Какие формы водяного льда были обнаружены и подтверждены в Солнечной системе?

Единственная форма льда, которую мы видим в природе в большом количестве на Земле, — это лед I, все в пределах разновидности sub-h. На Земле нет места, достаточно холодного для любой другой формы, но это не обязательно верно для остальной части Солнечной системы.

К несчастью для этого вопроса, нигде в Солнечной системе мы не смогли бы найти какой-либо тип льда, зависящий от высокого давления. Лучшим вариантом для этого было бы глубоко под поверхностью Европы, скрытое поверхностным льдом и (возможно) жидким океаном под поверхностью, но максимальное давление подо льдом Европы составляет около 7 мегапаскалей (большое спасибо @Innovine за рассчитывая это), поэтому другие формы льда там не образовались бы. Ситуаций высокого давления просто не бывает на поверхности ни одной планеты. А ситуации с высоким давлением, как правило, имеют более высокие температуры, что ограничивает другие формы льда.

Так что да, в нашей Солнечной системе могут быть карманы других форм льда.

вверху: Фазовая диаграмма воды отсюда

Наиболее вероятные типы льда, которые будут обнаружены в Солнечной системе, — это лед I sub-c или лед XI. Эти формы льда возникают при более низком давлении и температурах, которых относительно легко достичь в нашей Солнечной системе. И действительно, лед XI присутствует и на поверхности Луны, и на Гидре (одна из лун Плутона). Лед XI обнаруживается, потому что он поглощает инфракрасный свет иначе, чем профиль поглощения льда I - различия обсуждаются в книге Рэйчел М.Е. Мастрапа "Аморфный и кристаллический лед-вода" (статья находится за платным доступом).

На самом деле Ice VII был обнаружен в алмазах на Земле . Вода сначала задерживается в алмазе, так как последний формируется глубоко в мантии. Затем, когда алмаз охлаждается на поверхности, его жесткая решетка сохраняет высокое давление внутри, позволяя воде достигать комбинации температуры и давления, при которой она образует лед VII. Обнаруженное таким образом присутствие воды в глубокой мантии имеет важное значение для наших моделей теплопередачи и тектоники внутри Земли и может даже повлиять на предсказание землетрясений.

Открытие было опубликовано 09 марта 2018 года в журнале Science Ice-VII. Включения в алмазах: доказательства наличия водной жидкости в глубокой мантии Земли, ссылка 1

Рис. 1. Дифрактограмма льда-VII в алмазе М57666 из Орапы. Черные крестики — точки данных; уточнение Ритвельда, основанное на этой схеме типового материала (синяя кривая), сходилось к взвешенному параметру уточнения профиля Rwp, равному 5,72%, с параметром уточнения профиля Rp, равному 4,57%, и с2 = 1,71 для 1398 наблюдений. Параметр уточнения на основе структурного фактора RF составил 4,0% (см. таблицу S3). Зеленая линия указывает на остаточную посадку. Синие галочки обозначают разрешенные симметрией отражения льда-VII; оливковые галочки обозначают разрешенные отражения (Fe, Ni, C). (Fe, Ni, C) составляет 0,75 ± 0,05 объемных процента в структуре. Уравнение состояния (27) позволяет оценить текущее давление этого включения льда-VII как 9,2 ± 1,6 ГПа. На вставке — дифракционное изображение льда-VII. В качестве фонового изображения использовалось дифракционное изображение свободного ото льда алмаза на расстоянии ~20 мм. Остальные монокристаллические отражения исходят от алмаза-хозяина.

Где и как еще можно найти ледяные фазы высокого давления? Европа, упомянутая в другом ответе, не является хорошим кандидатом, потому что она не такая уж ледяная; его ледяной слой слишком тонок, чтобы создавать необходимое высокое давление (и мы не знаем процессов, подобных образованию алмазоносного льда VII на Земле). Ганимед, Каллисто, Титан и Тритон — это большие спутники с достаточно толстыми слоями льда/воды, чтобы сделать реалистичной возможность массивных ледяных фаз высокого давления. Ссылка 2исследует возможности использования сейсмических измерений для определения фазовых структур на ледяных лунах, например, предполагая, что слой льда VI может быть обнаружен под слоем жидкой воды. Различные ледяные фазы будут отличаться более высокой плотностью и, следовательно, более высокими скоростями распространения волн по сравнению с обычным материалом сейчас (январь 2019 г.) на земле в Чикаго. Такой структурный анализ льда/воды мотивирован перспективой существования подземных океанов, поддерживающих жизнь, и тем, как наличие или отсутствие фаз льда на дне океана повлияет на эту возможность. Итак... Оставайтесь с нами.

Рекомендации

1. О. Цаунер, С. Хуанг, Э. Б. Пракапенка, К. Ма, Г. Р. Россман, А. Х. Шен, Д. Чжан, М. Ньювилл, А. Ланциротти, К. Тейт (2018). «Включения льда-VII в алмазах: свидетельство наличия водной жидкости в глубокой мантии Земли». Наука 359 (6380), 1136-1139. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aao3030 .

2. SC Stähler, MP Planning, SD Vance, RD Lorentz, N. van Driel, T. Nissen-Meyer, S. Kedar (2018). «Распространение сейсмических волн в ледяных океанских мирах». Журнал геофизических исследований: планеты , 123. https://doi.org/10.1002/2017JE005338 .