Fiziķi atklājuši jaunu ledus formu, kuras temperatūra pārsniedz 2000 °C

Kad izdzirdam vārdu „ledus“, mūsu prātā parasti rodas aukstuma, ziemas vai saldētavas tēls. Ledus mums šķiet pilnīgi skaidrs jēdziens: ūdens sasalst, kļūst ciets, bet siltumā izkūst. Tomēr fizikas pasaulē ūdens ir daudz dīvaināks, nekā pirmajā brīdī varētu šķist.

Zinātnieki jau sen zina, ka ekstremālos apstākļos ūdens var uzvesties pilnīgi citādi nekā mūsu virtuvē vai dabā. Milzīgs spiediens un tūkstošiem grādu augsta temperatūra var radīt tādus tā stāvokļus, kas izklausās gandrīz kā zinātniskā fantastika. Viens no tiem ir superjoniskais ledus, kas var pastāvēt pat tad, kad temperatūra pārsniedz 2000 °C.

Tas nav ledus, kuram varētu pieskarties ar roku vai ko varētu iemest glāzē. Šāda ūdens forma rodas tikai tur, kur apstākļi atgādina nevis Zemes virsmu, bet tālu planētu dzīles.

Kā ledus var būt karstāks par lavu

No pirmā acu uzmetiena doma par ledu, kura temperatūra pārsniedz 2000 °C, šķiet absurda. Parastos apstākļos ūdens šādā temperatūrā sen būtu pārvērties tvaikā vai sadalījies sastāvdaļās. Taču visu maina spiediens.

Kad ūdens tiek saspiests neiedomājami spēcīgi, tā molekulas vairs nevar uzvesties kā parasti. Milzīgais spiediens notur vielu saspiestu, tāpēc pat ļoti augsta temperatūra to vienkārši „neatbrīvo“ parastās gāzēs. Tā vietā rodas neparasts stāvoklis, kurā ūdens nav ne pilnībā ciets, ne pilnībā šķidrs.

Superjoniskajā ledū skābekļa atomi veido tādu kā stingru karkasu, kas līdzinās kristāliskam režģim. Tikmēr ūdeņraža joni pārvietojas pa šo struktūru daudz brīvāk, gandrīz kā daļiņas šķidrumā. Tieši šādas kustības dēļ šī viela var ļoti labi vadīt elektrību.

Citiem vārdiem sakot, tas ir ledus tikai struktūras un ķīmiskās izcelsmes ziņā, bet ne mūsu ikdienas izpratnē. Tas ir karsts, saspiests, eksotisks un pastāv tādos apstākļos, kurus vienkāršā laboratorijā nav viegli atveidot.

Ko jaunu zinātniekiem izdevies parādīt

Jaunākajā eksperimentā zinātnieki saspieda nelielus ūdens paraugus starp dimanta uzgaļiem. Šāda metode ļauj radīt milzīgu spiedienu ļoti mazā laukumā. Šajā gadījumā tas sasniedza līdz 230 gigapaskāliem – tas ir miljoniem reižu vairāk nekā parastais atmosfēras spiediens.

Tajā pašā laikā paraugi tika karsēti ar lāzeriem. Temperatūra pārsniedza 2600 kelvinus, tas ir, vairāk nekā 2000 °C. Šādus apstākļus vienkāršam cilvēkam ir grūti iztēloties, taču tieši tie var būt līdzīgi apstākļiem, kas valda lielo ledus planētu iekšienē.

Izmantojot ārkārtīgi precīzu rentgenstaru pētījumu, fiziķi noteica, ka ūdens pārgāja jaunā superjoniskā ledus struktūrā. To sauc par sešstūrainu cieši iepakotu struktūru. Vienkārši sakot, skābekļa atomi tajā izvietojas citādi nekā iepriekš zināmajās superjoniskā ledus formās.

No malas tas var šķist kā sīkums. Taču zinātnei šādas atšķirības ir ļoti svarīgas. Atšķirīgs atomu izvietojums var noteikt, kā viela vada elektrību, kā caur to pārvietojas siltums un kā tā uzvedas planētu dzīlēs.

Kāpēc tas ir svarīgi Urānam un Neptūnam

Superjoniskais ledus zinātniekus īpaši interesē Urāna un Neptūna dēļ. Šīs planētas tiek dēvētas par ledus milžiem, taču to iekšienē nav tāda parastā ledus, kādu redzam uz Zemes. Tur valda milzīgs spiediens, augsta temperatūra un vielu stāvokļi, kas mūsu ikdienā nepastāv.

Viens no lielākajiem šo planētu noslēpumiem ir to magnētiskie lauki. Tie nav tik sakārtoti un simetriski kā, piemēram, Zemes magnētiskais lauks. Urānam un Neptūnam ir dīvaini, nobīdīti un sarežģīti magnētiskie lauki, kurus nav viegli izskaidrot.

Superjoniskais ledus varētu būt viena no puzles daļām. Tā kā tas labi vada elektrību, tā kustība planētas iekšienē varētu veicināt magnētiskā lauka veidošanos. Ja izrādās, ka pastāv vairākas atšķirīgas superjoniskā ledus struktūras, zinātniekiem var nākties precizēt planētu iekšienes modeļus.

Tas nozīmē, ka šāds atklājums nav tikai dīvains laboratorijas rekords. Tas var palīdzēt labāk izprast, kas notiek planētās, kuras atrodas miljardiem kilometru no mums.

Vai šāds ledus var pastāvēt uz Zemes

Parastos apstākļos – noteikti ne. Virtuvē, saldētavā vai pat visdziļākajā ziemas sniega kupenā mēs šādu ledu nekad neredzēsim. Tam nepieciešams milzīgs spiediens un ļoti augsta temperatūra.

Tomēr zinātnieki pieļauj, ka dažas superjoniskā ledus formas varētu veidoties arī dziļi Zemes iekšienē, noteiktās subdukcijas zonās, kur viena tektoniskā plātne iegremdējas zem otras. Tas ir vēl viens iemesls, kāpēc šādi pētījumi ir svarīgi ne tikai kosmosam, bet arī mūsu planētai.

Ja līdzīgi ūdens stāvokļi var pastāvēt dziļajos Zemes slāņos, tie varētu ietekmēt siltuma un elektrības vadītspējas, kā arī pat dažu ģeoloģisko procesu izpratni. Pagaidām tā nav ikdienas praktiska ziņa, taču zinātnei šādi atklājumi paver jaunas durvis.

Kāpēc ūdens joprojām pārsteidz zinātniekus

Ūdens šķiet vienkāršs tikai tāpēc, ka mēs pie tā esam ļoti pieraduši. Patiesībā tā ir viena no dīvainākajām un interesantākajām vielām. Tas izplešas, sasalstot, tā cietais stāvoklis peld šķidrajā, bet ekstremālos apstākļos tas var pārvērsties par vielu, kurai vienlaikus piemīt gan cieta ķermeņa, gan šķidruma īpašības.

Jaunā superjoniskā ledus forma atgādina, ka pat vislabāk pazīstamās lietas var slēpt pilnīgi negaidītu pusi. Tas pats ūdens, ko ik dienu dzeram, tālu planētu dzīlēs var būt karsts, saspiests un elektrību vadošs „ledus“, kas palīdz veidot magnētiskos laukus.

Tāpēc šis atklājums ir svarīgs nevis viena iespaidīga skaitļa dēļ. Jā, ledus, kas pastāv temperatūrā virs 2000 °C, izklausās neticami. Taču vēl interesantāk ir tas, ka tas palīdz izprast, cik dīvainas var būt planētu dzīles un cik daudz mēs vēl nezinām par ūdeni.