Jupiters isiga måne Callisto. Bildkredit: NASA Klicka för förstoring
När forskare lär sig mer om vårt solsystem har de hittat vattenis i vissa ovanliga situationer. Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory har återskapat denna typ av is i sitt laboratorium; is som antagligen efterliknar villkoren för tryck, temperatur, spänning och kornstorlek som finns på dessa månar. Denna is kan långsamt krypa och virvla runt beroende på månens inre temperatur.
Den vardagliga isen du använder för att kyla ditt glas limonad har hjälpt forskare att bättre förstå den inre strukturen hos isiga månar i solsystemets fjärran.
Ett forskarlag har demonstrerat en ny typ av "krypning" eller flöde i en högtrycksform av is genom att i ett laboratorium skapa förhållanden för tryck, temperatur, spänning och kornstorlek som efterliknar dem i de djupa inre av stora isiga månar.
Högtrycksfaser av is är huvudkomponenter i de jätte iskalla månarna i det yttre solsystemet: Jupiters Ganymede och Callisto, Saturns Titan och Neptuns Triton. Triton är ungefär storleken på vår egen måne; de andra tre jättarna är ungefär 1,5 gånger större i diameter. Accepterad teori säger att de flesta iskalla månar kondenserade som ”smutsiga snöbollar” från dammmoln runt solen (solnebulan) för cirka 4,5 miljarder år sedan. Månarna värmdes internt av denna ackretionsprocess och genom radioaktivt förfall av deras steniga fraktion.
Det konvektiva flödet av is (ungefär som virvlingen i en varm kopp kaffe) i de isiga månens inre kontrollerade deras efterföljande utveckling och nutida struktur. Ju svagare isen, desto effektivare är konvektionen och desto svalare interiören. Omvänt, desto starkare is, desto varmare är interiören och desto större är möjligheten att något som ett flytande inre hav dyker upp.
Den nya forskningen avslöjar i en av isens högtrycksfaser (”is II”) en krypmekanism som påverkas av isens kristallit eller ”kornstorlek”. Denna upptäckt innebär ett betydligt svagare islager i månarna än tidigare trott. Ice II uppträder först vid tryck på cirka 2 000 atmosfärer, vilket motsvarar ett djup på cirka 70 km i den största av de iskalla jättarna. Ice II-lagret är ungefär 100 km tjockt. Trycknivåerna i mitten av de iskalla jättemånarna når så småningom motsvarande 20 000 till 40 000 jordatmosfärer.
Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Kyushu University i Japan och U.S. Geological Survey genomförde krypförsök med hjälp av en testapparat med låg temperatur i Experimental Geophysics Laboratory på LLNL. De observerade och mätte sedan is II-kornstorlek med hjälp av ett kryogent skanningselektronmikroskop. Gruppen hittade en krypmekanism som dominerar flödet vid lägre spänningar och finare kornstorlekar. Tidigare experiment med högre spänningar och större kornstorlek aktiverade flödesmekanismer som inte bero på kornstorlek.
Experimentalisterna kunde bevisa att den nya krypmekanismen verkligen var relaterad till storleken på iskornen, något som tidigare bara hade undersökts teoretiskt.
Men mätningen var ingen enkel prestation. Först måste de skapa is II med mycket fin kornstorlek (mindre än 10 mikrometer, eller en tiondel av tjockleken på ett mänskligt hår). En teknik för snabb cykling av tryck över och under 2000 atmosfärer gjorde så småningom susen. Dessutom upprätthöll teamet en mycket stabil 2000 atmosfär av tryck inom testapparaten för att genomföra ett deformationsexperiment med låg spänning i flera veckor. Slutligen, för att avgränsa is II-kornen och göra dem synliga i det avsökande elektronmikroskopet, utvecklade teamet en metod för att markera korngränserna med den vanliga formen av is ("is I"), som verkade annorlunda från is II i mikroskopet . När gränserna hade identifierats kunde teamet mäta is II: s kornstorlek.
"Dessa nya resultat visar att viskositeten hos en djup isig mantel är mycket lägre än vi tidigare trodde," säger William Durham, en geofysiker i Livermores direktorat för energi och miljö.
Durham sade att testapparatens högkvalitativa beteende vid 2000 atmosfärstryck, samarbetet med Tomoaki Kubo från Kyushu University och framgången med att övervinna allvarliga tekniska utmaningar för ett lyckosamt experiment.
Med hjälp av de nya resultaten konstaterar forskarna att det sannolikt att isen deformeras av den kornstorlekskänsliga krypmekanismen inuti isiga månar när kornen är upp till en centimeter stor.
"Denna nyupptäckta krypmekanism kommer att förändra vårt tänkande om den termiska utvecklingen och den inre dynamiken hos medelstora och stora storlekar på de yttre planeterna i vårt solsystem," sade Durham. "Den termiska utvecklingen av dessa månar kan hjälpa oss att förklara vad som hände i det tidiga solsystemet."
Forskningen visas i 3 mars-numret av tidskriften Science.
Lawrence Livermore National Laboratory grundades 1952 och har ett uppdrag att säkerställa nationell säkerhet och tillämpa vetenskap och teknik på de viktiga frågorna i vår tid. Lawrence Livermore National Laboratory administreras av University of California för U.S. Department of Energy's National Nuclear Security Administration.
Ursprungskälla: LLNL-nyhetsmeddelande
