферному тиску. Якщо ж розширити шкалу тиску до сотень гігапаскалів, а температуру — до кількох тисяч кельвінів, картина радикально змінюється. І стає можливим твердий гарячий лід.

На цій діаграмі, складеній за результатами сучасних експериментів та розрахунків, добре видно ключові області:

• Лід VII (червона зона) існує при тиску приблизно від 2 до 50 ГПа. І ми говоримо саме про нього, розглядаючи океан Gliese 1214 b.  Структура цього льоду — кубічна: атоми кисню утворюють об'ємно-центрирану кубічну ґратку, а протони (ядра водню) розупорядковані. Саме цей лід найчастіше з'являється у моделях глибоких океанів на суперземлях.
• Лід X (фіолетова зона) утворюється при ще вищих тисках (приблизно вище 50 ГПа). Тут протони «стають» рівно посередині між атомами кисню — лід стає іонним. Він залишається твердим навіть при дуже високих температурах.
• Суперіонний лід (зелена область) — найекзотичніша фаза. Киснева ґратка тверда, а протони поводяться майже як рідина і вільно переміщуються всередині кристала. Такі стани передбачають у надрах Урана, Нептуна та гарячих водних суперземлях.

Чорна лінія на діаграмі — крива плавлення. Вона різко піднімається зі зростанням тиску. При 20–40 ГПа температура плавлення льоду VII вже вимірюється сотнями градусів Цельсія (!) Можете собі таке уявити ? Саме тому на дні глибокого гарячого океану може спокійно лежати твердий лід.

Доведено експериментом

Найважливіше: все це не чиста гіпотеза. Високотемпературні фази льоду вже неодноразово отримували в лабораторіях. Учені використовують алмазні ковадла — два крихітних алмази, між якими стискають зразок води до тисків у десятки й сотні гігапаскалів, а потім нагрівають лазером. Структуру спостерігають за допомогою рентгенівської дифракції та спектроскопії.

Експерименти підтверджують:

• різке зростання температури плавлення з тиском;
• існування льоду у фазах VII та льоду X;
• появу суперіонних станів, у яких протони дійсно стають рухливими, а киснева ґратка залишається твердою.

Точні межі фаз досі уточнюються, але якісна картина вже цілком зрозуміла: при достатньо високому тиску вода може залишатися твердою при температурах, при яких на поверхні Землі вона давно б закипіла й випарувалася.

Що це означає для планет

Якщо на планеті-океані дійсно існує шар води товщиною близько 100 км, то на глибині тиск досягає значень, при яких лід VII (а глибше — і лід X) стає твердим. Гаряча рідка вода зверху, твердий гарячий лід знизу. Причому цей лід щільніший за рідину, тому він опускається на дно й утворює свого роду «крижану мантію» навколо кам'янистого або залізного ядра.

Така структура змінює все: тепловий режим планети, можливість хімічних реакцій між океаном і породою. Класична ідея «океан на скелястому дні» тут не працює. Між водою та силікатами лежить товстий шар екзотичного льоду.

Висновок

Вода — одна з найзвичніших речовин у Всесвіті. І одночасно — одна з найдивніших. Її фазова діаграма при екстремальних умовах показує, наскільки сильно звичні нам земні правила залежать від тиску. Те, що здається неможливим у повсякденному житті (твердий лід при температурі кипіння), стає цілком природним у надрах далеких планет.

Саме тому історії про «киплячий океан над гарячим льодом» звучать так переконливо. Це не красива казка. Це прямий наслідок незвичайної та незвичної фізики води, про яку ми сьогодні Вам розповіли.