Sao Mộc băng giá mặt trăng Callisto. Tín dụng hình ảnh: NASA Bấm để phóng to
Khi các nhà khoa học tìm hiểu thêm về Hệ mặt trời của chúng ta, họ đã tìm thấy nước đá trong một số tình huống bất thường. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã tái tạo loại băng này trong phòng thí nghiệm của họ; băng có thể bắt chước các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, ứng suất và kích thước hạt tìm thấy trên các mặt trăng này. Lớp băng này có thể từ từ leo và xoáy xung quanh tùy thuộc vào nhiệt độ của nội thất mặt trăng.
Loại nước đá hàng ngày mà bạn sử dụng để làm lạnh ly nước chanh của mình đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong của các mặt trăng băng giá ở phía xa của hệ mặt trời.
Một nhóm nghiên cứu đã chứng minh một loại mới của creep, creep hoặc dòng chảy, dưới dạng băng áp suất cao bằng cách tạo ra trong phòng thí nghiệm các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, ứng suất và kích thước hạt giống như các hạt trong vùng sâu bên trong lớn mặt trăng băng giá.
Các pha áp suất cao của băng là thành phần chính của các mặt trăng băng giá khổng lồ của hệ mặt trời bên ngoài: Sao Mộc, Ganymede và Callisto, Sao Thổ Titan, và Sao Hải Vương Triton. Triton có kích thước gần bằng mặt trăng của chúng ta; ba người khổng lồ khác có đường kính lớn hơn khoảng 1,5 lần. Lý thuyết được chấp nhận nói rằng hầu hết các mặt trăng băng giá ngưng tụ dưới dạng những quả cầu tuyết bẩn bẩn của Google từ đám mây bụi xung quanh mặt trời (tinh vân mặt trời) khoảng 4,5 tỷ năm trước. Các mặt trăng được làm ấm bên trong bởi quá trình bồi tụ này và bởi sự phân rã phóng xạ của phần đá của chúng.
Dòng chảy đối lưu của băng (giống như những vòng xoáy trong tách cà phê nóng) trong nội thất của các mặt trăng băng giá đã kiểm soát sự tiến hóa và cấu trúc ngày nay của chúng. Băng càng yếu, đối lưu càng hiệu quả và nội thất càng mát. Ngược lại, băng càng mạnh, nội thất càng ấm và khả năng xuất hiện thứ gì đó giống như một đại dương lỏng bên trong.
Nghiên cứu mới cho thấy trong một trong những pha áp suất cao của băng (Nước đá II II), một cơ chế leo trèo bị ảnh hưởng bởi kích thước tinh thể hoặc hạt ngũ cốc của đá. Phát hiện này ngụ ý một lớp băng yếu hơn đáng kể trong các mặt trăng so với suy nghĩ trước đây. Ice II lần đầu tiên xuất hiện ở áp suất khoảng 2.000 bầu khí quyển, tương ứng với độ sâu khoảng 70 km trong vùng lớn nhất của người khổng lồ băng giá. Lớp băng II dày khoảng 100 km. Các mức áp suất tại trung tâm của các mặt trăng khổng lồ băng giá cuối cùng đạt tới mức tương đương 20.000 đến 40.000 bầu khí quyển Trái đất.
Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), Đại học Kyushu ở Nhật Bản và Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ đã tiến hành thí nghiệm leo núi bằng thiết bị thử nghiệm nhiệt độ thấp trong Phòng thí nghiệm địa vật lý thực nghiệm tại LLNL. Sau đó, họ quan sát và đo kích thước hạt băng II bằng kính hiển vi điện tử quét lạnh. Nhóm đã tìm thấy một cơ chế creep chi phối dòng chảy ở ứng suất thấp hơn và kích thước hạt mịn hơn. Các thí nghiệm trước đó ở ứng suất cao hơn và cơ chế dòng kích hoạt hạt lớn hơn không phụ thuộc vào kích thước hạt.
Các nhà thực nghiệm đã có thể chứng minh rằng cơ chế leo mới thực sự có liên quan đến kích thước của các hạt băng, thứ mà trước đây chỉ được kiểm tra về mặt lý thuyết.
Nhưng việc đo lường là không dễ dàng. Đầu tiên, họ phải tạo ra băng II có kích thước hạt rất mịn (dưới 10 micromet, hoặc một phần mười độ dày của một sợi tóc người). Một kỹ thuật quay vòng nhanh áp suất trên và dưới 2.000 khí quyển cuối cùng đã thực hiện được mẹo. Thêm vào đó, nhóm nghiên cứu đã duy trì 2.000 áp suất rất ổn định trong thiết bị thử nghiệm để chạy thử nghiệm biến dạng ứng suất thấp trong nhiều tuần liên tục. Cuối cùng, để phân định các hạt băng II và làm cho chúng có thể nhìn thấy trong kính hiển vi điện tử quét, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp đánh dấu các ranh giới hạt bằng dạng băng thông thường (đá băng I,), xuất hiện khác với băng II trong kính hiển vi . Sau khi xác định được ranh giới, nhóm nghiên cứu có thể đo kích thước hạt II II băng.
William Những kết quả mới này cho thấy độ nhớt của lớp phủ băng giá thấp thấp hơn nhiều so với những gì chúng ta nghĩ trước đây, ông William Durham, nhà địa vật lý thuộc Ban Giám đốc Năng lượng và Môi trường của Ganmore.
Durham cho biết hành vi chất lượng cao của thiết bị thử nghiệm ở áp suất 2.000 atm, sự hợp tác với Tomoaki Kubo của Đại học Kyushu và thành công trong việc vượt qua các thách thức kỹ thuật nghiêm trọng được thực hiện cho một thí nghiệm tình cờ.
Sử dụng các kết quả mới, các nhà nghiên cứu kết luận rằng có khả năng các biến dạng băng do cơ chế creep nhạy cảm với kích thước hạt trong phần bên trong các mặt trăng băng giá khi các hạt có kích thước lên tới một cm.
Cơ chế leo mới được phát hiện này sẽ thay đổi suy nghĩ của chúng ta về sự phát triển nhiệt và động lực bên trong của các mặt trăng có kích thước trung bình và lớn của các hành tinh bên ngoài trong hệ mặt trời của chúng ta, ông Cameron Durham nói. Sự tiến hóa nhiệt của những mặt trăng này có thể giúp chúng ta giải thích những gì đang xảy ra trong hệ mặt trời sơ khai.
Nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Science ngày 3 tháng 3.
Được thành lập vào năm 1952, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore có sứ mệnh đảm bảo an ninh quốc gia và áp dụng khoa học công nghệ vào các vấn đề quan trọng của thời đại chúng ta. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore được quản lý bởi Đại học California cho Cục Quản lý An ninh Hạt nhân Quốc gia Hoa Kỳ.
Nguồn gốc: Bản tin LLNL
