قمر المشتري الجليدي كاليستو. حقوق الصورة: ناسا اضغط للتكبير
بينما يتعلم العلماء المزيد عن نظامنا الشمسي ، وجدوا الجليد المائي في بعض المواقف غير العادية. باحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني أعادوا صنع هذا النوع من الجليد في مختبرهم. الجليد الذي ربما يحاكي ظروف الضغط ودرجة الحرارة والضغط وحجم الحبوب الموجودة على هذه الأقمار. يمكن أن يتسلل هذا الجليد ببطء ويدور حوله اعتمادًا على درجة حرارة الأجزاء الداخلية للأقمار.
لقد ساعد هذا الجليد اليومي الذي تستخدمه في تبريد كوب عصير الليمون الباحثين على فهم البنية الداخلية للأقمار الجليدية في المناطق النائية من النظام الشمسي بشكل أفضل.
أظهر فريق بحث نوعًا جديدًا من "الزحف" أو التدفق ، في شكل عالي الضغط من الجليد من خلال إنشاء في المختبر ظروف الضغط ودرجة الحرارة والضغط وحجم الحبوب التي تحاكي تلك الموجودة في المناطق الداخلية العميقة من أقمار جليدية.
تعد مراحل الضغط العالي للجليد مكونات رئيسية للأقمار الجليدية العملاقة في النظام الشمسي الخارجي: المشتري جانيميد وكاليستو ، زحل تيتان ، ونبتون تريتون. Triton هو تقريبًا حجم قمرنا ؛ العمالقة الثلاثة الأخرى يبلغ قطرها حوالي 1.5 مرة. تقول النظرية المقبولة أن معظم الأقمار الجليدية تكثفت على أنها "كرات ثلجية قذرة" من سحابة الغبار حول الشمس (السديم الشمسي) قبل حوالي 4.5 مليار سنة. تم تسخين الأقمار داخليًا من خلال هذه العملية التراكمية ومن خلال الانحلال الإشعاعي لجزءها الصخري.
يتحكم التدفق الحراري للجليد (مثل الدوامات في فنجان قهوة ساخن) في المناطق الداخلية للأقمار الجليدية في تطورها اللاحق وبنيتها الحالية. كلما كان الجليد أضعف ، كلما كان الحمل الحراري أكثر كفاءة ، وأبرد الأجزاء الداخلية. على العكس من ذلك ، كلما كان الجليد أقوى ، كلما كانت الأجزاء الداخلية أكثر دفئًا وزادت احتمالية ظهور شيء مثل المحيط الداخلي السائل.
يكشف البحث الجديد في إحدى مراحل الضغط العالي للجليد (الجليد الثاني) آلية زحف تتأثر بالحجم البلوري أو "الحبوب" للجليد. تشير هذه النتيجة إلى وجود طبقة جليدية أضعف بكثير في الأقمار مما كان يعتقد سابقًا. يظهر الجليد II لأول مرة بضغوط تبلغ حوالي 2000 غلاف جوي ، وهو ما يتوافق مع عمق حوالي 70 كم في أكبر العمالقة الجليدية. يبلغ سمك طبقة الجليد الثانية حوالي 100 كم. تصل مستويات الضغط في مراكز الأقمار العملاقة الجليدية في نهاية المطاف إلى ما يعادل 20.000 إلى 40.000 غلاف جوي أرضي.
أجرى باحثون من مختبر لورنس ليفرمور الوطني (LLNL) وجامعة كيوشو في اليابان والمسح الجيولوجي الأمريكي تجارب زحف باستخدام جهاز اختبار درجة حرارة منخفضة في مختبر الجيوفيزياء التجريبي في LLNL. ثم لاحظوا وقياس حجم الحبوب الجليد الثاني باستخدام المجهر الإلكتروني المبردة المسح. وجدت المجموعة آلية زحف تهيمن على التدفق عند ضغوط أقل وأحجام حبوب أدق. تجارب سابقة على ضغوط أعلى وآليات تدفق أكبر لحجم الحبوب ولم تعتمد على حجم الحبوب.
تمكن التجريبيون من إثبات أن آلية الزحف الجديدة كانت مرتبطة بالفعل بحجم حبيبات الجليد ، وهو أمر لم يتم فحصه نظريًا من قبل.
لكن القياس لم يكن عملاً سهلاً. أولاً ، كان عليهم أن يصنعوا ثلجًا بحجم حبيبات دقيقة جدًا (أقل من 10 ميكرومتر ، أو عُشر سمك شعرة الإنسان). في النهاية ، نجحت تقنية التدوير السريع للضغط فوق وتحت 2000 غلاف جوي. بالإضافة إلى ذلك ، حافظ الفريق على 2000 ضغط ثابت جدًا في جهاز الاختبار لإجراء تجربة تشوه منخفضة الضغط لأسابيع متتالية. وأخيرًا ، من أجل تحديد حبيبات الجليد II وجعلها مرئية في مجهر المسح الإلكتروني ، طور الفريق طريقة لتمييز حدود الحبوب بالشكل الشائع للجليد ("الجليد الأول") ، والذي ظهر مختلفًا عن الجليد الثاني في المجهر . بمجرد تحديد الحدود ، يمكن للفريق قياس حجم حبوب الجليد الثاني.
قال وليام دورهام ، الجيوفيزيائي في مديرية الطاقة والبيئة في ليفرمور: "تُظهر هذه النتائج الجديدة أن لزوجة عباءة جليدية عميقة أقل بكثير مما كنا نعتقد سابقًا".
قال دورهام إن السلوك عالي الجودة لجهاز الاختبار عند 2000 ضغط جوي ، والتعاون مع تومواكي كوبو من جامعة كيوشو ، والنجاح في التغلب على التحديات التقنية الخطيرة التي تم إجراؤها من أجل تجربة حظ.
باستخدام النتائج الجديدة ، خلص الباحثون إلى أنه من المحتمل أن يتشوه الجليد بواسطة آلية الزحف الحساسة لحجم الحبوب في داخل الأقمار الجليدية عندما يصل حجم الحبوب إلى سنتيمتر واحد.
وقال دورهام: "إن آلية الزحف المكتشفة حديثًا ستغير تفكيرنا في التطور الحراري والديناميكيات الداخلية للأقمار المتوسطة والكبيرة الحجم للكواكب الخارجية في نظامنا الشمسي". "التطور الحراري لهذه الأقمار يمكن أن يساعدنا في تفسير ما كان يحدث في النظام الشمسي المبكر."
ظهر البحث في عدد 3 مارس من مجلة ساينس العلمية.
تأسست في عام 1952 ، مختبر لورانس ليفرمور الوطني مهمته ضمان الأمن القومي وتطبيق العلم والتكنولوجيا على القضايا المهمة في عصرنا. تتم إدارة مختبر لورانس ليفرمور الوطني من قبل جامعة كاليفورنيا لإدارة الأمن النووي الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية.
المصدر الأصلي: LLNL News Release
