Какие формы может принимать вода? Если задать этот вопрос случайному человеку, он, скорее всего, назовёт три состояния: собственно жидкую воду, водяной пар и лёд. И ещё, может быть, снег. Снег, конечно, — это тот же самый лёд. Однако известных фазовых состояний воды в действительности больше трёх. Причём намного. В настоящее время известно уже более двух десятков структурных разновидностей лёгкой воды 1H216O с различными физическими свойствами, которые относятся к шести фазовым состояниям. Из них, пожалуй, самым экзотическим является так называемый суперионный лёд. Недавно химики Принстонского университета обнаружили новую его разновидность и сразу же занялись вычислением электропроводности открытого ими фазового состояния. Именно свойства суперионного льда должны помочь в объяснении необычной формы магнитных полей Урана и Нептуна.
Вода является чрезвычайно важным веществом для человека и вообще для жизни на Земле. Потому неудивительно, что она изучена настолько хорошо, что одних лишь модификаций льда известно более пятнадцати. Любители творчества американского писателя Курта Воннегута могут вспомнить про лёд-девять, описанный в романе «Колыбель для кошки». Это фазовое состояние воды, придуманное автором, представляет собой кристаллическое вещество, которое при соприкосновении с водой даже при нормальных температурах обращает её в лёд-девять.
Настоящий лёд IX является не более чем одним из фазовых состояний кристаллической воды. Всего же в настоящее время классифицировано семнадцать типов льда (на самом деле, вероятно, больше: например, лёд XI, предположительно, существует в двух разновидностях). Самый обычный лёд, существующий при температурах от −200 °C и давлениях до 2000 атмосфер, обозначается лёд Ih. Его кристаллы имеют гексагональную структуру. У льда I есть также кубическая форма Ic, у которой атомы кислорода расположены подобно атомам углерода в кристаллической решётке алмаза. Эта модификация образуется при температурах от −140 до −50 °C и остаётся стабильной до −30 °C, после чего переходит в обычный лёд Ih. Предполагается, что кубический лёд может присутствовать в верхних слоях атмосферы.
Ещё полтора десятка форм льда имеют обозначения от II до XVI, и только одна из них существует при нормальном давлении и вообще при давлении менее 1000 атмосфер. Это лёд XIh с ромбической (также называемой орторомбической) решёткой с упорядоченным расположением протонов, который образуется из обычного льда Ih при температурах ниже −36 °C. Процесс образования льда XI идёт крайне медленно: он был обнаружен в Антарктике в слоях льда возрастом не менее 100 лет.
Любопытно, что лёд XIc, являющийся протонно-ориентированным вариантом льда Ic, напротив, должен представлять собой самую экстремальную форму кристаллического льда: он существует предположительно при давлениях свыше 3 млн атмосфер. Дальнейшее увеличение давления должно приводить к образованию металлического льда, но пока нет определённости, при каких условиях происходит металлизация. Оценка давления, необходимого для этого процесса, постоянно росла. Согласно классической теории металлизации Карла Херцфельда (Karl F. Herzfeld) 1927 года, металлический лёд должен образовываться при давлении 700 ГПа (7 млн атмосфер). Жан-Мари Бессон (Jean-Marie Besson) в 1986 году оценил давление, при котором происходит металлизация, в 10—15 млн атмосфер, а в 1990 году группа японских физиков получила значение в 17,6 млн атмосфер. Наконец, последняя на сегодняшний день оценка дана Андреасом Херманном (Andreas Hermann) и его коллегами по Корнелльскому университету: они показали, что образование металлической воды должно происходить при 48 млн атмосфер.
Помимо многочисленных кристаллических решёток, жидкости и газа, вода может существовать в аморфном агрегатном состоянии. Но и с ним не всё просто: в настоящее время известны три разновидности аморфного льда. Аморфный лёд низкой плотности (АЛНП) образуется осаждением водяного пара на охлаждённые поверхности; предполагается, что эта форма воды обычна для космических тел и, возможно, является самой распространённой модификацией воды во Вселенной. Аморфный лёд высокой плотности (АЛВП) образуется путём сжатия обычного льда Ih при низких температурах. Есть и третья разновидность, аморфный лёд очень высокой плотности, который получается из АЛВП нагреванием при высоком давлении.
Наконец, суперионный лёд принципиально отличается от всех описанных агрегатных состояний. Будучи твёрдым материалом, он проявляет некоторые свойства жидкости, в частности, являясь электролитом. Другой вариант названия, суперионная вода, вряд ли связан с этим фактом и обозначает суперионное состояние воды как химического вещества.
Суперионное состояние было предсказано в 1998 году в работе итальянских физиков во главе с Карло Каваццони (Carlo Cavazzoni), которые предположили существование переходного состояния воды и аммиака между кристаллической формой и ионной жидкостью. К слову, ионная жидкость — ещё одно фазовое состояние вещества, в том числе и воды. Оно подобно плазме, но по плотности ближе к жидкости, а не к газу. В ионной жидкости молекулы воды разделены на ионы кислорода и водорода, а водой эта субстанция может считаться только в том случае, если она не смешивается с другим веществом. Как было показано, при давлении свыше 0,5 млн атмосфер и температуре от 1500 К ионы кислорода у воды и ионы азота у аммиака сохраняют кристаллическую решётку, в то время как ионы водорода свободно перемещаются внутри неё, образуя, по сути, жидкость из протонов. Каваццони с коллегами предположили, что суперионные вода и аммиак должны присутствовать в глубине ледяных гигантов — Урана и Нептуна.
Почему уже в самой первой работе, посвящённой суперионному льду, упоминаются эти две планеты? Причина не только в том, что они, действительно, обладают необходимым давлением для того, чтобы содержать это фазовое состояние воды. Уже несколько десятилетий — с тех пор как космический аппарат «Вояджер-2» провёл исследования Урана в 1986-м и Нептуна в 1989 году — учёным не даёт покоя загадка магнитных полей ледяных гигантов. Направления магнитных полей Урана и Нептуна не совпадают с их осями вращения, и более того, магнитные оси не проходят через центры планет.
Магнитные поля Урана и Нептуна точнее описываются не как дипольные, а как квадрупольные. Причина, как полагают, заключается в следующем: если магнитное поле Земли, а также ближайших газовых гигантов — Юпитера и Сатурна образовано конвекцией в жидком металлическом ядре планеты, то источником магнитного поля в случае Урана и Нептуна является конвекция в водно-аммиачной мантии. И электропроводность веществ, из которых состоят мантии Урана и Нептуна, служит ключевым параметром для объяснения свойств магнитных полей этих планет. Другим важным фактором является теплопроводность, которая тоже напрямую зависит от структуры вещества.
Именно поэтому в публикации Каваццони 1999 года открытое суперионное состояние воды и аммиака было сразу же связано с составом ледяных гигантов и особенностями их магнитных полей. В 2013 году история получила развитие: Хью Уилсон (Hugh Wilson) с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли (США) опубликовал работу, в которой описывалась вторая, ранее не известная разновидность суперионного льда. И если открытая Каваццони фаза существует при давлении свыше 500 000 атмосфер и обладает объёмноцентрированной решёткой, то Уилсон показал, что при давлении более 1 млн атмосфер решётка суперионного льда становится гранецентрированной. Плотность вещества при этом возрастает, подвижность ионов водорода падает, а вместе с ней уменьшается и электропроводность. Вторая разновидность суперионного льда обычно называется плотноупакованной (close-packed, CP-SI), иногда гранецентрированной (face-centered cubic, FCC-SI), а первая — объёмноцентрированной (body-centered cubic, BCC-SI).
И вот последняя на сегодняшний день информация о возможном составе мантии ледяных гигантов. Цзимин Сунь (Jiming Sun), Салваторе Торквато (Salvatore Torquato) и Роберто Кар (Roberto Car) из Принстонского университета вместе с Брайаном Кларком (Bryan K. Clark) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне открыли третью форму суперионного льда и исследовали её свойства.
У этой фазы совершенно иной тип решётки, соответствующий кристаллографической группе P21/c, и ещё меньшая проводимость, но тоже в пределах, предсказываемых теорией для водно-аммиачной мантии. Наиболее интересным оказалось поведение суперионного льда P21/c при фазовом переходе. В известных суперионных материалах проводимость на границе с кристаллической формой может меняться либо скачком, либо непрерывно, при этом тип перехода постоянен для вещества. Но суперионный лёд, как оказалось, выбивается из общего ряда: при фазовом переходе из кристалла в суперионное состояние с плотноупакованной решёткой проводимость меняется скачкообразно, а в фазу P21/c — непрерывно.
Моделирование показывает, что сам суперионный лёд — твёрдое вещество, по твёрдости сопоставимое с железом. Более того, считается, что в формировании поля участвует движение тонкого верхнего слоя мантии, в то время как основной её объём неподвижен. Поэтому вносить вклад в формирование необычного магнитного поля Урана и Нептуна суперионный лёд может только косвенно. Однако его свойства очень важны в рамках модели Сабины Станли (Sabine Stanley) и Джереми Блоксема (Jeremy Bloxham), которая предполагает равные значения электропроводности для различных фазовых состояний.
Согласно современным представлениям, тепловые потоки, исходящие от металлического ядра планеты, проходят через внутренний слой суперионного льда и посредством конвекции создают вихри на внешнем слое, состоящем из ионной жидкости, которые и приводят к возникновению локальных магнитных полей.
Не исключено, что точная модель внутренней структуры ледяных гигантов будет построена раньше, чем человечество получит новые сведения об этих планетах. «Вояджер-2» остаётся единственным аппаратом, изучавшим Уран и Нептун. И новых миссий к этим планетам пока не планируется.