Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets

تحت القشور الجليدية السميكة لأقمار مثل أوروبا وإنسيلادوس، أو داخل العوالم الشاسعة الغنية بالمياه التي تدور حول نجوم بعيدة، تكمن طبقة من الماء المتجمد سميكة للغاية لدرجة أن الضغط عند قاعدتها يعادل ملايين المرات الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. في هذه الأعماق الساحقة، لا يتصرف الماء مثل الجليد الذي نعرفه من بحيرة شتوية؛ بل يتحول بدلاً من ذلك إلى صلب بلوري كثيف يُعرف باسم "الجليد السابع" (ice VII)، وهو شكل من أشكال الماء يظل صلباً حتى في درجات حرارة أعلى بكثير من نقطة غليان الماء عند السطح. لعقود من الزمن، عمل علماء الكواكب بناءً على افتراض بسيط حول ما يحدث عندما يذوب الملح في هذه المحيطات العميقة: وهو أنه عندما يتجمد الماء إلى هذا الجليد عالي الضغط، يتم طرد الملح، حيث يرفضه الهيكل البلوري ويتركه خلفه في المحيط السائل أعلاه. لقد شكلت هذه الفكرة فهمنا لكيفية بناء هذه العوالم، وكيفية تحرك أجزائها الداخلية، وما إذا كانت محيطاتها الخفية يمكن أن تدعم الحياة. فإذا لم يتمكن الملح من دخول الجليد العميق، فإن المحيطات تظل مالحة بينما تظل القشور الجليدية نقية، مما يخلق نوعاً معيناً من التدرج في الكثافة يدفع التيارات الداخلية للكوكب.

ومع ذلك، يتحدى دراسة جديدة هذا المنظور الذي ساد طويلاً من خلال الكشف عن أنه في ظل الظروف المناسبة، ليس من الضروري ترك الملح خلفنا. فقد اكتشف الباحثون أنه عندما يتجمد محلول ملحي بسرعة ثم يُضغط تحت ضغط هائل، يمكن للجليد الناتج أن يحبس كمية كبيرة من الملح داخل هيكله البلوري. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الأجزاء الداخلية العميقة للكواكب الغنية بالمياه قد تكون أكثر تعقيداً كيميائياً مما كان يُعتقد سابقاً، حيث يعمل الجليد المالح كمستودع خفي يمكن أن يغير كيفية انتقال الحرارة والمواد عبر هذه العوالم. تركز الدراسة على كلوريد الصوديوم، وهو نفس ملح الطعام الشائع الموجود في محيطات الأرض، وتوضح أنه يمكن أن يصبح جزءاً لا يتجزأ من الجليد نفسه، بدلاً من كونه مجرد شوائب مستقرة بين البلورات.

قام الفريق، بقيادة باحثين من مؤسسات عبر أوروبا، باختبار ما يحدث للملح عندما يتعرض للظروف القاسية الموجودة في أعماق الأقمار الجليدية. بدأوا بمحلول مركز من الملح والماء، يشبه المحلول الملحي الموجود في محيطات الأرض ولكنه أقوى بكثير. وبدلاً من مجرد تجميد هذا الخليط ببطء، مما سيؤدي طبيعياً إلى طرد الملح، استخدموا تقنية تسمى "التبريد السريع والضغط" (quench-and-compress). أولاً، قاموا بتبريد السائل بسرعة كبيرة لدرجة أنه تحول إلى صلب زجاجي غير منظم دون تكوين أي بلورات. ثم، مع الحفاظ على العينة متجمدة، وضعوها داخل جهاز قادر على توليد ضغوط أعلى بكثير من أي شيء يوجد على سطح الأرض. وبينما كانوا يضغطون هذا الخليط الزجاجي الملح-المائي، قاموا بتسخينه مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة. هذا المسار المحدد — التجميد السريع، ثم الضغط — سمح لأيونات الملح بالانحباس داخل هيكل الجليد المتكون قبل أن تتاح للبلورة فرصة طردها.

وعندما فحص الباحثون المادة الناتجة باستخدام أشعة إكس القوية وتشتت النيوترونات، وجدوا شيئاً غير متوقع. فالجليد الذي تشكل لم يكن "الجليد السابع" النقي القياسي، بل كان نسخة موسعة من البلورة تحتوي على كمية كبيرة من الملح بداخلها. لم تكن أيونات الملح، الصوديوم والكلور، مجرد جيوب منفصلة من الملح، بل اتخذت مكان جزيئات الماء داخل الشبكة الجليدية، مما خلق حلاً صلباً حيث نُسج الملح مباشرة في نسيج الجليد. كانت هذه النسخة الجديدة من الجليد تمتلك وحدة خلية (وهي وحدة البناء الأساسية المتكررة للبلورة) أكبر بنحو ثمانية ونصف بالمائة من الجليد السابع النقي. كان الهيكل شديد الاضطراب، حيث تسببت أيونات الملح في جعل جزيئات الماء المحيطة تلتوي وتعيد توجيه نفسها لاستيعاب الذرات الغريبة. والأهم من ذلك، لم يكن هناك أي أثر لبلورات ملح منفصلة أو هيدرات ملحية؛ فقد كان الملح مدمجاً بالكامل في الجليد.

اختبر الباحثون بعد ذلك مدى استقرار هذا الجليد المالح حقاً. قاموا بخفض الضغط على العينة ببطء مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة. وعند ضغط يبلغ حوالي 5.1 جيجاباسكال، حدث تغيير دراماتيكي؛ حيث طرد الجليد المالح الموسع الملح فجأة، والذي تبلور ليصبح حبيبات ملح صلبة منفصلة. عاد الجليد إلى شكله النقي، وبقي الملح وراءه كمعدن متميز. وعندما حاولوا ضغط العينة مرة أخرى لإعادة إنشاء الجليد المالح، لم يحدث ذلك. ظل الملح منفصلاً، رافضاً إعادة الدخول إلى هيكل الجليد. كشف هذا أن تكوين هذا الجليد المالح ليس عملية بسيطة وعكوسة تحدث تلقائياً عند الضغط العالي، بل يعتمد تماماً على تاريخ المادة: فهو يتكون فقط إذا حُبس الملح في حالة غير منظمة قبل تبلور الجليد. وبمجرد طرد الملح، لا يمكن إعادته بسهولة إلى الداخل.

لهذا الاكتشاف تداعيات عميقة على فهمنا للأجزاء الداخلية للكواكب الغنية بالمياه. ولأن الجليد المالح أقل كثافة من خليط من الجليد النقي وبلورات الملح المنفصلة، فإنه يمكن أن يطفو بسهل أكبر داخل الوشاح العميق للكوكب. وهذا يعني أن الجليد المالح يمكن أن يُحمل إلى الأعلى بواسطة الحركة البطيئة والمضطربة للجزء الداخلي من الكوكب، مما ينقل الملح من واجهة الصخور العميقة نحو المحيط السطحي. ومع ذلك، عندما يرتفع هذا الجليد المالح وينخفض الضغط، سيصل في النهاية إلى العتبة الحرجة وهي 5.1 جيجاباسكال. عند هذه النقطة، سيطلق الجليد ملحه، الذي سينزل بعد ذلك إلى الأسفل لأنه أكثر كثافة من الجليد المحيط به. تعمل هذه العملية كمرشح (فلتر)، مما يسمح لبعض الملح بالصعود ولكن يحجز جزءاً كبيراً منه عند عمق محدد.

تشير الدراسة إلى أن التركيب الكيميائي للمحيطات الموجودة تحت السطح في الأقمار والكواكب الخارجية قد يكون محكوماً بهذا المرشح الناجم عن الضغط. فإذا كان بإمكان الجليد العميق الاحتفاظ بالملح، فقد تكون المحيطات فوقه أقل ملوحة مما تتوقعه النماذج. وعلى العكس من ذلك، إذا أطلق الجليد الملح عند عمق معين، فقد يؤدي ذلك إلى إنشاء طبقة من المواد المالحة الكثيفة التي تمنع المزيد من الاختلاط. ويشير الباحثون إلى أنه بينما استخدمت تجاربهم تركيزات ملحية عالية جداً لجعل التأثير واضحاً، فإن المبدأ ينطبق على الأرجاء الأكثر تخفيفاً الموجودة في الطبيعة، رغم أن العمق الدقيق لتأثير الترشيح هذا سيعتمد على درجة الحرارة ومستويات الملح الخاصة بكل عالم. ومن خلال إظهار أن الجليد السابع يمكن أن يعمل كمضيف للملح تحت ظروف معينة، تجبر هذه الدراسة العلماء على إعادة التفكير في كيفية انتقال العناصر الكيميائية عبر الأجزاء الداخلية العميقة لأكثر عوالم النظام الشمسي غموضاً. فالجليد العميق ليس مجرد حاجز سلبي يستبعد الملح، بل هو مشارك ديناميكي في التطور الكيميائي لهذه الكواكب، وقادر على حبس ونقل وتحرير الملح بطرق لم تكن متخيلة من قبل.