Эскизы. 14. Горячие льды...
Вы видели горячий лед? И я не видел. Тем не менее горячие льды с температурой в сотни градусов Цельсия уже были получены в земных опытах, а в недрах достаточно крупных планет могут существовать льды и с температурой в тысячи градусов Цельсия.
Поэтому посмотрим на фазовую диграмму воды, расширенную в области высоких давлений и температур.
4.2. Горячие льды.
Воды во Вселенной - хоть залейся! Ибо самые распространенные в природе элементы: водород, гелий, кислород, углерод и азот. Остальных гораздо меньше. И потому не только на поверхности многих планет, но и в их недрах изобилие воды совсем не редкость. Остается, однако, вопрос - в какой форме может находиться вода в недрах планет? Ведь в недрах планет, как правило, очень даже приличные давление и температуры.
На этот вопрос дает ответ расширенная в область высоких давлений фазовая диаграмма воды на плоскости "давление - температура":
Рис. 1.16. Расширенная фазовая диаграмма воды (из https://de.m.wikipedia.org).
Для ее понимания следует учитывать, что 1 атм. ≈ 1 бар ≈ 105 Пa. О чем будет говорить эта диаграмма, если мы будем считать, что находимся на Земле и вглубь от ее поверхности есть только вода или водяной лед?
На самой поверхности все ясно - при давлении в одну атмосферу вода жидкая в интервале температур от нуля до 100 градусов Цельсия, при более высоких температурах она - газ (пар), при более низких - лед. Причем лед в привычной нам форме Ih с гексагональной (шестигранной) кристаллической решеткой.
На глубине в 10 километров от поверхности (как в Марианской впадине) давление будет уже порядка 103 атм. ≈ 108 Пa. Но при таком давлении ничего принципиально не меняется - лед будет иметь такую же структуру, но вода будет замерзать примерно при минус 10-12°С.
Но на глубине в 100 километров (давление 104 атм. ≈ 109 Пa) со льдом происходят уже заметные изменения. Он образуется при температурах около +30°С и имеет совсем другую кристаллическую структуру, в которой все намеки на шестиугольные снежинки исчезают (лед VI с кристаллической решеткой в виде прямоугольных призм).
А вот на глубине в 1000 километров (давление 105 атм. ≈ 1010 Пa) картина меняется кардинально. Лед образуется уже при температуре близкой к +350°С и структура его решетки - кубическая (лед VII).
Еще большие глубины по температуре и давлению явно выходят за пределы водяной модели Земли. Так, по адекватным моделям Земли давление в ее центре порядка 3,5 млн. атмосфер, а температура порядка 5-6 тысяч градусов. Но диаграмма 1.16. уже при давлении большем чем 106 атмосфер предсказывает льды с температурой более 1000 оК.
Все описанное выше вполне может существовать в недрах более массивных, чем Земля, планет типа Урана, Нептуна, Юпитера и Сатурна. Не говоря уж об огромном числе экзопланет.
Поэтому посмотрим на фазовую диграмму воды, расширенную в области высоких давлений и температур.
4.2. Горячие льды.
Воды во Вселенной - хоть залейся! Ибо самые распространенные в природе элементы: водород, гелий, кислород, углерод и азот. Остальных гораздо меньше. И потому не только на поверхности многих планет, но и в их недрах изобилие воды совсем не редкость. Остается, однако, вопрос - в какой форме может находиться вода в недрах планет? Ведь в недрах планет, как правило, очень даже приличные давление и температуры.
На этот вопрос дает ответ расширенная в область высоких давлений фазовая диаграмма воды на плоскости "давление - температура":
Рис. 1.16. Расширенная фазовая диаграмма воды (из https://de.m.wikipedia.org).
Для ее понимания следует учитывать, что 1 атм. ≈ 1 бар ≈ 105 Пa. О чем будет говорить эта диаграмма, если мы будем считать, что находимся на Земле и вглубь от ее поверхности есть только вода или водяной лед?
На самой поверхности все ясно - при давлении в одну атмосферу вода жидкая в интервале температур от нуля до 100 градусов Цельсия, при более высоких температурах она - газ (пар), при более низких - лед. Причем лед в привычной нам форме Ih с гексагональной (шестигранной) кристаллической решеткой.
На глубине в 10 километров от поверхности (как в Марианской впадине) давление будет уже порядка 103 атм. ≈ 108 Пa. Но при таком давлении ничего принципиально не меняется - лед будет иметь такую же структуру, но вода будет замерзать примерно при минус 10-12°С.
Но на глубине в 100 километров (давление 104 атм. ≈ 109 Пa) со льдом происходят уже заметные изменения. Он образуется при температурах около +30°С и имеет совсем другую кристаллическую структуру, в которой все намеки на шестиугольные снежинки исчезают (лед VI с кристаллической решеткой в виде прямоугольных призм).
А вот на глубине в 1000 километров (давление 105 атм. ≈ 1010 Пa) картина меняется кардинально. Лед образуется уже при температуре близкой к +350°С и структура его решетки - кубическая (лед VII).
Еще большие глубины по температуре и давлению явно выходят за пределы водяной модели Земли. Так, по адекватным моделям Земли давление в ее центре порядка 3,5 млн. атмосфер, а температура порядка 5-6 тысяч градусов. Но диаграмма 1.16. уже при давлении большем чем 106 атмосфер предсказывает льды с температурой более 1000 оК.
Все описанное выше вполне может существовать в недрах более массивных, чем Земля, планет типа Урана, Нептуна, Юпитера и Сатурна. Не говоря уж об огромном числе экзопланет.