تحت الضغط الشديد على عمالقة الجليد، يصبح الجليد المائي غريبًا

كل إنسان لديه علاقة شاملة مع الماء تمتد طوال حياته. أجسامنا تتكون من 50% ماء. نشرب الماء، ونستحم به، ونسبح فيه. نحن نتزلج عليها، ونتزلج عليها، ونخوض معها معارك بكرات الثلج. يمكننا أن نأخذ معرفتها كأمر مسلم به.

على الأرض، الماء هو أبسط مركب يمكن فهمه. إنه إما سائل أو صلب أو غاز، وفي المدرسة الثانوية، يعرف معظمنا أنه يمكن فصله إلى الذرات المكونة له. لكن العلم يكشف الحقيقة الغريبة عن الجليد المائي. يحتوي النظام الشمسي على بعض العوالم الغريبة ذات البيئات الغريبة. لكي يكون الماء ماء، يجب أن يحتوي دائمًا على ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. لكن الأبحاث الجديدة تظهر أنه تحت الضغط الشديد، يصبح الجليد المائي متغيرًا محيرًا في الشكل، مما يترك هويته الجزيئية وراءه.

يحمل البحث عنوان “دليل على تقليل التماثل في الماء الصلب فوق 222 جيجا باسكال”، وتم نشره في مجلة كيمياء الاتصالات. المؤلف الرئيسي هو أشكان سلامات، عالم الفيزياء في جامعة نيفادا لاس فيغاس، ومدير مختبر نيفادا للظروف القاسية في الجامعة.

“إنه لأمر مدهش كيف يمكن للمياه أن تتصرف تحت الضغط.” – أشكان سلامات، UNLV.

هناك أكثر من 20 نوعًا من الجليد، ويتشكل كل منها عند ضغط ودرجة حرارة مختلفة. وهي لا تخضع لدرجة الحرارة بشكل صارم، مثل وجود الماء هنا على سطح الأرض. إن اصطلاح التسمية الخاص بهم مربك لغير المتخصصين، لأنه يتم تسميتهم حسب ترتيب الاكتشاف، وليس حسب ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة، كما قد يتوقع المرء. من بينها، يحتل Ice-X مكانة خاصة.

عادة، المواد التي تتعرض للضغط تجعل ذراتها تقترب من بعضها البعض، وعندما تضغط على الأرز، فإنها تشكل ترتيبات ذات تناظر أعلى. هذا ما يحدث مع الجليد وصولاً إلى Ice-X. يتشكل Ice-X تحت ضغط شديد لا يوجد في أي مكان على الأرض، حتى في وشاح الأرض.

مخطط لوغاريتمي خطي للضغط ودرجة الحرارة للمياه. يبقى الماء جزيئيًا حتى الجليد X. يتم تسمية المراحل حسب ترتيب الاكتشاف. مصدر الصورة: بواسطة Cmglee – عمل خاص، CC BY-SA 3.0، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14939155

يكتب المؤلفون: “يتحكم الماء (H2O)، وهو أحد المركبات الأكثر أهمية في النظام الشمسي، في بنية وديناميكيات الكواكب الجليدية، ودورة المياه الأرضية، ومن خلال الانتقال الناجم عن الضغط من الروابط الهيدروجينية إلى الروابط الأيونية، فإنه يُظهر تغيرات ملحوظة على نطاق الضغط الداخلي للكواكب”. يتشكل Ice-X تحت ضغط هائل، وهو نفس الضغط الذي يمارس في أورانوس ونبتون، عمالقة الجليد في النظام الشمسي.

وتحت هذه الضغوط، تتحرك ذرات الأكسجين. إنهم مجبرون على الجلوس في منتصف المسافة تمامًا بين ذرتي هيدروجين، وهي السمة المميزة لـ Ice-X. وهذا يشكل شبكة بلورية مكعبة ومتماثلة، كما هو متوقع. يعد هذا تحولًا مهمًا، حيث يتوقف الجليد المائي عن كونه جزيئيًا. ولكن في الوقت نفسه، فإنه يتوافق مع القاعدة القائلة بأنه تحت الضغط المتزايد، يحتفظ الجليد بالتماثل.

يوضح هذا الرسم التوضيحي الجليد X، الجليد الذي يتشكل تحت ضغوط عالية للغاية. إنها متناظرة، حيث تضطر كل ذرة أكسجين إلى الجلوس في منتصف المسافة تمامًا بين ذرتي هيدروجين. مصدر الصورة: ميليتزر وويلسون، 2010. وكالة الأنباء الجزائرية.

على الرغم من أن الجليد X يتشكل تحت الضغوط الشديدة في أورانوس ونبتون، إلا أن الباحثين أرادوا رؤية ما يحدث تحت ضغط أكبر، وهو نوع الضغط الأكثر شدة الذي يمارس نفسه في أعماق العمالقة الجليدية. فهل سيظهر التناظر المتوقع في ظل هذه الضغوط الشديدة؟ ما هو السلوك الغريب الذي قد يظهر في هذه العوالم؟

وقال سلامات، المؤلف الرئيسي للدراسة، في بيان صحفي: “المياه خارج الظروف الشبيهة بالأرض لها سلوك أكثر تعقيدًا مما كنا نتخيله سابقًا”. “إنه لأمر مدهش كيف يمكن للمياه أن تتصرف تحت الضغط.”

في هذا العمل، وضع المؤلف الرئيسي سلامات وزملاؤه الماء في خلية سندانية ماسية، وهو جهاز تجريبي يضع العينات تحت ضغوط شديدة.

وقال سلامات: “لا يمكننا دخول القشرة أو الغلاف الجوي لهذه الكواكب بسبب المسافة، ولكن لدينا بيانات من أشياء مثل برنامج فوييجر”. “لدينا فكرة عن تركيباتها، والضغط الداخلي ودرجات الحرارة. وفي مختبرات مثل مختبري، يمكننا محاكاة الكيمياء وتجربة ما يمكن أن يحدث داخل هذه الكواكب.”

لقد عرّضوا الماء إلى 35 مليون رطل لكل بوصة مربعة، وهو ضغط أكبر مما يتطلبه تكوين الجليد X. هذا الضغط المرتفع للغاية موجود في أورانوس ونبتون، وأراد الباحثون معرفة ما سيحدث.

استخدم الباحثون التحليل الطيفي والأشعة السينية لمراقبة الترتيب الهيكلي لذرات الهيدروجين والأكسجين المعرضة لضغط شديد في خلية السندان الماسية. لم يصل الماء إلى مستوى أعلى من التماثل كما هو متوقع. وبدلا من ذلك، أظهرت تناظرا أقل. وكتب الباحثون: “هنا نقدم أدلة تجريبية على أن الجليد المائي يخضع للتحول من الجليد X إلى فقدان التماثل المكعب فوق 222(12) GPa”.

222 (+/- 12) جيجاباسكال هو مقدار هائل من الضغط. إنه أكبر بأكثر من مليوني مرة من الضغط الجوي للأرض. كتب المؤلفون: “يمثل هذا التحول بداية نظام جديد من التعقيد الهيكلي في H2O عالي الضغط، مما يعيد تعريف الحد الأعلى للاستقرار لـ Ice-X”.

وعلى الرغم من أن الجليد يفقد تماثله عند هذه الضغوط، إلا أنه لا يزال يتفق مع التنبؤات النظرية، مما يزيل بعض الغرابة. كتب المؤلفون: “إن معادلة الحالة المُقاسة لـ Ice-X وتطور معلمات الخلية للطور المرصود حديثًا تتوافق جيدًا مع النماذج النظرية”، مضيفين أن “هذه التجارب تسلط الضوء على تعقيدات ضغط H2O تحت ضغوط عالية …”

في السنوات الأخيرة، اكتشفنا أن بعض المواد الكيميائية الموجودة على كواكب أخرى قد يكون لها مسارات توليد أخرى غير تلك الموجودة على الأرض. ويعد غاز الميثان على المريخ أحد الأمثلة، وقد يكون الفوسفين على كوكب الزهرة مثالا آخر. هذه ليست أمثلة صلبة، لكنها تلميحات تذكرنا بمدى اختلاف بيئات الكواكب. الدرس المستفاد هو أن الكواكب الأخرى لا تتوافق بالضرورة مع ما نعتقد أنه مسموح به بناءً على فهمنا الأرضي.

يوضح هذا العمل أن الأمر نفسه قد ينطبق على الجليد المائي. لا يمكننا أن نفترض أن أشياء مثل الماء البسيط سوف تتصرف بطرق يمكن التنبؤ بها في البيئات القاسية في أماكن أخرى من النظام الشمسي. على سبيل المثال، يمتلك أورانوس غلافًا سائلًا جليديًا قد يصل إلى ضغط هائل يصل إلى 700 جيجاباسكال (GPa).

وقال سلامات: “إن فهم آليات نظامنا الشمسي وكوننا المرئي أمر بالغ الأهمية لجهود المعرفة الإنسانية”. “عندما نصل في النهاية إلى هذه العوالم، ماذا سنرى؟ نحن حقًا الرواد الأوائل في محاولة الإجابة على هذه الأسئلة في المختبر.”