Алмазный дождь отменяется? Ученые предлагают новую теорию строения Урана и Нептуна

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Уран и Нептун, ледяные гиганты нашей Солнечной системы, хранят множество тайн. Одна из них — необычная природа их магнитных полей, которые, в отличие от четко выраженных дипольных полей Земли или Юпитера, имеют сложную, многополюсную структуру. Почему так происходит? Долгое время ученые ломали голову над этим вопросом, выдвигая различные гипотезы. Новое исследование, опубликованное в PNAS, предлагает неожиданный ответ: разгадка кроется в фазовом разделении «ледяного коктейля» в недрах этих планет.

Ранее считалось, что мощное магнитное поле планеты генерируется в толстом внутреннем слое. Однако, если магнитное поле Урана и Нептуна рождается в тонком внешнем слое, его многополюсная структура становится объяснимой. Но что представляет собой этот слой и из чего он состоит?

Ледяной гигант, иллюстрация
Ледяной гигант, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Авторы исследования с помощью компьютерного моделирования показали, что смесь воды (H₂O), метана (CH₄) и аммиака (NH₃), из которых предположительно состоят недра ледяных гигантов, при высоких давлениях и температурах, характерных для этих планет, расслаивается. В результате образуется два отдельных слоя: верхний, богатый водой, и нижний, состоящий преимущественно из смеси углерода, азота и водорода (C-N-H).

Фазовая диаграмма H2O по материалам работ. 29-31. Маленькими символами обозначены условия проведенных нами ab initio расчетов уравнения состояния различных материалов.Толстые красные и синие пунктирные линии представляют собой изентропы Урана и Нептуна из работы Редмера и др. (32 здесь и далее см. ориг. исследование). Открытые и заполненные ромбы соответственно показывают условия на верхнем и нижнем концах слоев C-N-H внутренних моделей. Вертикальная пунктирная линия отмечает давление 40 ГПа, при котором, по предположению Стэнли и Блоксхэма, чистая H2O становится достаточно проводящей, 20 S/см, чтобы стать динамо-активной. Зеленая заштрихованная область отмечает условия из статьи. 33, где водород, согласно прогнозам, достигнет отражательной способности 0,3 (левая граница) и проводимости 2 000 S/см (правая граница). Цитирование: B. Militzer, Phase separation of planetary ices explains nondipolar magnetic fields of Uranus and Neptune, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  121 (49) e2403981121,  https://doi.org/10.1073/pnas.2403981121 (2024).
Фазовая диаграмма H2O по материалам работ. 29-31. Маленькими символами обозначены условия проведенных нами ab initio расчетов уравнения состояния различных материалов. Толстые красные и синие пунктирные линии представляют собой изентропы Урана и Нептуна из работы Редмера и др. (32 здесь и далее см. ориг. исследование). Открытые и заполненные ромбы соответственно показывают условия на верхнем и нижнем концах слоев C-N-H внутренних моделей. Вертикальная пунктирная линия отмечает давление 40 ГПа, при котором, по предположению Стэнли и Блоксхэма, чистая H2O становится достаточно проводящей, 20 S/см, чтобы стать динамо-активной. Зеленая заштрихованная область отмечает условия из статьи. 33, где водород, согласно прогнозам, достигнет отражательной способности 0,3 (левая граница) и проводимости 2 000 S/см (правая граница). Цитирование: B. Militzer, Phase separation of planetary ices explains nondipolar magnetic fields of Uranus and Neptune, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (49) e2403981121, https://doi.org/10.1073/pnas.2403981121 (2024).
Автор: B. Militzer Источник: www.pnas.org

Дальнейшее моделирование показало еще более интересную деталь. Оказывается, с ростом давления в нижнем слое происходит постепенное «выжимание» водорода из C-N-H соединения. Это создает градиент концентрации водорода, делая нижний слой стабильно стратифицированным. Иначе говоря, в нем затруднены вертикальные перемещения вещества, что делает этот слой «магнитного немым».

В то же время, верхний, богатый водой слой, остается однородным и конвективным. Именно в нем, по мнению исследователей, и генерируется магнитное поле. Часть водорода, высвободившегося из нижнего слоя, растворяется в воде верхнего слоя, повышая его электропроводность и способствуя возникновению магнитного поля.

На панели (A) в зависимости от сферического радиуса показан профиль плотности моделей интерьеров Урана и Нептуна, которые мы приводим на панелях (B и C). На этих панелях m обозначает фракционную массу каждого слоя. Радиусы фракций и давления на границах слоев указаны в правой части.Более подробная информация приведена в таблице 1.Внутренняя и внешняя пунктирные линии отмечают место перехода из жидкого состояния в суперионное, как предсказывается в чистой H2O (31), и давление 40 ГПа, которое было принято за внешнее давление динамоактивного слоя в работе [12]. Цитирование: B. Militzer, Phase separation of planetary ices explains nondipolar magnetic fields of Uranus and Neptune, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  121 (49) e2403981121,  https://doi.org/10.1073/pnas.2403981121 (2024).
На панели (A) в зависимости от сферического радиуса показан профиль плотности моделей интерьеров Урана и Нептуна, которые мы приводим на панелях (B и C). На этих панелях m обозначает фракционную массу каждого слоя. Радиусы фракций и давления на границах слоев указаны в правой части. Более подробная информация приведена в таблице 1. Внутренняя и внешняя пунктирные линии отмечают место перехода из жидкого состояния в суперионное, как предсказывается в чистой H2O (31), и давление 40 ГПа, которое было принято за внешнее давление динамоактивного слоя в работе [12]. Цитирование: B. Militzer, Phase separation of planetary ices explains nondipolar magnetic fields of Uranus and Neptune, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (49) e2403981121, https://doi.org/10.1073/pnas.2403981121 (2024).
Автор: B. Militzer Источник: www.pnas.org

Для проверки своей гипотезы ученые создали модели внутреннего строения Урана и Нептуна, учитывающие фазовое разделение «ледяного коктейля». Эти модели не только воспроизвели наблюдаемые характеристики гравитационных полей планет, но и показали, что толщина генерирующего магнитное поле слоя соответствует данным о магнитных полях, полученным с «Вояджера-2».

Это исследование предлагает новый взгляд на внутреннюю структуру ледяных гигантов и объясняет загадку их необычных магнитных полей. Полученные результаты могут быть проверены будущими миссиями к Урану, которые смогут более точно измерить состав и структуру его атмосферы и, возможно, даже заглянуть в его таинственные недра.

3 комментария

Добавить комментарий

c
На иллюстрации не водяной гигант, а газовый.
Grolribasi
Иллюстрация от нейросети, какая разница
c
Огромная разница. Она создаёт ошибочные представления.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Птицы — не единственный эксперимент: как динозавры осваивали полет несколько раз

В эволюционной биологии долгое время господствовало представление, что активный машущий полет возник среди позвоночных лишь четыре раза: у насекомых, птерозавров, птиц и рукокрылых. Внутри группы...

Обзор вертикального пылесоса Redkey F10 Pro Ultra со станцией самообслуживания

В этом обзоре мы познакомимся с флагманским вертикальным пылесосом Redkey F10 Pro Ultra, который идёт в комплекте со станцией самообслуживания. Ключевая особенность модели — высокая...

Осина дрожит даже тогда, когда другие деревья стоят спокойно: секрет спрятан в форме одного маленького черешка

В тихий день осину иногда можно узнать ещё до того, как разглядишь кору или листья. Берёзы и клёны вокруг почти неподвижны, а её крона постоянно мерцает: листовые пластинки поворачиваются,...

Собака и пампасная лисица дали потомство: как учёные раскрыли происхождение гибрида

В 2021 году в бразильском городе Вакария автомобиль сбил самку псового с необычной внешностью. Её доставили в центр помощи диким животным при ветеринарном госпитале Федерального университета...

Чапчхэ: как корейское блюдо из овощей со временем превратилось в знаменитую лапшу из сладкого картофеля

Сегодня чапчхэ трудно представить без длинных блестящих нитей данмён. Они тянутся между палочками, пружинят на зубах, собирают на себе соевый соус и кунжутное масло, а между ними мелькают полоски...

Почему сдулся самый амбициозный архитектурный проект современности The Line

Не всем мечтам суждено сбыться. Скорее всего в ближайшие десятилетия мы не увидим реализованную революцию в урбанистике — самый грандиозный проект современности горизонтальный небоскреб...