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

Bajo las capas de hielo de lunas como Europa y Encélado, o dentro de los vastos mundos ricos en agua que orbitan estrellas distantes, se encuentra una capa de agua congelada tan gruesa que la presión en su base es millones de veces mayor que la presión del aire al nivel del mar. En estas profundidades aplastantes, el agua no se comporta como el hielo que conocemos de un lago invernal. En su lugar, se transforma en un sólido cristalino denso conocido como hielo VII, una forma de agua que permanece sólida incluso a temperaturas muy por encima del punto de ebullición del agua en la superficie. Durante décadas, los científicos planetarios han operado bajo una suposición simple sobre lo que sucede cuando la sal se disuelve en estos océanos profundos: a medida que el agua se congela en este hielo de alta presión, la sal es expulsada, rechazada por la estructura cristalina y dejada atrás en el océano líquido superior. Esta idea ha dado forma a nuestra comprensión de cómo se construyen estos mundos, cómo se mueven sus interiores y si sus océanos ocultos podrían albergar vida. Si la sal no puede entrar en el hielo profundo, entonces los océanos permanecen salados mientras que las capas de hielo permanecen puras, creando un tipo específico de estratificación de densidad que impulsa las corrientes internas del planeta.

Sin embargo, un nuevo estudio desafía esta visión largamente sostenida al revelar que, bajo las condiciones adecuadas, la sal no tiene por qué quedarse atrás. Los investigadores han descubierto que cuando una solución salina se congela rápidamente y luego se comprime bajo una presión inmensa, el hielo resultante puede atrapar una cantidad significativa de sal dentro de su estructura cristalina. Este hallazgo sugiere que los interiores profundos de los planetas ricos en agua pueden ser mucho más complejos químicamente de lo que se pensaba anteriormente, con el hielo salado actuando como un reservorio oculto que podría alterar la forma en que el calor y el material se mueven a través de estos mundos. El estudio se centra en el cloruro de sodio, la misma sal de mesa común que se encuentra en los océanos de la Tierra, y demuestra que puede convertirse en una parte integral del propio hielo, en lugar de ser solo una impureza situada entre los cristales.

El equipo, liderado por investigadores de instituciones de toda Europa, se propuso probar qué le sucede a la sal cuando se somete a las condiciones extremas que se encuentran en el interior de las lunas heladas. Comenzaron con una solución concentrada de sal y agua, similar a la salmuera que se encuentra en los océanos de la Tierra pero mucho más fuerte. En lugar de simplemente congelar esta mezcla lentamente, lo que naturalmente expulsaría la sal, utilizaron una técnica llamada "enfriamiento y compresión" (quench-and-compress). Primero, enfriaron el líquido tan rápido que se convirtió en un sólido desordenado de tipo vítreo sin formar cristales. Luego, manteniendo la muestra congelada, la colocaron dentro de un dispositivo capaz de generar presiones mucho más altas que cualquier cosa encontrada en la superficie de la Tierra. Al comprimir esta mezcla de agua y sal amorfa y vítrea, la calentaron de nuevo hasta la temperatura ambiente. Este camino específico —congelar rápido, luego comprimir— permitió que los iones de sal quedaran atrapados dentro de la estructura de hielo en formación antes de que el cristal tuviera la oportunidad de rechazarlos.

Cuando los investigadores examinaron el material resultante utilizando potentes rayos X y dispersión de neutrones, encontraron algo inesperado. El hielo que se formó no era el hielo VII estándar y puro. En su lugar, era una versión expandida del cristal que contenía una cantidad significativa de sal en su interior. Los iones de sal, sodio y cloro, habían tomado el lugar de las moléculas de agua dentro de la red de hielo, creando una solución sólida donde la sal estaba tejida directamente en la trama del hielo. Esta nueva forma de hielo tenía una celda unitaria, el bloque de construcción básico del cristal, que era aproximadamente un ocho y medio por ciento más grande que la del hielo VII puro. La estructura era altamente desordenada, con los iones de sal provocando que las moléculas de agua circundantes se retorcieran y se reorientaran para acomodar los átomos extraños. Crucialmente, no había signos de cristales de sal separados o hidratos de sal; la sal estaba totalmente integrada en el hielo.

Los investigadores probaron entonces qué tan estable era realmente este hielo salado. Redujeron lentamente la presión sobre la muestra mientras mantenían la temperatura constante. A una presión de aproximadamente 5.1 gigapascales, ocurrió un cambio dramático. El hielo salado y expandido expulsó repentinamente la sal, que se cristalizó en granos de sal sólidos y separados. El hielo regresó a su forma pura, y la sal quedó atrás como un mineral distinto. Cuando intentaron comprimir la muestra de nuevo para recrear el hielo salado, esto no sucedió. La sal permaneció separada, negándose a reingresar en la estructura del hielo. Esto reveló que la formación de este hielo salado no es un proceso simple y reversible que ocurra automáticamente a alta presión. En cambio, depende enteramente de la historia del material: solo se forma si la sal queda atrapada en un estado desordenado antes de que el hielo cristalice. Una vez que la sal es expulsada, no puede volver a entrar fácilmente.

Este descubrimiento tiene implicaciones profundas para nuestra comprensión de los interiores de los planetas ricos en agua. Debido a que el hielo salado es menos denso que una mezcla de hielo puro y cristales de sal separados, puede flotar más fácilmente dentro del manto profundo de un planeta. Esto significa que el hielo salado podría ser transportado hacia arriba por el movimiento lento y turbulento del interior del planeta, transportando sal desde la interfaz de la roca profunda hacia el océano superficial. Sin embargo, a medida que este hielo salado asciende y la presión disminuye, eventualmente alcanzará el umbral crítico de 5.1 gigapascales. En ese punto, el hielo liberará su sal, la cual se hundirá debido a que es más densa que el hielo circundante. Este proceso actúa como un filtro, permitiendo que algo de sal viaje hacia arriba pero atrapando una parte significativa de ella a una profundidad específica.

El estudio sugiere que la composición química de los océanos subsuperficiales en lunas y exoplanetas podría estar controlada por este filtro inducido por la presión. Si el hielo profundo puede retener la sal, los océanos superiores podrían ser menos salinos de lo que predicen los modelos. Por el contrario, si el hielo libera la sal a una profundidad específica, podría crear una capa de material salino denso que inhiba la mezcla posterior. Los investigadores señalan que, aunque sus experimentos utilizaron concentraciones de sal muy altas para hacer claro el efecto, el principio probablemente se aplica a las salmueras mucho más diluidas que se encuentran en la naturaleza, aunque la profundidad exacta de este efecto de filtrado dependería de la temperatura y los niveles de sal específicos de cada mundo. Al demostrar que el hielo VII puede actuar como un huésped para la sal bajo ciertas condiciones, el estudio obliga a repensar cómo se mueven los elementos químicos a través de los interiores profundos de los mundos más misteriosos del sistema solar. El hielo profundo no es solo una barrera pasiva que excluye la sal; es un participante dinámico en la evolución química de estos planetas, capaz de atrapar, transportar y liberar sal de formas que antes eran inimaginables.