В обычных условиях лед представляет собой твердое вещество, в котором молекулы воды сохраняют упорядоченное расположение. Однако внутри планет давление и температура могут быть настолько велики, что вода переходит в сверхионное состояние. В нем атомы кислорода образуют устойчивую кристаллическую решетку, а ядра водорода перемещаются сквозь нее почти как жидкость. Благодаря этому сверхионный лед способен проводить электрический ток.

Считается, что подобное вещество может находиться на большой глубине в недрах Урана и Нептуна. Его движение и электропроводность рассматриваются как один из возможных факторов, влияющих на формирование магнитных полей этих планет. При этом до сих пор оставалось не вполне ясно, какую именно кристаллическую структуру принимает сверхионный лед в соответствующем диапазоне условий.

Чтобы изучить этот вопрос, группа ученых из французской Комиссии по атомной энергии и альтернативным источникам энергии воссоздала экстремальные условия в лаборатории. Небольшой образец льда поместили между двумя сверхтвердыми алмазами в специальной камере высокого давления. Затем вещество нагревали лазерами до температуры более 1800 К, а давление доводили до 230 ГПа, т. е. свыше двух миллионов атмосфер.

Структуру образца исследовали методом рентгеновской дифракции на Европейском центре синхротронного излучения. Оказалось, что атомы кислорода при таких условиях формируют гексагональную плотноупакованную решетку, обозначаемую как hcp. При давлениях выше 200 ГПа и температурах около 1800 К эта структура становилась преобладающей, вытесняя ранее известную гранецентрированную кубическую фазу fcc.

Таким образом, сверхионный лед способен переходить между двумя различными кристаллическими формами. Исследователи рассматривают обнаруженное превращение как мартенситный переход – перестройку кристаллической решетки без полного разрушения исходной структуры. Поскольку гексагональная и кубическая формы могут обладать разными электрическими и механическими свойствами, их соотношение должно учитываться при моделировании структуры и процессов в недрах планет.

Пока эксперимент не доказывает, что именно гексагональная форма преобладает в конкретных слоях Урана или Нептуна: для этого необходимо сопоставить лабораторные результаты с профилями давления и температуры на этих планетах. Однако открытие показывает, что свойства сверхионной воды сложнее, чем предполагалось ранее, и может потребовать пересмотра моделей внутреннего строения и магнитного динамо ледяных гигантов.

• Вперёд >