La luna ghiacciata di Giove, Callisto. Credito immagine: NASA Clicca per ingrandire
Mentre gli scienziati apprendono di più sul nostro Sistema Solare, hanno trovato ghiaccio d'acqua in alcune situazioni insolite. I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno ricreato questo tipo di ghiaccio nel loro laboratorio; ghiaccio che probabilmente imita le condizioni di pressione, temperatura, stress e granulometria presenti su queste lune. Questo ghiaccio può lentamente strisciare e roteare a seconda della temperatura degli interni delle lune.
Quel ghiaccio di tutti i giorni che usi per raffreddare il tuo bicchiere di limonata ha aiutato i ricercatori a comprendere meglio la struttura interna delle lune ghiacciate nelle zone più remote del sistema solare.
Un team di ricerca ha dimostrato un nuovo tipo di "scorrimento", o flusso, in una forma di ghiaccio ad alta pressione creando in un laboratorio le condizioni di pressione, temperatura, stress e dimensione del grano che imitano quelli negli interni profondi di grandi dimensioni lune ghiacciate.
Le fasi ad alta pressione del ghiaccio sono i componenti principali delle gigantesche lune ghiacciate del sistema solare esterno: Ganimede e Callisto di Giove, Titano di Saturno e Tritone di Nettuno. Tritone ha all'incirca le dimensioni della nostra luna; gli altri tre giganti sono circa 1,5 volte più grandi di diametro. La teoria accettata afferma che la maggior parte delle lune ghiacciate si sono condensate come "palle di neve sporche" dalla nuvola di polvere attorno al sole (la nebulosa solare) circa 4,5 miliardi di anni fa. Le lune furono riscaldate internamente da questo processo di accrescimento e dal decadimento radioattivo della loro frazione rocciosa.
Il flusso convettivo di ghiaccio (molto simile ai turbinii in una tazza di caffè caldo) negli interni delle lune ghiacciate controllava la loro successiva evoluzione e la struttura attuale. Più debole è il ghiaccio, più efficiente è la convezione e più freschi sono gli interni. Al contrario, più forte è il ghiaccio, più caldi sono gli interni e maggiore è la possibilità che appaia qualcosa come un oceano interno liquido.
La nuova ricerca rivela in una delle fasi ad alta pressione del ghiaccio ("ice II") un meccanismo di scorrimento che è influenzato dalle dimensioni del cristallite o "granulosità" del ghiaccio. Questa scoperta implica uno strato di ghiaccio significativamente più debole nelle lune di quanto si pensasse in precedenza. Ice II appare per la prima volta a pressioni di circa 2.000 atmosfere, che corrispondono a una profondità di circa 70 km nel più grande dei giganti ghiacciati. Lo strato di ghiaccio II ha uno spessore di circa 100 km. I livelli di pressione nei centri delle lune giganti ghiacciate alla fine raggiungono l'equivalente di 20.000 a 40.000 atmosfere terrestri.
I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), della Kyushu University in Giappone e del US Geological Survey hanno condotto esperimenti di creep usando un apparecchio di prova a bassa temperatura nel Experimental Geophysics Laboratory presso LLNL. Hanno quindi osservato e misurato la dimensione del granulo di ghiaccio II usando un microscopio elettronico a scansione criogenica. Il gruppo ha trovato un meccanismo di scorrimento che domina il flusso a sollecitazioni inferiori e granulometrie più fini. Precedenti esperimenti a sollecitazioni più elevate e meccanismi di flusso attivati con dimensioni dei grani più grandi che non dipendevano dalla dimensione dei grani.
Gli sperimentatori sono stati in grado di dimostrare che il nuovo meccanismo di scorrimento era effettivamente correlato alla dimensione dei granelli di ghiaccio, qualcosa che in precedenza era stato esaminato solo teoricamente.
Ma la misurazione non è stata un'impresa facile. In primo luogo, hanno dovuto creare ghiaccio II di granulometria molto fine (meno di 10 micrometri o un decimo dello spessore di un capello umano). Una tecnica di rapido ciclo di pressione sopra e sotto le 2000 atmosfere alla fine ha funzionato. In aggiunta a ciò, il team ha mantenuto 2.000 atmosfere di pressione molto costanti all'interno dell'apparato di test per eseguire un esperimento di deformazione a basso stress per settimane consecutive. Infine, per delineare i granuli di ghiaccio II e renderli visibili nel microscopio elettronico a scansione, il team ha sviluppato un metodo per contrassegnare i confini del grano con la forma comune di ghiaccio ("ghiaccio I"), che appariva diverso dal ghiaccio II nel microscopio . Una volta identificati i confini, il team ha potuto misurare la dimensione dei granuli di ghiaccio II.
"Questi nuovi risultati mostrano che la viscosità di un mantello ghiacciato profondo è molto più bassa di quanto pensassimo in precedenza", ha affermato William Durham, geofisico della direzione Energia e Ambiente di Livermore.
Durham ha affermato che il comportamento di alta qualità dell'apparecchiatura di prova a una pressione di 2.000 atmosfere, la collaborazione con Tomoaki Kubo dell'Università di Kyushu e il successo nel superare serie sfide tecniche hanno portato a un esperimento fortuito.
Usando i nuovi risultati, i ricercatori concludono che è probabile che il ghiaccio si deformi a causa del meccanismo di scorrimento sensibile alla dimensione del grano all'interno delle lune ghiacciate quando i grani hanno dimensioni fino a un centimetro.
"Questo meccanismo creep appena scoperto cambierà il nostro pensiero sull'evoluzione termica e la dinamica interna delle lune di medie e grandi dimensioni dei pianeti esterni nel nostro sistema solare", ha detto Durham. "L'evoluzione termica di queste lune può aiutarci a spiegare cosa stava succedendo nel primo sistema solare."
La ricerca appare nel numero del 3 marzo della rivista Science.
Fondato nel 1952, Lawrence Livermore National Laboratory ha la missione di garantire la sicurezza nazionale e applicare la scienza e la tecnologia alle questioni importanti del nostro tempo. Lawrence Livermore National Laboratory è gestito dall'Università della California per la National Nuclear Security Administration del Dipartimento degli Stati Uniti.
Fonte originale: comunicato stampa LLNL
