Влияние давления. Тяжёлые льды

Рис. 3. Диаграмма состояния кристаллических льдов

Игры со льдами, как правило, связаны с их охлаждением до температур сухого льда, жидкого азота, а то и гелия,а также со сжатием до давления в тысячи атмосфер. Общее представление о результатах можно получить, глядя на рисунок 3, где показана диаграмма состояния кристаллических льдов. Детали же таковы.

Многие льды высокого давления можно сохранить и при нормальном давлении. Для этого их охлаждают в жидком азоте, а затем давление сбрасывают. Именно на таких закалённых льдах и были проведены основные исследования. Они показали, что их строение весьма разнообразно.

Структуру первого льда высокого давления, льда II, определили на заре исследований в этой области, когда появились первые мощные приборы для рентгеноструктурного анализа, а именно в 1964 году. Как оказалось, этот лёд состоит из полых колонок, образованных шестизвенными гофрированными циклами. Каждая колонка окружена шестью такими же колонками, сдвинутыми друг относительно друга на треть периода. Структуру этого льда можно получить, если часть сот льда I_h развалить и превратить их в ажурные каркасы, связывающие остальные соты (рис. 4). При этом размер получившихся шестигранных каналов сильно увеличивается — именно у льда II самые широкие каналы, их диаметр составляет 3 Å. В таких каналах могут располагаться атомы гелия, неона и даже молекулы водорода.

Рис. 4. Лёд II

Главная странность, связанная с льдом II, состоит в том, что в чистом виде его никто не получал — он стабилизируется в присутствии следовых количеств газов. Если, например, давление создают с помощью гелия, он неизбежно растворится в замерзающей воде. Есть сведения, что аргон — другой инертный газ, пригодный для использования в этой установке, — тоже способен дать твёрдые растворы. А расположен лёд II на диаграмме состояния между льдом III и льдом IX. Они различаются между собой упорядочением протонов, кислородный же каркас у них одинаков: спирали из одних молекул воды, как будто нанизанные на оси из других молекул воды (рис. 5).

Рис. 5. Льды III и IX обладают одинаковыми каркасами

Исследования льда III проводить сложно: нет никакой возможности его закалить. При охлаждении до температуры жидкого азота, 78К, он неизбежно упорядочивается и становится льдом IX. Расположение льда II с его оригинальной структурой между двумя столь похожими льдами представляется не совсем законным, однако исследователи всё-такисчитают его настоящим льдом.

Получить гидраты того же гелия на основе льда II можно двумя способами. Во-первых,приложить (в атмосфере гелия) к воде давление в 0,28–0,5 ГПа и охладить её до 250–270К. Хотя в этой области диаграммы стабильны льды III и V, получится гидрат на основе льда II. Что интересно, протоны в нём уже упорядочены. (Обычно они упорядочиваются только при сильном охлаждении уже получившегося льда.) Во-вторых, можно растворить гелий во льду I_h при низкой температуре и давлении 0,3 ГПа. Появление гелия приводит к расширению кристаллической решётки, и затем её нагрев до 180К помогает пройти структурному превращению.

Относительная лёгкость получения твёрдых растворов в льду II, а также его высокий потенциал в качестве хранилища газообразного водорода (одна молекула газа на шесть молекул воды) привлекают к нему внимание учёных-практиков: сейчас активно обсуждается возможность его применения в водородной энергетике.[4]

Метастабильные льды

Помимо стабильных, есть и два метастабильных льда, IV и XII. Лёд IV заметили ещё во время первых работ по созданию диаграммы состояния льда. Он получается вместо льда V или VI при замерзании переохлаждённой воды в соответствующем интервале давлений. Как видно из рисунка 9, этот лёд обладает самой красивой структурой.

Рис. 8. Лёд XII

Вообще-то обычно при застывании переохлаждённой воды возникает сразу несколько метастабильных льдов, но лишь лёд IV существует достаточно долго, чтобы его можно было исследовать, остальные же переходят в стабильные фазы за считаные секунды. Один из таких метастабильных льдов — это лёд XII (рис. 8). В 1998 году его случайно открыли Джон Финни с коллегами, изучая гидраты аргона. Они медленно охлаждали тяжёлую воду в атмосфере аргона при 0,55 ГПа и температуре 260К и неожиданно получили новую модификацию льда.

Рис. 9. Структура льда IV

А спустя два года оказалось, что лёд XII существует не только в узкой полоске вблизи линии холодной воды, но и в большой области низких температур в районе стабильности льда VI. Правда, попасть туда с помощью охлаждения нельзя. Для этого надо сжимать лёд I_h до давления 1,8 ГПа при температуре жидкого азота. Обычно при этом получается аморфный лёд высокой плотности. Однако в одном из опытов М. Коза с коллегами получили кристаллический лёд. Как оказалось, дело было в несовершенстве аппаратуры. Во время сжатия возникали внезапные скачки давления, которые сильно нагревали образец, местами до 260К. Этот-то нагрев и приводил к кристаллизации аморфного льда. Несмотря на то что энергия льда XII оказывается выше, чем у стабильного льда VI, он, образовавшись, ведёт себя как вполне стабильная фаза. В конце концов, алмаз при нормальных условиях тоже метастабилен, но это не мешает ему существовать миллионы лет, не превращаясь в стабильный графит.[4]

Лёд в космосе

Лёд – самая распространённая горная порода во Вселенной. Марс, Юпитер, Сатурн, Уран содержат огромные массы льда, а некоторые спутники планет сложены им почти полностью. Например спутник Юпитера – Европа(Рис 10.). Он же Юпитер II — шестой спутник Юпитера, наименьший из четырёх

Рис 10. Снимок Европы

галилеевых спутников, один из самых крупных спутников в Солнечной системе. По размерам уступая земной Луне, Европа состоит из силикатных пород, а в центре спутника находится железное ядро. Поверхность состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; она испещрена поперечно-полосатыми трещинами и полосами, в то время как кратеров практически нет. Легко заметная молодость и гладкость поверхности привели к гипотезе, что на Европе находится подповерхностный океан, состоящий из воды, который может служить пристанищем для внеземной микробиологической жизни.[6]

Большое сосредоточение льда так же наблюдается на Плутоне. Как и большинство объектов в поясе Койпера, Плутон состоит в основном из горных пород и льда и он относительно мал: его масса меньше массы Луны в пять раз, а объём — в три раза. Вероятностное строение Плутона приведено на кртинке ниже.(Рис 11.).

Рис 11. Вероятная структура Плутона. 1. Замёрзший азот 2. Водный лёд 3. Силикаты и водный лёд

Так же лед есть и в ядрах комет (Рис 12.). Ядро — твёрдая часть кометы, имеющая сравнительно небольшой размер. Вокруг ядра активной кометы (при его приближении к Солнцу) образуется кома.

Ядра комет состоят изо льда с добавлением космической пыли и замороженных летучих соединений: диоксида углерода, метана, аммиака.

Рис 12. Строение кометы

Один из интереснейших примеров нахождения льда в космосе являются кольца Сатурна(Рис.13). В 1952 году исследование спектральных

Рис.13 Сатурн

характеристик колец позволило сделать вывод, что они содержат большое количество замерзшей воды. Это был очень важный момент, поскольку наконец-то была определена природа материальной составляющей. Несколько позже установили, что кроме льда кольца содержат водород, аммиак, метан, серные соединения и ферросиликаты.[5]

Доктрина вечного льда

Доктрина вечного льда — неакадемическая космологическая гипотеза, предложенная австрийским инженером Гансом Гербигером в начале XX века и позднее воспринятая нацистской наукой. Гербигер основывал свою концепцию не на научных опытах, а на озарении. Согласно этой доктрине Солнечная система образовалась в результате взаимодействия сверхсолнца (огненной сферы) и космического льда (вроде того, из которого состоят кометы). Это взаимодействие носило катастрофический характер, что предопределяло нелинейный характер развития. По мысли Гербигера дальние планеты Солнечной системы (ныне это подтвердилось только для Плутона), а также Млечный путь (который по описаниям Гёрбигера более напоминает известный современной науке Пояс Койпера) состоят из космического льда. Первоначально Солнечная система насчитывала до 30 планет.

Предполагалось, что у Земли было четыре последовательно сменившие друг друга Луны, которые маркировали собой четыре геологические эпохи. Три луны уже упали на Землю, обозначив три всемирных катаклизма. Падение четвертой (нынешняя) Луны предсказано Иоанном Богословом. В приближении лун к земле усматривалась причина периодического гигантизма живых существ (гигантских насекомых, динозавров)

После смерти Гёрбигера доктрина вечного льда получила историософское толкование. Так Советская Россия была истолкована как сосредоточие сил вечного льда в противовес свастичному солярному Третьему рейху.[2]

Лед на луне

2 года назад РИА Новости опубликовали данные полученные с лунного зонда НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Лунный зонд НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) с помощью радара Mini-RF зафиксировал присутствие водяного льда на дне одного из кратеров у северного полюса Луны, сообщается на сайте проекта.

Обнаружение признаков присутствия льда и воды на Луне, которая ранее считалась абсолютно сухим миром, стало одним из самых значимых открытий последних двух лет. Данные сразу нескольких аппаратов, в числе которых индийский "Чандраян-1", американские LRO, LCROSS и Deep Impact, показали присутствие на Луне льда, также гидроксильных групп, возникающих под действием солнечного ветра.

Обработка данных, полученных с американского радара Mini-SAR на борту индийского зонда "Чандраян", показала, что в кратерах в районе лунного северного полюса может находиться по меньшей мере 600 миллионов тонн водяного льда.

Рис 12. Снимок кратера у северного полюса Луны.

Новые снимки с радара LRO, просканировавшего один из вечно затененных кратеров на дне 177-километрового кратера Рождественский, позволили ученым "увидеть" часть этих запасов, которые могут в будущем пригодиться при освоении Луны.

Впервые этот кратер в качестве возможного месторождения льда заметил "Чандраян-1". Однако радар Mini-RF обладает в десять раз большим разрешением. Это позволило ученым с высокой точностью замерить уровень круговой поляризации отраженного сигнала, которая зависит от свойств поверхности. В частности, высокий уровень круговой поляризации может свидетельствовать о присутствии отложений льда.

На снимках, полученных с LRO, хорошо видно большое количество красных точек на дне кратера - мест, где коэффициент круговой поляризации выше 1,2. Регионы с уровнем круговой поляризации выше 1 редко встречаются в природе. Помимо присутствия льда, этот параметр может указывать на относительно свежие выброшенные породы, однако в этом случае красные точки концентрировались бы в окрестностях кратера, куда выбрасывается порода после падения метеорита.

Высокий уровень круговой поляризации означает, скорее всего, именно присутствие отложений льда.

Луна изначально "сухой мир", лунные условия не позволяют удержаться на поверхности ни льду, ни водяному пару. Однако ученые полагают, что лед на Луне мог появиться за счет "экспортных поставок" - его приносят кометы.

Из-за того, что ось вращения Луны отклонена от вертикали к плоскости Солнечной системы всего на полтора градуса, на лунных полюсах есть возвышенности, где Солнце никогда не заходит, а на дне кратеров есть площадки, где, наоборот, светило никогда не появляется. На дне некоторых лунных полярных кратеров царит космический холод - температура там менее минус 200 градусов Цельсия.

После падения кометы на Луну образовавшийся водяной пар осаждается на поверхности такой "холодной ловушки" и остается там навсегда.[1]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: