Планетарный инжиниринг | Наука

Краткое воздействие импульса высокоэнергетического лазера, например, сродни ударной волне, и результаты могут оказаться самыми неожиданными. Возможно получение минералов, аналогичных тем, что присутствуют на стенах кратеров спутников, или веществ, входящих в состав астероидов и метеоритов. Так можно получить более глубокое представление о составе недр нашей планеты. Сегодня подобные эксперименты уже не кажутся фантастикой и проводятся во многих лабораториях, имеющих соответствующее оборудование. «Мы стали размышлять, как реально можно создать в лаборатории такие условия, которые существуют в недрах планеты», — сказала Арианна Глисон, специалист по экспериментальной физике минералов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и в Стэнфордском университете в Менло-Парк, штат Калифорния. — «берем самые бесхитростные минералы – кварц, полевой шпат — и задаемся вопросом: как они выглядят, каковы их свойства при экстремальных условиях?»

Характеристики планеты в целом (наличие ядра, мантии, магнитного поля, устойчивость к внешним воздействиям, в т. ч. к столкновениям с другими небесными телами) находятся в зависимости от изменений элементов на атомном уровне. Само существование жизни определяется состоянием веществ, из которых состоит Земля.

Инструментарий

До недавнего времени эксперименты проводились при постоянном давлении. Было возможно достижение сочетания высокой температуры и высокого давления, которое поддерживается определённое количество времени (минуты, часы, дни и даже годы). Для этого используется так называемая ячейка с алмазными наковальнями, где образцы буквально стискиваются между камнем и наковальней. После воздействия на материал давлением становится доступным изучение изменений в его химии, молекулярной или кристаллической структуре, визуальных свойствах и фазе. Такой метод исследования называют статическим сжатием, и он показывает себя достаточно информативным.

Однако идти по этому пути нельзя бесконечно. Есть предел и миниатюрности, и прочности образца. Динамическое сжатие, в отличие от статического, позволяет достичь таких параметров давления, которые существуют в ледяном гиганте, суперземле и газовом гиганте. Это позволяет изучать такие события, как ударные контакты, при которых все быстро меняется. Принцип работы установки таков. В испытательную камеру помещается образец-мишень. После того, как на очень высокой скорости в мишень врезаются снаряды, происходит распространение волн давления, после чего учёные могут наблюдать изменение свойств испытываемого образца. Сейчас проводятся эксперименты с использованием лазера для изучения взаимодействия атомов и молекул в глубине планет.

Яркий Сатурн и гелиевый дождь

На Земле дождь –это вода, на Сатурне –жидкий гелий. Сатурн примерно на 50% ярче, чем должен быть в своем возрасте. И дело именно в гелиевых дождях. Они идут на Сатурне, а на Юпитере или Земле их нет. По мнению учёных, в недрах Юпитера и Сатурна водород становится металлическим, то есть, атомы водорода располагаются так плотно, что их электроны перекрываются друг другом .Они считают, что «такие изменения на уровне атомов отражаются в планетарном масштабе». Жидкий металлический водород поддерживает магнитное поле внутри этих газовых гигантов. Вода также становится металлической при таких давлениях. При достаточно высоких давлениях и подходящей температуре водород и гелий растворяются друг в друге, образуя однородную жидкость. Есть такой температурный предел, ниже которого гелий образует капли и в виде таких осадков выпадает в недра планеты.

Алмазы Нептуна

Ледяные гиганты (Уран, Нептун) имеют в своём составе более высокие доли содержания воды, метана и аммиака, чем газовые гиганты. Эксперименты с динамическим сжатием позволили приблизиться к более точному представлению о процессах, которые происходят в такой среде. Динамическое сжатие доказало своё преимущество перед статическим сжатием уже потому, что, в отличие от ячейки с алмазными наковальнями, в данном случае при получении крошечных алмазов удобнее их изучать, зная, что для их получения в качестве инструмента алмазы не использовались. Переносить результаты экспериментов динамического сжатия на всю Вселенную можно с достаточной осторожностью.

Твердожидкая вода

Понимание процессов в недрах таких планет, как Уран и Нептун, поможет людям в изучении экзопланет. Группа исследователей под руководством Милло открыла новое агрегатное состояние при проведении экспериментов–суперионный лед. Учёным удалось искусственно кристаллизовать воду до состояния суперионного льда. Суперионный лед — это такое состояние воды, в котором атомы кислорода, входящие в состав знакомой нам молекулы H2O, образуют кристаллическую решетку, как и в обычном льду. Но, в отличие от того льда, который мы видели в кубиках, в суперионном льду атомы водорода свободно движутся в кристаллической решетке из атомов кислорода. В таком состоянии водород напоминает жидкость внутри твердого кристалла, образованного атомами кислорода. Это очень необычное твердожидкое состояние. Атомы водорода, движущиеся в кристаллической решётке суперионного льда, обладают электрическим зарядом. Это может влиять на магнитное поле планеты и другие характеристики (например, погоду), т.к. внутри планеты происходит перенос энергии. Для более точного представления о Нептуне и Уране пока слишком мало данных. В 80-х годах прошлого века рядом с ними прошел Вояджер-2. В будущем подробности о гравитации, магнитных полях, погоде помогут сопоставить реальность и результаты экспериментов.

Разбираем и собираем Землю

Эксперименты с динамическим сжатием не только расширяют наши знания о недрах нашей планеты, но и могут помочь спрогнозировать возможные последствия внезапных и краткосрочных высокоэнергетических воздействий. К таким событиям можно отнести удары астероидов, которые способны существенно повлиять на эволюцию планеты.

В системе Земля-Луна химические сигнатуры земных и лунных пород свидетельствуют в пользу той версии, согласно которой имело место серьезное импактное событие, произошедшее весьма давно. Сочетая минералогию, физику высоких давлений и компьютерные симуляции, удалось выяснить, что когда-то часть Земли буквально снесло. Из «снесённого» материала образовалась Луна, а сама Земля на какое-то время перестала быть планетой. Она превратилась в расплавленный железокаменный сгусток, напоминающий по форме бублик или летающую тарелку (синестию). Форма её менялась, части вращались с различной скоростью.

Не все планеты одинаково твёрдые

Существует вопрос, на который пока нет окончательного ответа. В стандартной модели планеты, так, как пишут в учебниках, железо, силикаты и атмосфера внутри планеты образуют ярко выраженную слоистую структуру. На этом основаны наши теории о том, как внутри планеты происходит перенос тепла и генерируется магнитное поле.

Однако, изучение условий, при которых смешиваются железо и силикаты, ставит под сомнение это утверждение. Более того, эксперименты с железокремниевыми сплавами показывают, что границы между слоями могут быть достаточно зыбкими.

Прошлое Солнечной системы

Когда-то в Солнечной системе шла настоящая каменная бомбардировка. Радиоизотопная датировка минералов, образовавшихся при таких столкновениях, позволяет оценить, когда это происходило, и определяет, что это было 4 миллиарда лет назад. В зернах минералов присутствуют следы ударных контактов, которые свидетельствуют о силе удара. Еще одна команда исследователей изучает минералы из образцов, взятых с астероидов, Марса и Луны. Такие вещества образуются под действием высокого давления при ударных событиях Изучение истории Солнечной системы и прилагаемые усилия «призваны ответить на вопрос о жизнепригодности молодой Земли и других небесных тел», —говорит Сара Стюарт. —«Можно присмотреться к импактным событиям и сказать, что, возможно, именно из-за них Земля, Марс и Венера такие разные, номы в самом деле не можем объяснить, как это произошло».

Компрессионная физика –перспективы

Новые приборы не только помогают достичь высочайших пределов давления, но и способны повысить скорость экспериментов и сделать их результаты более информативными. Если первые установки по лазерному сжатию были способны делать всего несколько залпов в день, то сегодня на современных установках тестировать образцы можно раз в несколько минут. Учёные полагают, что на ближайших этапах нужно протестировать более реалистичные смеси планетарных материалов, ведь в составе тех же ледяных гигантов не только вода и углеводороды. Также необходимо обращать внимание на ограниченный набор свойств вещества, в частности, на его электропроводимость, вязкость и скорость охлаждения, и искать, как эти величины связаны с крупномасштабными свойствами планет –их яркостью, погодой и магнитными полями. Интересно извлечь и новую информацию из уже изученных веществ, имея в своём распоряжении лазеры. Это способствует получению более точных результатов при измерении образцов, подвергнутых сжатию.

#студентам@mephi_iftis #наука@mephi_iftis