天王星等冰行星表面下的深处发生了什么？

时间：2021-05-30 15:32:48 来源：作者：网络转载

　　在冰行星表面之下的深处发生了什么？是否有液态水？如果有，它是如何与行星的岩石 "海底 "互动的？新的实验表明，在尺寸介于我们地球和高达六倍的水冰行星上，水有选择地从典型的岩石矿物中浸出镁。在实验室中，科学家重现了压力为十万个大气压、温度高于一千摄氏度的条件，实验还模拟了类似的行星，但比海王星和天王星小。

　　地球表面的水-岩石相互作用的机制是众所周知的，而我们和其他地球行星的内部深处的液态水的复杂循环的图景也在不断改善。然而，我们不知道在炽热密集和水冰行星的深层岩石壳之间的界面上发生了什么，其压力和温度均比地球上最深的海洋底部高几个数量级。在太阳系中，海王星和天王星被归类为冰巨人；它们有一个厚厚的外部水冰层，并被深层岩石层所覆盖，界面上的温度是否高到足以形成液态水，目前仍在讨论之中。

　　一个由韩国首尔延世大学的Taehyun Kim领导的国际研究小组，包括来自亚利桑那大学、DESY、阿贡国家实验室的科学家，以及GFZ德国地球科学研究中心的Sergio Speziale，在PETRA III（汉堡）和高级光子源（美国阿贡）进行了一系列具有挑战性的实验。表明在20至40千兆帕（GPa）的压力下，水如何从某些矿物，即铁橄榄石（Mg,Fe）O和橄榄石（Mg,Fe）2SiO4中强烈浸出氧化镁（MgO）。这相当于地球上大气压力的20万至40万倍，温度高于1500K（?1230℃），这些条件存在于海王星以下级别的水行星的深海和岩质地幔之间的界面当中。

　　这些发现为海王星和天王星等大型冰冻行星的热历史打开了新的局面，这项研究的结果发表在科学杂志《自然天文学》上。

　　铁橄榄石或橄榄石粉末的微小颗粒与水一起被装入一个在金属箔上钻出的微小样品室（直径不到一毫米），并使用钻石砧板（DAC）在两个的钻石模块之间进行挤压。样品通过红外激光照射钻石砧板而被加热，同步辐射X射线衍射被用来确定矿物的转化和与水反应所引起的破裂。

　　在整个加热和淬火过程中，观察到来自起始矿物的衍射信号突然减少，并出现了包括布鲁克石（氢氧化镁）在内的新固相。Sergio Speziale解释说。"这证明了化学反应的开始和铁橄榄石和橄榄石的氧化镁成分的溶解；在20至40千兆帕和1250至2000开尔文的特定压力-温度范围内，溶解性最强。"

　　反应过程的细节以及随之而来的氧化镁与残余相的化学分离，通过对回收的样品进行彻底的扫描电子显微镜（SEM）和X射线光谱分析得到证实。Sergio Speziale说："在这些极端的压力和温度下，氧化镁在水中的溶解度达到了与环境条件下的盐类似的水平。"

　　科学家们得出结论，在水层和下层岩石地幔之间的界面上，氧化镁的密集溶解可能会在具有适当大小和成分的富水亚海王星外行星（如TRAPPIST-1f）中出现，并在行星历史的早期热阶段产生化学梯度。这些梯度与行星海底的氧化镁的不同分布可能在其漫长的冷却演化过程中被部分保留下来。在行星吸积过程中，水和岩石物质之间最初相对较浅的相互作用的痕迹也可以在天王星那样大的冰质行星上保存数十亿年。