Откриването на две нови форми на солената вода може да пренапише фундаменталната химия

Две новооткрити форми на замръзналата солена вода могат да помогнат на учените да разрешат мистерията, свързана с покритите с лед луни на Слънчевата система.

Когато са подложени на по-високи налягания и по-ниски температури от тези на Земята, атомите в хидратирания натриев хлорид – по-известен като солен воден лед – се подреждат в непознати досега структури, в които делът на водните молекули е много по-висок от този на солта.

Това би могло да обясни странния химически характер на странното вещество на повърхността на луната на Юпитер Европа, която изглежда по-водниста, отколкото учените са очаквали.

„В днешно време е голяма рядкост да се направят фундаментални открития в науката“, заяви Баптист Журно, учен от Университета на Вашингтон, който се занимава с изследвания на Земята и Космоса.

„Солта и водата са много добре познати в условията на Земята. Но извън тях ние сме в пълно неведение. И сега ги откриваме върху тези космически обекти, на които вероятно има съединения, които са ни добре познати, но се намират в много екзотични условия. Трябва да преразгледаме цялата фундаментална минералогична наука, която хората са създали през XIX в., но вече при високо налягане и ниска температура. Това е едно много вълнуващо време.“

Солта и водата – известни също като натриев хлорид и дихидроген оксид – са в изобилие на нашия роден свят. Когато се комбинират, молекулите на солта се разтварят в тези на водата, образувайки разтвор. Наличието на сол понижава температурата на замръзване на разтвора в сравнение с безсолната вода, но в крайна сметка той замръзва.

Когато това стане, молекулите се подреждат в твърда решетъчна структура, известна като хидрат. На Земята (извън лабораториите) тази структура има само една конфигурация: една молекула сол на всеки две молекули вода.

На луните като Европа и Ганимед, които са в орбита около Юпитер, и на Енцелад, луната на Сатурн, учените са открили доказателства за наличието на сол и вода, само че условията, в които се намират, са много по-различни от тези на Земята.

Изложени на почти пълен вакуум в космоса, далеч от Слънцето, повърхностите на тези далечни светове могат да станат изключително студени. Под ледената им обвивка се намират океани, които в някои случаи могат да бъдат над 100 пъти по-плътни от най-дълбоките води на Земята, което води до твърде екстремни налягания и температури.

Журно и колегите му се заеха да изследват влиянието на солта върху образуването на леда. Те са пресовали малка капчица солена вода в диамантената клетка на специализирана преса при изключително ниска температура, създавайки налягане до 25 000 пъти по-високо от атмосферното налягане на Земята и същевременно понижавайки температурата до -123 градуса по Целзий (-190 градуса по Фаренхайт).

Те изобщо не са предполагали какво ще се случи след това.

„Опитахме се да измерим по какъв начин добавянето на сол ще промени количеството лед, което можем да получим, тъй като солта действа като антифриз“, обяснява Журно. „Изненадващо, когато увеличихме налягането, видяхме, че започнаха да растат кристалите, за които изобщо не предполагахме, че могат да станат по-големи. Това бе едно съвсем случайно откритие.“

В рамките на експеримента изследователите видяха, че се появяват две нови подредби на молекулите на солта и водата. В едната от тях, на всеки 17 молекули вода се падат две молекули сол, а в другата – 13 молекули вода на една молекула сол. И двете са много различни от естественото съчетание на една молекула сол и две молекули на водата, което съществува на Земята, и съответстват на водните химически характеристики, наблюдавани на ледените луни.

„Тя има именно структурата, която учените, занимаващи се с изследване на планетите, очакваха“, добавя Журно.

Според изследователите основният фактор е налягането, което притиска молекулите и ги принуждава да намерят нови начини за съвместно съществуване. Но дори когато налягането е намалено, един от новооткритите хидрати – този със 17-те водни молекули – остава стабилен до температури от порядъка на -50 градуса по Целзий. Това предполага, че той може да бъде открит и тук, на Земята, вероятно под ледовете на Антарктида.

Необходимо е да се проведат по-нататъшни изследвания, за да се определи дали това откритие може да разреши загадката на ледените луни.

„Инфрачервените спектри на хидратите тепърва ще бъдат определяни в рамките на бъдещи изследвания“, отбелязват изследователите, „но хиперхидратираната им структура може да разреши дългогодишната загадка на неидентифицираната хидратна фаза на повърхността на Европа и Ганимед.“

Научната работа е публикувана в Proceedings of the National Academy of Sciences и популяризирана от изданието ScienceАlert на 21-февруари тази година.

Да напомним, че през следващите няколко години американските и европейските космически агенции ще изпратят два робота да изследват Европа, ледената луна на Юпитер. Веднага щом космическите апарати пристигнат, те ще започнат да търсят следи от живот, които могат да се крият в океана, под ледената кора, която може да бъде с дебелина до 25 км. Вземането на проби съвсем няма да е лесно и затова физиците предлагат в Европа да се изпрати специално устройство, което може да управлява двата вида основни ядрени реакции.