تؤدي درجات الحرارة العالية والضغوط الشديدة إلى تكوين جليد له خصائص الجليد البلوري والماء السائل
رصد العلماء أخيرًا جليدًا بلاستيكيًا (موضحًا)، وهو نوع من الطور الهجين بين الجليد الصلب والماء السائل، قد يتشكل في باطن العوالم الجليدية مثل نبتون وقمر المشتري أوروبا. في الجليد البلاستيكي، تبقى الجزيئات الفردية ثابتة في مواقعها داخل شبكة بلورية، كما لو كانت صلبة، مع قدرتها على الدوران كما لو كانت سائلة.
أُثبت أخيرًا وجود نوع غريب من الجليد، كان يُعتقد أنه يتواجد في أعماق محيطات الكواكب الخارجية.
لأول مرة، رصد الباحثون مباشرةً نوعًا من الطور الهجين من الماء يُسمى الجليد البلاستيكي، والذي يتشكل عند درجات حرارة وضغوط عالية، ويُظهر خصائص الجليد الصلب والماء السائل. قد تُساعد هذه الملاحظات، المنشورة في مجلة "نيتشر" في 12 فبراير، الباحثين على فهم البنية الداخلية وعمليات العوالم الأخرى في نظامنا الشمسي وخارجه بشكل أفضل، والتي قد يكون بعضها صالحًا للحياة.
تقول الفيزيائية ليفيا بوف من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) في باريس: "الجليد البلاستيكي هو شيءٌ بين السائل والبلورة، ويمكنك أن تتخيل أنه أكثر ليونةً عند ضغطه". ويُطلق عليه هذا الاسم لأنه أسهل في التشكيل أو التشويه من الجليد البلوري النموذجي، إذ يُظهر خاصيةً يُطلق عليها العلماء اسم اللدونة، كما تقول. "كشيءٍ يمكنه [الضغط] من خلال ثقبٍ والخروج، حتى لو كان لا يزال صلبًا".
يتكون معظم الجليد على سطح الأرض - بما في ذلك مكعبات الجليد والأنهار الجليدية والثلج - من جزيئات ماءٍ مُرتبةٍ في شبكةٍ سداسيةٍ تُشبه قرص العسل. يُصنف العلماء هذا الجليد الشائع باسم الجليد lh. ولكن بالإضافة إلى الجليد Ih، هناك ما لا يقل عن 20 حالةً جليديةً أخرى معروفة تتشكل في ظروف ضغطٍ ودرجة حرارةٍ مُختلفة. عند ضغوط تزيد عن 20,000 بار - أو 20,000 كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع - تنضغط شبكات الجليد لتكوين الجليد السابع، وهو متعدد الأشكال ذو بنية مكعبة كثيفة، حيث تكون الجزيئات مرتبة مثل مكعبات مكعب روبيك. وقد عُثر على الجليد السابع محاصرًا في الماس الناشئ عن وشاح الأرض، ويُعتقد أنه موجود داخل كواكب أخرى أيضًا. وقد يهتم مُحبو كورت فونيغوت بمعرفة أن الجليد التاسع قد اكتُشف عام 1996، على الرغم من أنه يفتقر إلى القدرة المرعبة على تجميد محيطات بأكملها.
هناك أيضًا مراحل جليدية لم يُفترض وجودها إلا نظريًا. قبل أكثر من 15 عامًا، أظهرت المحاكاة الحاسوبية أنه عند تسخين الجليد السابع وتعريضه لضغوط شديدة، يجب أن تبدأ جزيئات الماء الفردية فيه بالدوران بحرية، كما لو كان سائلًا، مع احتلال مواقع ثابتة، كما هو الحال في المادة الصلبة. ولأن المرحلة الافتراضية شاركت نفس البنية البلورية المكعبة مع الجليد السابع، فقد عُرفت باسم الجليد البلاستيكي السابع. ولكن لأن إجراء التجارب تحت ضغوط عالية كهذه كان مستحيلاً من الناحية التقنية في ذلك الوقت، فقد استعصى على العلماء لسنوات إيجاد دليل قاطع على وجود الجليد البلاستيكي.
في الدراسة الجديدة، استخدم بوف وزملاؤه أداةً حديثةً نسبيًا في معهد لاو-لانجيفان في غرونوبل، فرنسا، قادرةً على قياس حركة الجزيئات تحت ضغوط شديدة. في التجارب، وجّهوا شعاعًا نيوترونيًا نحو عينات من الماء، وأخضعوا العينات لدرجات حرارة تصل إلى 326 درجة مئوية وضغوط تصل إلى 60,000 بار. مع تفاعل النيوترونات الواردة مع جزيئات الماء في العينات، اكتسبت أو فقدت طاقةً تبعًا لمدى حركة جزيئات الماء ودورانها، قبل أن تتشتت بعيدًا نحو كاشف. سمح قياس طاقات النيوترونات المتناثرة لفريق بوف بتوصيف حركة الجزيئات وتحديد المرحلة التي تشكلت فيها.
في الماء السائل، تتحرك الجزيئات بحرية وتدور، بينما في الجليد الصلب، تهتز جزيئات الماء في مكانها فقط. أما في الجليد البلاستيكي، فجزيئات الماء ثابتة في مواقعها، لكنها قادرة أيضًا على الدوران في مكانها.
فوق درجة حرارة 177 درجة مئوية وضغط جوي يزيد عن 30,000 بار تقريبًا - أي ما يعادل 28 ضعف الضغط في أعمق نقطة في محيطات الأرض - لاحظ فريق بوف طورًا من الجليد يتميز بشبكة بلورية مكعبة، تدور جزيئات الماء فيها بسرعة تقارب سرعة جزيئات الماء السائل. وحددوا هذا الطور باسم الجليد البلاستيكي السابع، مؤكدين وجوده أخيرًا.
ومع ذلك، خالفت إحدى التفاصيل المرصودة التوقعات. فبدلًا من الدوران بحرية، بدت جزيئات الماء وكأنها تدور بحركات متقطعة. ويوضح بوف أنه أثناء دوران الجزيئات، تكسر روابطها الهيدروجينية مع أحد جيرانها، ثم تدور بسرعة وترتبط بآخر.
يقول عالم الكواكب بابتيست جورنو من جامعة واشنطن في سياتل إن الجليد البلاستيكي السابع ربما كان موجودًا خلال المراحل التكوينية المبكرة لأوروبا وتيتان وأقمار جليدية أخرى في نظامنا الشمسي، قبل أن يتسرب كل الماء من أجوائها ذات الضغط العالي. يقول جورنو إن هذه الملاحظات الجديدة قد تساعد الباحثين على فهم كيفية تطور هذه الأقمار إلى عوالم المحيطات التي هي عليها اليوم.
وخارج نظامنا الشمسي، قد يستقر هذا الجليد الغريب في قاع محيطات عملاقة على كواكب خارجية، بعضها بعمق آلاف الكيلومترات، وربما يكون صالحًا للحياة. ويضيف أن دراسة مدى سهولة دمج الجليد البلاستيكي السابع للأملاح في شبكته قد تساعد في تحديد ما إذا كان وجود هذا الطور الغريب يعزز تبادل الأملاح بين قيعان بحار الكواكب الخارجية والمحيطات التي تعلوها. "هذا من شأنه أن يغذي المحيط بمزيد من العناصر الغذائية".
المصدر: