2.5 Метастабильные льды
Помимо стабильных, есть и два метастабильных льда, IV и XII. Лёд IV заметили ещё во время первых работ по созданию диаграммы состояния льда. Он получается вместо льда V или VI при замерзании переохлаждённой воды в соответствующем интервале давлений. Как видно из рисунка 9, этот лёд обладает самой красивой структурой.
Рис. 8. Лёд XII |
Вообще-то обычно при застывании переохлаждённой воды возникает сразу несколько метастабильных льдов, но лишь лёд IV существует достаточно долго, чтобы его можно было исследовать, остальные же переходят в стабильные фазы за считаные секунды. Один из таких метастабильных льдов — это лёд XII (рис. 8). В 1998 году его случайно открыли Джон Финни с коллегами, изучая гидраты аргона. Они медленно охлаждали тяжёлую воду в атмосфере аргона при 0,55 ГПа и температуре 260К и неожиданно получили новую модификацию льда.
Рис. 9. Структура льда IV |
А спустя два года оказалось, что лёд XII существует не только в узкой полоске вблизи линии холодной воды, но и в большой области низких температур в районе стабильности льда VI. Правда, попасть туда с помощью охлаждения нельзя. Для этого надо сжимать лёд Ih до давления 1,8 ГПа при температуре жидкого азота. Обычно при этом получается аморфный лёд высокой плотности. Однако в одном из опытов М. Коза с коллегами получили кристаллический лёд. Как оказалось, дело было в несовершенстве аппаратуры. Во время сжатия возникали внезапные скачки давления, которые сильно нагревали образец, местами до 260К. Этот-то нагрев и приводил к кристаллизации аморфного льда. Несмотря на то что энергия льда XII оказывается выше, чем у стабильного льда VI, он, образовавшись, ведёт себя как вполне стабильная фаза. В конце концов, алмаз при нормальных условиях тоже метастабилен, но это не мешает ему существовать миллионы лет, не превращаясь в стабильный графит.[4]
Лёд в космосе
Лёд – самая распространённая горная порода во Вселенной. Марс, Юпитер, Сатурн, Уран содержат огромные массы льда, а некоторые спутники планет сложены им почти полностью. Например спутник Юпитера – Европа(Рис 10.). Он же Юпитер II — шестой спутник Юпитера, наименьший из четырёх
Р
ис
10. Снимок Европы
галилеевых спутников, один из самых крупных спутников в Солнечной системе. По размерам уступая земной Луне, Европа состоит из силикатных пород, а в центре спутника находится железное ядро. Поверхность состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; она испещрена поперечно-полосатыми трещинами и полосами, в то время как кратеров практически нет. Легко заметная молодость и гладкость поверхности привели к гипотезе, что на Европе находится подповерхностный океан, состоящий из воды, который может служить пристанищем для внеземной микробиологической жизни.[6]
Б
ольшое
сосредоточение льда так же наблюдается
на Плутоне. Как и большинство объектов
в поясе Койпера, Плутон состоит в основном
из горных пород и льда и он относительно
мал: его масса меньше массы Луны в
пять раз, а объём — в три раза.
Вероятностное строение Плутона приведено
на кртинке ниже.(Рис 11.).
Рис 11. Вероятная структура Плутона. 1. Замёрзший азот 2. Водный лёд 3. Силикаты и водный лёд
Так же лед есть и в ядрах комет (Рис 12.). Ядро — твёрдая часть кометы, имеющая сравнительно небольшой размер. Вокруг ядра активной кометы (при его приближении к Солнцу) образуется кома.
Ядра комет состоят изо льда с добавлением космической пыли и замороженных летучих соединений: диоксида углерода, метана, аммиака.
Рис 12. Строение кометы
О
дин
из интереснейших примеров нахождения
льда в космосе являются кольца
Сатурна(Рис.13). В
1952 году исследование спектральных
Рис.13 Сатурн
характеристик колец позволило сделать вывод, что они содержат большое количество замерзшей воды. Это был очень важный момент, поскольку наконец-то была определена природа материальной составляющей. Несколько позже установили, что кроме льда кольца содержат водород, аммиак, метан, серные соединения и ферросиликаты.[5]