Jupiters ijzige maan Callisto. Afbeelding tegoed: NASA Klik om te vergroten
Naarmate wetenschappers meer leren over ons zonnestelsel, hebben ze in een aantal ongebruikelijke situaties waterijs gevonden. Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben dit soort ijs in hun laboratorium nagebouwd; ijs dat waarschijnlijk de omstandigheden van druk, temperatuur, stress en korrelgrootte op deze manen nabootst. Dit ijs kan langzaam kruipen en ronddraaien, afhankelijk van de temperatuur van het interieur van de manen.
Dat alledaagse ijs dat je gebruikt om je glas limonade te koelen, heeft onderzoekers geholpen de interne structuur van ijzige manen in de verre uithoeken van het zonnestelsel beter te begrijpen.
Een onderzoeksteam heeft een nieuw soort 'kruip' of stroming aangetoond in een vorm van ijs onder hoge druk door in een laboratorium de omstandigheden van druk, temperatuur, stress en korrelgrootte te creëren die lijken op die in de diepe interieurs van grote ijzige manen.
Hogedrukfasen van ijs zijn de belangrijkste componenten van de gigantische ijzige manen van het buitenste zonnestelsel: Jupiter's Ganymedes en Callisto, Saturnus Titan en Neptunus Triton. Triton is ongeveer zo groot als onze eigen maan; de andere drie reuzen zijn ongeveer 1,5 keer zo groot in diameter. De aanvaarde theorie zegt dat de meeste ijzige manen ongeveer 4,5 miljard jaar geleden als "vuile sneeuwballen" uit de stofwolk rond de zon (de zonnevel) condenseerden. De manen werden intern verwarmd door dit opzettelijke proces en door radioactief verval van hun rotsfractie.
De convectieve stroom van ijs (net als de wervelingen in een hete kop koffie) in het interieur van de ijzige manen beheerste hun daaropvolgende evolutie en huidige structuur. Hoe zwakker het ijs, hoe efficiënter de convectie en hoe koeler het interieur. Omgekeerd, hoe sterker het ijs, hoe warmer het interieur en hoe groter de kans dat er zoiets als een vloeibare interne oceaan verschijnt.
Het nieuwe onderzoek onthult in een van de hogedrukfasen van ijs ("ice II") een kruipmechanisme dat wordt beïnvloed door de kristalliet- of "korrel" -grootte van het ijs. Deze bevinding impliceert een aanzienlijk zwakkere ijslaag in de manen dan eerder werd gedacht. Ice II verschijnt voor het eerst bij een druk van ongeveer 2000 atmosfeer, wat overeenkomt met een diepte van ongeveer 70 km in de grootste van de ijzige reuzen. De Ice II-laag is ongeveer 100 km dik. De drukniveaus in de centra van de ijskoude reuzenmanen bereiken uiteindelijk het equivalent van 20.000 tot 40.000 atmosfeer van de aarde.
Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Kyushu University in Japan en de U.S. Geological Survey voerden kruipexperimenten uit met een testapparaat bij lage temperatuur in het Experimental Geophysics Laboratory van LLNL. Vervolgens observeerden en maten ze de korrelgrootte van ijs II met behulp van een cryogene scanning-elektronenmicroscoop. De groep vond een kruipmechanisme dat de stroming domineert bij lagere spanningen en fijnere korrelgroottes. Eerdere experimenten met hogere spanningen en grotere geactiveerde stroommechanismen met een korrelgrootte die niet afhankelijk waren van de korrelgrootte.
De experimentalisten konden bewijzen dat het nieuwe kruipmechanisme inderdaad gerelateerd was aan de grootte van de ijskorrels, iets wat voorheen alleen theoretisch was onderzocht.
Maar de meting was niet eenvoudig. Eerst moesten ze ijs II maken met een zeer fijne korrelgrootte (minder dan 10 micrometer, of een tiende van de dikte van een mensenhaar). Een techniek van snel ronddraaien van druk boven en onder 2.000 atmosfeer werkte uiteindelijk. Daar komt nog bij dat het team binnen het testapparaat een zeer constante druk van 2000 atmosfeer behield om wekenlang een vervormingsproef met lage spanning uit te voeren. Om de ijs II-korrels af te bakenen en zichtbaar te maken in de scanning-elektronenmicroscoop, ontwikkelde het team tot slot een methode om de korrelgrenzen te markeren met de gewone vorm van ijs ("ijs I"), die in de microscoop anders leek dan ijs II . Zodra de grenzen waren vastgesteld, kon het team de korrelgrootte van ijs II meten.
"Deze nieuwe resultaten tonen aan dat de viscositeit van een diepe ijzige mantel veel lager is dan we eerder dachten", zegt William Durham, een geofysicus bij het directoraat Energie en Milieu van Livermore.
Durham zei dat het hoogwaardige gedrag van het testapparaat bij een druk van 2.000 atmosfeer, de samenwerking met Tomoaki Kubo van Kyushu University en het succes bij het overwinnen van serieuze technische uitdagingen zorgden voor een toevallig experiment.
Met behulp van de nieuwe resultaten concluderen de onderzoekers dat het ijs waarschijnlijk vervormt door het korrelgroottegevoelige kruipmechanisme in het binnenste van ijzige manen wanneer de korrels tot een centimeter groot zijn.
"Dit nieuw ontdekte kruipmechanisme zal ons denken over de thermische evolutie en interne dynamiek van middelgrote en grote manen van de buitenplaneten in ons zonnestelsel veranderen," zei Durham. "De thermische evolutie van deze manen kan ons helpen verklaren wat er in het vroege zonnestelsel gebeurde."
Het onderzoek verschijnt in het nummer van 3 maart van het tijdschrift Science.
Lawrence Livermore National Laboratory, opgericht in 1952, heeft een missie om de nationale veiligheid te waarborgen en wetenschap en technologie toe te passen op de belangrijke kwesties van onze tijd. Lawrence Livermore National Laboratory wordt beheerd door de University of California voor de National Nuclear Security Administration van het Amerikaanse Department of Energy.
Oorspronkelijke bron: LLNL News Release
