Железный снег: секрет планетных динамо, раскрытый в лаборатории

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мы все знаем, что снег — это кристаллы воды, которые образуются в холодной атмосфере и падают на землю, где они тают или превращаются в лед. Но вы когда-нибудь слышали о железном снеге? Это явление, которое, по мнению ученых, происходит в расплавленных ядрах некоторых планет и спутников. Там железо охлаждается и кристаллизуется около границы с мантией, а затем плавится, когда опускается в более горячие слои ядра. Это движение железного снега может быть ответственно за создание магнитных полей в этих телах, но его динамика до сих пор остается загадкой.

Железный снег может возникнуть, когда охлаждение вблизи границы ядра и мантии приводит к образованию кристаллов железа. Эти кристаллы растут, затем погружаются в горячее ядро и плавятся
Автор: Image by Ludovic Huguet and map texture from NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington Источник: phys.org

В этой статье хочу рассказать о новом эксперименте ученых, которые впервые воссоздали железный снег в лаборатории, используя водяной лед. Их исследование было опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

Эксперимент с водяным ледом

Железный снег — это сложное явление, которое трудно изучать непосредственно, поскольку оно происходит в недоступных для наблюдения условиях высокого давления и температуры. Поэтому ученые прибегают к аналогиям и моделям, которые могут воспроизводить некоторые аспекты железного снега в более простых и контролируемых ситуациях.

Один из таких аналогов — это водяной лед, который имеет схожие свойства с железом в том смысле, что он плотнее в твердом состоянии, чем в жидком, и что он может образовывать кристаллы при охлаждении. Исследовательская группа под руководством Людовика Хюге из Французского национального центра научных исследований (CNRS) использовала водяной лед, чтобы смоделировать железный снег в лаборатории.

Их экспериментальная установка состояла из бака с водой, который охлаждался снизу, с слоем соленой воды на дне, чтобы предотвратить прилипание ледяных кристаллов. Когда нижние слои пресной воды охлаждались, они образовывали ледяные кристаллы, которые всплывали вверх и таяли, когда достигали теплой воды. Это создавало опрокидывающую циркуляцию, которая, наряду со скрытым теплом, создаваемым образованием кристаллов, в конечном итоге нагревала нижние слои воды и останавливала образование ледяных кристаллов. Когда вода достаточно охлаждалась снова, процесс начинался заново.

а) Схематическое изображение режима железного снега в ядре планеты. Кристаллы железа затвердевают в жидкой массе вблизи границы ядра и мантии и оседают в более горячей и глубокой части жидкого ядра, где плавятся. Обратите внимание, что эксперименты перевернуты вверх ногами по сравнению с ядром (синие стрелки). (b) Экспериментальная установка при t = 0. Бак охлаждается снизу. Нижний соленый слой (зеленый) предотвращает прикрепление кристаллов к поверхности дна. (c) При t > 0 свободные кристаллы растут в переохлажденном слое между границей раздела жидкость/жидкость и изотермой ликвидуса. Плавучие кристаллы оседают в верхней части резервуара и плавятся, достигнув ликвидуса. Серая градиентная зона указывает на незначительную солевую стратификацию из-за диффузии солей из нижнего слоя.
Автор: Ludovic Huguet, Michael Le Bars, Renaud Deguen Источник: agupubs.onlinelibrary.wiley.com

Ученые измеряли температуру, плотность и скорость воды в разных точках бака, а также снимали видео движения ледяных кристаллов. Они обнаружили, что образование ледяных кристаллов происходило не постоянно, а с периодическими вспышками, которые повторялись примерно каждые 1400 секунд в их экспериментах. Эта частота зависела от теплопроводности в охлаждающем слое, с некоторой вариабельностью, вероятно, из-за неоднородности зарождения кристаллов.

Импликации для планетарных магнитных полей

Что же это значит для планетарных магнитных полей? Ученые предполагают, что аналогичные вспышки образования железного снега могут происходить в расплавленных ядрах некоторых планетных тел, таких как Меркурий и спутник Юпитера Ганимед. Эти тела имеют магнитные поля, которые, по-видимому, генерируются динамо-эффектом в их ядрах. Динамо-эффект — это процесс, при котором движение электропроводящей жидкости (такой как расплавленное железо) создает электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле.

Однако динамо-эффект не всегда стабилен и может включаться и выключаться в зависимости от условий в ядре. Например, на Земле магнитное поле периодически меняет свою полярность, то есть северный и южный магнитные полюса меняются местами. Это происходит примерно раз в 100-200 тысяч лет и связано с изменениями в потоках расплавленного железа в ядре.

Ученые предполагают, что вспышки образования железного снега могут быть одним из факторов, которые влияют на динамо-эффект в ядрах некоторых космических тел. Когда железный снег образуется, он создает внутренние потоки жидкости в ядре, которые могут усиливать или ослаблять динамо-эффект. Таким образом, магнитные поля этих тел могут появляться и исчезать с периодичностью, зависящей от циклов образования железного снега.

Эта гипотеза может объяснить, почему некоторые планеты имеют магнитные поля, а другие — нет, или почему магнитные поля некоторых тел меняются со временем. Например, Марс когда-то имел магнитное поле, но потерял его около 4 миллиардов лет назад, возможно, из-за остывания его ядра. С другой стороны, Венера, которая имеет похожий на Землю размер и состав, не имеет магнитного поля, возможно, из-за слишком медленного вращения или слишком вязкого ядра. А спутник Сатурна Энцелад, который имеет тонкий ледяной корпус и подповерхностный океан, имеет слабое магнитное поле, которое меняется в зависимости от его расстояния от Сатурна.

Все эти примеры показывают, что магнитные поля планет и спутников — это сложные и динамичные явления, которые зависят от многих факторов, включая образование железного снега. Чтобы лучше понять их происхождение и развитие, ученым нужно проводить больше экспериментов, моделирований и наблюдений, которые могут раскрыть секреты планетарных динамо.