Νέα μορφή καυτού πάγου σχηματίζεται πάνω από τους 2.000 βαθμούς Κελσίου

Πείραμα που υπέβαλε ένα μικροσκοπικό δείγμα νερού σε συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας οδήγησε στη δημιουργία μιας άγνωστης ως σήμερα μορφής πάγου, ο οποίος σχηματίζεται πάνω από τους 2.000 βαθμούς Κελσίου και δεν αποκλείεται να κρύβεται στο εσωτερικό του Ποσειδώνα και του Ουρανού.

Από το χιόνι στις βουνοκορφές μέχρι τα παγωμένα καλύμματα της Αρκτικής και της Ανταρκτικής, σχεδόν όλος ο πάγος της Γης ανήκει σε μια φάση που ονομάζεται Πάγος Ιh (προφέρεται «πάγος ένα έιτς»), στην οποία τα άτομα νερού διατάσσονται σε εξαγωνικούς κρυστάλλους.

Αν και αφθονεί στη Γη, ο Πάγος Ιh σπανίζει στο Διάστημα. H πιο διαδεδομένη μορφή στο Σύμπαν πιστεύεται ότι είναι ο «άμορφος πάγος», ο οποίος υπάρχει στον διαστρικό χώρο και δεν έχει κρυσταλλική μορφή.

Όλες οι άλλες φάσεις πάγου έχουν μορφή κρυστάλλων. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση, το νερό σχηματίζει τουλάχιστον 23 μορφές, ή «φάσεις», κρυσταλλικού πάγου.

Γάλλοι ερευνητές αναφέρουν τώρα στο έγκριτο περιοδικό Physical Review Letters ότι ανακάλυψαν μια ακόμα φάση, γνωστή προσωρινά ως «εξαγωνικά πυκνά διατεταγμένος πάγος» (hpc, hexagonal close-packed ice), η οποία, εφόσον επιβεβαιωθεί, αναμένεται να λάβει την επίσημη ονομασία Πάγος ΧΧΙΙΙ.

Πρόκειται για μια μορφή «υπεριοντικού» πάγου, στην οποία οι πυρήνες οξυγόνου διατάσσονται σε ένα σταθερό κρυσταλλικό πλέγμα, ενώ οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου κινούνται ελεύθερα. Δεδομένου ότι τα ιόντα υδρογόνου είναι θετικά φορτισμένα, οι υπεριοντικές μορφές πάγου παρουσιάζουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, σε αντίθεση με τον «απλό» Πάγο Ih που είναι μονωτής.

Στον «κανονικό» πάγο Ih τα μόρια του νερού διατάσσονται σε εξάγωνα. Οι διακεκομμένες γραμμές αντιστοιχούν σε δεσμούς υδρογόνου (Wikimedia Commons)

Ο υπεριοντικός πάγος είχε διατυπωθεί ως θεωρητική υπόθεση επί δεκαετίες, προτού οι επιστήμονες επιβεβαιώσουν πειραματικά την ύπαρξή του το 2019, όταν μια ερευνητική ομάδα ανέφερε στο περιοδικό Nature ότι δημιούργησε μια υπεριοντική φάση με εδροκεντρωμένο κυβικό (fcc) πλέγμα οξυγόνου, η οποία είναι πλέον γνωστή ως Πάγος XVIII.

Η ύπαρξη υπεριοντικών μορφών πάγου είχε προταθεί ως θεωρία πριν από δεκαετίες, επιβεβαιώθηκε όμως μόλις το 2019, όταν μελέτη στο περιοδικό Nature περιέγραψε μια υπεριοντική φάση με εδροκεντρωμένο κυβικό (fcc) κρυσταλλικό πλέγμα οξυγόνου, γνωστή σήμερα ως Πάγος XVIII.

Στη νέα μελέτη, η ομάδα του Αλέξις Φορεσριέ, ερευνητή της γαλλικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας και Εναλλακτικών Ενεργειών (CEA) στο Παρίσι, παγίδευσε μικροσκοπικά δείγματα υγρού νερού ανάμεσα σε δύο διαμάντια, ικανά να ασκούν εξαιρετικά υψηλές πιέσεις.

Τα δείγματα και η συμπεριφορά τους εξετάστηκαν με μια ισχυρή δέσμη ακτίνων Χ στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρου στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας.

Η νέα μορφή πάγου εμφανίστηκε αναμειγμένη με άλλες φάσεις σε θερμοκρασία 1086 βαθμών Κέλβιν (813 βαθμοί Κελσίου) και πίεση 80 gigapascal, περίπου 800.000 φορές μεγαλύτερη από την πίεση της ατμόσφαιρας στο επίπεδο της θάλασσας.

«Η περαιτέρω συμπίεση στα 197 GPa και η θέρμανση στους 2.250 K οδήγησαν σε ενίσχυση των ανακλάσεων του hcp σε σχέση με εκείνες του fcc», γράφουν οι ερευνητές. «Τέλος, κατά τον τελευταίο κύκλο θέρμανσης, έως τους 2.630 K και τα 219 GPa, οι κορυφές του fcc σχεδόν εξαφανίστηκαν και η φάση πάγου hcp κυριαρχούσε πλέον ξεκάθαρα».

Η ανακάλυψη, λέει η ερευνητική ομάδα, ίσως βοηθήσει στην επίλυση του μυστηρίου των μαγνητικών πεδίων του Ουρανού και του Ποσειδώνα, στα οποία, αντίθετα με ό,τι συμβαίνει στη Γη, οι μαγνητικοί πόλοι απέχουν πολύ από τους γεωγραφικούς πόλους.

Στην περίπτωση της Γης, το μαγνητικό πεδίο παράγεται από την κίνηση λιωμένων ιόντων σιδήρου στον πυρήνα της Γης. Στην περίπτωση του Ουρανού και του Ποσειδώνα, η κρατούσα θεωρία θέλει το μαγνητικό πεδίο να δημιουργείται από την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων σε ένα στρώμα υπεριοντικού πάγου νερού.

Το νερό, μαζί με την αμμωνία και το μεθάνιο, είναι τα κύρια συστατικά των δύο γίγάντιων πλανητών.

«Η παρούσα παρατήρηση ότι μια hcp μορφή υπεριοντικού πάγου ενδέχεται να υπάρχει βαθύτερα στο εσωτερικό περίβλημα των παγωμένων γιγάντων θα μπορούσε, επομένως, να έχει σημαντικές συνέπειες για τη διαστρωμάτωση και τη δυναμική των υπεριοντικών μανδυών τους», γράφουν οι ερευνητές.

«Τα ευρήματά μας θα πρέπει να ενθαρρύνουν περαιτέρω θεωρητική έρευνα σχετικά με τις φυσικές ιδιότητες του πάγου hcp — ιδίως τη μηχανική του πλαστικότητα και την ηλεκτρική αγωγιμότητά του».

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ Θεσσαλία: Από το «καμίνι» στην πλημμύρα - Ο ρόλος της θερμής Μεσογείου - Τι φέρνει το «Ελ Νίνιο» για την Ελλάδα