Дивна форма води може допомогти пояснити магнетизм Урана

Однією з найбільш незвичайних речей про Уран і Нептун є їхні магнітні поля. Кожна з цих планет має гарячу безладну магнітосферу, зміщену в порядку та шалено нахилену від осі обертання таким чином, якого немає на жодній іншій планеті. Не зовсім зрозуміло чому, але завдяки групі дослідників ми могли б отримати нову частину головоломки: справді дивну, іонізовану форму води, яку називають аквадіумом, яка може існувати глибоко в надвисокому тиску всередині цих дивні, крижані світи.

Акводій складається зі звичайної молекули води з двома додатковими протонами, які надають їй чистий позитивний заряд, який – у достатній кількості – може створити планетарне магнітне поле, подібне до поля Урана та Нептуна. Магнітні поля планет простягаються далеко в простір навколо планет, які їх створюють. Однак вони генеруються глибоко всередині планети шляхом переміщення зарядів, хоча точний механізм може відрізнятися.

На Землі це залізо-нікелевий сплав, який хлюпає навколо ядра, обертається, конвекційно та електрично проводить, перетворюючи всю цю кінетичну енергію на електронні струми в тому, що називається динамо. Для Юпітера та Сатурна вчені вважають, що саме металевий водень є каналом для потоку електронів.

Земля, Юпітер і Сатурн мають відносно акуратні магнітні поля, які нагадують поля величезного стрижневого магніту, що рухається вздовж осі обертання планети, його лінії поля, як клітка, чітко з’єднують північний і південний полюси. Магнітні полюси Урана і Нептуна, навпаки, нахилені на 59 і 47 градусів відповідно від своїх осей обертання, а лінії магнітного поля постійно змінюються і зміщуються. І вони насправді не зосереджені в ядрах планет.

Одне з можливих пояснень полягає в тому, що магнітні поля можуть бути створені іонопровідною рідиною, в якій іони є носіями заряду, а не рідина, яка діє як провідник для електронів. Питання в тому, які іони? Деякі, як амоній, є очевидними можливостями. Але чи можуть молекули води планет відігравати більш значну роль у цьому процесі?

Під керівництвом фізика Джінгу Хоу з Університету Нанкай у Китаї команда дослідників повернулася до початкових принципів у поєднанні з моделями способу еволюції молекул, заглибившись у концепцію під назвою хімічна гібридизація.

Це коли орбітальні елементи атома змішуються або комбінуються, щоб створити атом, який може зв’язуватися по-новому. Існують різні типи гібридизації, але тут актуальна гібридизація sp3, у якій чотири орбіталі утворюють тетраедричну структуру навколо центрального ядра.

Кожна з чотирьох точок тетраедра має або одинокий електрон, здатний зв’язуватися з іншим атомом, або електронну пару, яка не може утворювати зв’язки з іншими атомами. У зовнішньої оболонки кисню є два одиночних електрони і дві електронні пари. Якщо приєднати атом водню до кожного з доступних валентних електронів, ви отримаєте H₂O – воду.

Іноді водень без свого електрона – також відомий як звичайний старий протон – приєднується до однієї з електронних пар, утворюючи молекулу, яка називається іоном гідронію.

«Питання полягало в тому: чи можете ви додати ще один протон до іона гідронію, щоб заповнити відсутню частину? Така конфігурація за нормальних умов енергетично дуже несприятлива, але наші розрахунки показують, що є дві речі, які можуть це зробити», — говорить фізик. Сяо Дун з Нанкайського університету.

«По-перше, дуже високий тиск змушує речовину зменшувати свій об’єм, і поділитися раніше невикористаною електронною парою кисню з іоном водню (протоном) є чудовим способом зробити це: як ковалентний зв’язок з воднем, за винятком обох електронів у парі По-друге, вам потрібна велика кількість доступних протонів, а це означає кисле середовище, тому що саме це роблять кислоти – вони віддають протони».

Дослідники провели обчислювальне моделювання, і в умовах, подібних до тих, які, як вважають, існують на Урані та Нептуні, ось що сталося. При температурах близько 3000 градусів Цельсія (5430 Фаренгейтів) і тиску 1,5 мільйона атмосфер протони приєднуються до гідронію, утворюючи H₄O₂ – аквадій.

Звичайно, це ще теоретично. Для подальшого дослідження цієї можливості знадобляться більш детальні спостереження двох найдальших планет; але відкриття дають нам новий спосіб зрозуміти сині диваки, якими є Уран і Нептун. І вони також мають наслідки для хімії в цілому, представляючи, як пишуть дослідники, «важливе доповнення до традиційних фізичних і хімічних теорій, таких як модель відштовхування електронної пари валентної оболонки, перенесення протона та кислотно-основна теорія».