Les références à la glace superionique fournissent de nouvelles informations sur les champs magnétiques inhabituels d’Uranus et de Neptune


Les références à la glace superionique fournissent de nouvelles informations sur les champs magnétiques inhabituels d'Uranus et de Neptune

Comme celui de la Terre, le champ magnétique de Neptune n’est pas statique, mais change avec le temps. Sur la photo, un instantané d’août 2004. Crédit photo : Studio de visualisation scientifique de la NASA

La crème glacée n’est pas seulement de la crème glacée. La forme solide de l’eau se présente dans plus d’une douzaine de structures différentes – parfois plus, parfois moins cristallines – en fonction des conditions de pression et de température de l’environnement. La glace superionique est une forme cristalline spéciale – moitié solide, moitié liquide – et électriquement conductrice. Son existence a été prédite à l’aide de divers modèles et a déjà été observée plusieurs fois dans des conditions de laboratoire extrêmes. Cependant, les conditions exactes dans lesquelles la glace superionique est stable restent controversées.

Une équipe de scientifiques dirigée par Vitali Prakapenka de l’Université de Chicago, dont Sergey Lobanov du Centre de recherche allemand pour les géosciences GFZ Potsdam, a maintenant mesuré la structure et les propriétés de deux phases de glace superioniques (Ice XVIII et Ice XX). Ils ont amené de l’eau dans une cellule à enclume de diamant chauffée au laser à des pressions et des températures extrêmement élevées. Dans le même temps, les échantillons ont été examinés pour la structure et la conductivité électrique. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la célèbre revue Physique naturelle. Ils forment une autre pièce du puzzle dans le spectre des manifestations de l’eau. Et ils peuvent également aider à expliquer les magnétiques inhabituels des planètes Uranus et Neptune, qui contiennent beaucoup d’eau.

Glace chaude

La glace est froide; au moins de la glace de type I de notre congélateur, de la neige ou d’un lac gelé. Dans les planètes ou dans les appareils à haute pression de laboratoire, il existe différents types de glace, par exemple de type VII ou VIII, qui existent à plusieurs centaines ou milliers de degrés Celsius. Cependant, cela n’est dû qu’à des pressions très élevées de plusieurs dizaines de gigapascals.

La pression et la température couvrent l’espace du diagramme de phase d’une substance : en fonction de ces deux paramètres, les différentes manifestations de l’eau et les transitions entre les états solide, gazeux, liquide et hybride sont enregistrées – comme elles sont théoriquement prédites ou ont déjà été prouvé dans des tests.

Les références à la glace superionique fournissent de nouvelles informations sur les champs magnétiques inhabituels d'Uranus et de Neptune

Montré est un instantané du champ magnétique d’Uranus en janvier 2007. Source : Studio de visualisation scientifique de la NASA

Relier la physique fondamentale aux problèmes géologiques

Plus la pression et la température sont élevées, plus ces expériences sont difficiles. Et donc le diagramme de phase de l’eau – avec de la glace comme phase solide – montre encore quelques imprécisions et incohérences dans les zones extrêmes.

« L’eau est en fait un composé chimique relativement simple composé d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Même ainsi, avec son comportement souvent inhabituel, il n’est pas encore entièrement compris. Les intérêts physiques et géoscientifiques fondamentaux se rejoignent dans l’eau car l’eau joue un rôle important au sein de nombreuses planètes, non seulement dans la formation de la vie et des paysages, mais – dans le cas des planètes gazeuses Uranus et Neptune – également dans la formation de leur planète inhabituelle. champs magnétiques », explique Sergey Lobanov, géophysicien au GFZ-Potsdam.

Des conditions uniques en laboratoire

Sergey Lobanov fait partie de l’équipe dirigée par les premiers auteurs Vitali Prakapenka et Nicholas Holtgrewe, tous deux de l’Université de Chicago, et Alexander Goncharov de la Carnegie Institution de Washington. Vous avez maintenant caractérisé plus en détail le diagramme de phase de l’eau à ses extrêmes. Avec des cellules à enclume de diamant chauffées au laser – de la taille d’une souris d’ordinateur – ils ont généré des pressions élevées allant jusqu’à 150 gigapascals (environ 1,5 million de fois la pression atmosphérique) et des températures allant jusqu’à 6 500 Kelvin (environ 6 227 degrés Celsius). Dans la chambre d’échantillonnage, qui ne mesure que quelques millimètres cubes, règnent des conditions qui se produisent à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur à l’intérieur d’Uranus ou de Neptune.

En utilisant la diffraction des rayons X, les scientifiques ont observé comment la structure cristalline change dans ces conditions. Ils ont réalisé ces expériences avec les rayons X extrêmement brillants du synchrotron à la source avancée de photons (APS) du Laboratoire national d’Argonne de l’Université de Chicago. Une deuxième série d’expériences au Earth and Planets Laboratory de la Carnegie Institution de Washington a utilisé la spectroscopie optique pour déterminer la conductivité électronique.

Les références à la glace superionique fournissent de nouvelles informations sur les champs magnétiques inhabituels d'Uranus et de Neptune

Le diagramme de phase montre l’état de l’eau (H2O) dans des conditions de très haute pression ( X) et de température (axe Y). Ces conditions s’appliquent à l’intérieur des planètes glaciaires Uranus et Neptune (champ gris foncé), où l’on atteint des états dans lesquels l’eau devient électriquement conductrice et peut ainsi générer des champs magnétiques (zone en pointillé rouge). A titre de comparaison : à la frontière -manteau de la Terre à une profondeur d’environ 2900 kilomètres, des températures comprises entre 3000 et 4000 Kelvin et des pressions d’environ 135 gigapascals (GPa) sont supposées. Cette pression correspond à près de 14 tonnes par millimètre carré. Image : S. Lobanov, GFZ

Modifications structurelles de la glace lors de son passage dans l’espace des phases : formation de glace superionique

Les chercheurs ont d’abord fabriqué de la glace VII ou X à partir d’eau à température ambiante en augmentant la pression à des dizaines de gigapascals (voir diagramme de phase). Et puis, à pression constante, ils ont élevé la température en les chauffant avec de la lumière laser. Ils ont observé comment la structure cristalline de la glace a changé : d’abord, les atomes d’oxygène et d’hydrogène se sont déplacés un peu autour de leurs positions fixes. Ensuite, seul l’oxygène est resté fixe et a formé son propre réseau cristallin cubique. Avec l’augmentation de la température, l’hydrogène ionisé, c’est-à-dire, a donné son seul électron au réseau d’oxygène. Son noyau atomique – un proton chargé positivement – s’est ensuite précipité à travers ce solide, le rendant électriquement conducteur. Cela crée un hybride de solide et de liquide : la glace superionique.

Son existence a été prédite à l’aide de divers modèles et a déjà été observée à plusieurs reprises dans des conditions de laboratoire. Les scientifiques ont maintenant pu synthétiser et identifier deux phases de glace superioniques – Ice XVIII et Ice XX – et décrire les conditions de pression et de température de leur stabilité. « En raison de leur densité prononcée et de leur conductivité optique accrue, nous attribuons les structures observées aux phases de glace superioniques théoriquement prédites », explique Lobanov.

Conséquences pour l’explication du champ magnétique d’Uranus et de Neptune

En particulier, la transition de phase vers un liquide conducteur a des conséquences intéressantes pour les questions ouvertes sur le champ magnétique d’Uranus et de Neptune, qui se compose vraisemblablement de plus de 60 pour cent d’eau. Leur champ magnétique est inhabituel en ce qu’il n’est pas parallèle et symétrique à l’axe de rotation, comme c’était le cas sur Terre, mais qu’il est oblique et excentrique. Les modèles de sa création supposent donc qu’il n’apparaît pas – comme sur Terre – par le mouvement du fer en fusion dans le noyau, mais plutôt par un liquide conducteur et riche en eau dans le tiers externe d’Uranus ou de Neptune.

« Dans le diagramme de phase, nous pouvons tracer la pression et la température à l’intérieur d’Uranus et de Neptune. Ici, la pression peut être grossièrement considérée comme une mesure de la profondeur à l’intérieur. D’après les limites de phase affinées que nous avons mesurées, nous pouvons voir qu’environ le tiers supérieur des deux planètes est liquide, mais que les intérieurs plus profonds contiennent de la glace superionique solide. Cela confirme les prédictions sur l’origine du champ magnétique observé », résume Lobanov.

perspectives

Le géophysicien souligne que d’autres investigations sont en cours au GFZ afin de mieux élucider la structure interne et le champ magnétique des deux planètes gazeuses. En plus des cellules à enclume diamant déjà utilisées, il y a à la fois le laboratoire haute pression correspondant et les appareils de mesure spectroscopiques très sensibles. Lobanov a créé ce dernier dans le cadre de son parrainage à la tête du Helmholtz Young Investigators Group CLEAR afin d’étudier les phénomènes de la terre profonde avec des techniques de spectroscopie non conventionnelles et ultra-rapides à résolution temporelle.


Deux planètes étranges : Neptune et Uranus restent mystérieuses selon de découvertes


Plus d’information:
Vitali Prakapenka, structure et propriétés de deux phases de glace superioniques, Physique naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41567-021-01351-8. www.nature.com/articles/s41567-021-01351-8

Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands

Citation: Evidence of superionic ice fournit de nouvelles informations sur les champs magnétiques inhabituels d’Uranus et de Neptune (2021, 14 octobre), consulté le 14 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-evidence-superionic-ice – insights- inhabituel.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif seulement.

Laisser un commentaire