Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जल-समृद्ध ग्रहों में विशिष्ट उच्च-दबाव पथों के तहत निर्मित एक मेटास्टेबल (metastable), अव्यवस्थित आइस VII (ice VII) चरण के भीतर NaCl को फँसाया जा सकता है, जो केवल लगभग 5 GPa के विसंपीड़न (decompression) के दौरान बाहर निकाला जाता है, जिससे यह उप-सतही महासागरों और चट्टानी आंतरिक भाग के बीच रासायनिक विनिमय को नियंत्रित करने वाले एक पथ-निर्भर संरचनात्मक फिल्टर के रूप में कार्य करता है।
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यूरोपा और एनसेलेडस जैसे चंद्रमाओं की बर्फीली परतों के नीचे, या दूर स्थित तारों की परिक्रमा करने वाले विशाल, जल-समृद्ध संसारों के भीतर, जमी हुई बर्फ की एक ऐसी परत मौजूद है जो इतनी मोटी है कि इसके आधार पर दबाव समुद्र तल पर हवा के दबाव से लाखों गुना अधिक है। इन अत्यधिक दबाव वाले गहराइयों में, पानी उस बर्फ की तरह व्यवहार नहीं करता जिसे हम सर्दियों की झील में देखते हैं। इसके बजाय, यह एक घने, क्रिस्टलीय ठोस में बदल जाता है जिसे 'आइस VII' (ice VII) के रूप में जाना जाता है, जो पानी का एक ऐसा रूप है जो सतह पर पानी के उबलते बिंदु से कहीं अधिक तापमान पर भी ठोस बना रहता है। दशकों से, ग्रह वैज्ञानिक इस सरल धारणा के तहत काम कर रहे थे कि जब नमक इन गहरे महासागरों में घुलता है, तो क्या होता है: जैसे ही पानी इस उच्च-दबाव वाली बर्फ में जमता है, नमक बाहर धकेल दिया जाता है, जिसे क्रिस्टल संरचना द्वारा अस्वीकार कर दिया जाता है और ऊपर के तरल महासागर में छोड़ दिया जाता है। इस विचार ने हमारी इस समझ को आकार दिया है कि ये दुनिया कैसे बनी हैं, उनके आंतरिक भाग कैसे चलते हैं, और क्या उनके छिपे हुए महासागर जीवन का समर्थन कर सकते हैं। यदि नमक गहरे बर्फ में प्रवेश नहीं कर सकता, तो महासागर नमकीन बने रहते हैं जबकि बर्फ की परतें शुद्ध रहती हैं, जिससे एक विशिष्ट प्रकार की घनत्व परत बनती है जो ग्रह की आंतरिक धाराओं को संचालित करती है।
हालाँकि, एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है और यह प्रकट करता है कि सही परिस्थितियों में, नमक को पीछे नहीं छोड़ा जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने पाया है कि जब एक नमकीन घोल को तेजी से जमाया जाता है और फिर अत्यधिक दबाव के तहत दबाया जाता है, तो परिणामी बर्फ अपने क्रिस्टल ढांचे के भीतर काफी मात्रा में नमक को कैद कर सकती है। यह खोज बताती है कि जल-समृद्ध ग्रहों के गहरे आंतरिक भाग पहले की तुलना में कहीं अधिक रासायनिक रूप से जटिल हो सकते हैं, जहाँ नमकीन बर्फ एक छिपे हुए भंडार के रूप में कार्य करती है जो इन दुनियाओं के माध्यम से ऊष्मा और सामग्री के संचलन को बदल सकती है। यह अध्ययन सोडियम क्लोराइड पर केंद्रित है, जो पृथ्वी के महासागरों में पाया जाने वाला वही सामान्य साधारण नमक है, और यह प्रदर्शित करता है कि यह बर्फ का एक अभिन्न अंग बन सकता है, न कि केवल क्रिस्टल के बीच स्थित एक अशुद्धि।
यूरोप के विभिन्न संस्थानों के शोधकर्ताओं के नेतृत्व में बनी टीम ने यह परीक्षण करने के लिए प्रयास किया कि जब नमक को चंद्रमाओं के गहरे आंतरिक भाग में पाई जाने वाली चरम स्थितियों के अधीन किया जाता है, तो क्या होता है। उन्होंने नमक और पानी के एक सांद्रित घोल से शुरुआत की, जो पृथ्वी के महासागरों में पाए जाने वाले ब्राइन (brine) के समान है लेकिन बहुत अधिक शक्तिशाली है। इस मिश्रण को धीरे-धीरे जमाने के बजाय, जो स्वाभाविक रूप से नमक को बाहर धकेल देगा, उन्होंने "क्वेंच-एंड-कंप्रेस" (quench-and-compress) नामक तकनीक का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने तरल को इतनी तेज़ी से ठंडा किया कि वह बिना कोई क्रिस्टल बनाए एक कांच जैसी, अव्यवस्थित ठोस अवस्था में बदल गया। फिर, नमूने को जमे हुए रखते हुए, उन्होंने इसे एक ऐसे उपकरण के भीतर रखा जो पृथ्वी की सतह पर पाए जाने वाले किसी भी दबाव से कहीं अधिक दबाव उत्पन्न करने में सक्षम था। जैसे ही उन्होंने इस अमोर्फस (amorphous), कांच जैसे नमकीन-पानी के मिश्रण को दबाया, उन्होंने इसे वापस कमरे के तापमान तक गर्म किया। इस विशिष्ट प्रक्रिया ने—तेजी से जमना, फिर दबाना—नमक के आयनों को बर्फ की संरचना बनाने से पहले उसके भीतर फंसने की अनुमति दी।
जब शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली एक्स-रे बीम और न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का उपयोग करके परिणामी सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्हें कुछ अप्रत्याशित मिला। बनी हुई बर्फ मानक, शुद्ध आइस VII नहीं थी। इसके बजाय, यह क्रिस्टल का एक नया, विस्तारित संस्करण था जिसमें नमक की कोई अलग जेब नहीं थी। सोडियम और क्लोरीन के आयनों ने बर्फ के भीतर पानी के अणुओं का स्थान ले लिया था, जिससे एक 'सॉलिड सॉल्यूशन' (solid solution) बन गया जहाँ नमक सीधे बर्फ के ताने-बाने में बुना हुआ था। इस नए प्रकार की बर्फ का यूनिट सेल (unit cell), जो क्रिस्टल का बुनियादी दोहराने वाला निर्माण खंड है, शुद्ध आइस VII की तुलना में लगभग साढ़े आठ प्रतिशत बड़ा था। इसकी संरचना अत्यधिक अव्यवस्थित थी, जिसमें नमक के आयनों ने आसपास के पानी के अणुओं को विदेशी परमाणुओं को समायोजित करने के लिए मुड़ने और पुनर्गठित होने के लिए प्रेरित किया। महत्वपूर्ण रूप से, अलग नमक के क्रिस्टल या नमक के हाइड्रेट्स का कोई संकेत नहीं था; नमक पूरी तरह से बर्फ में एकीकृत था।
शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि यह नमकीन बर्फ वास्तव में कितनी स्थिर थी। उन्होंने नमूने पर दबाव को धीरे-धीरे कम किया जबकि तापमान को स्थिर रखा। लगभग 5.1 गीगापास्कल के दबाव पर, एक नाटकीय परिवर्तन हुआ। नमकीन, विस्तारित बर्फ ने अचानक नमक को बाहर निकाल दिया, जो अलग, ठोस नमक के दानों के रूप में क्रिस्टलीकृत हो गया। बर्फ अपने शुद्ध रूप में लौट आई, और नमक एक अलग खनिज के रूप में पीछे रह गया। जब उन्होंने नमकीन बर्फ को फिर से बनाने के लिए नमूने को फिर से दबाने की कोशिश की, तो ऐसा नहीं हुआ। नमक अलग रहा, और बर्फ की संरचना में वापस जाने से इनकार कर दिया। इससे पता चला कि इस नमकीन बर्फ का निर्माण एक सरल, प्रतिवर्ती प्रक्रिया नहीं है जो उच्च दबाव पर स्वतः होती है। इसके बजाय, यह पूरी तरह से सामग्री के इतिहास पर निर्भर करता है: यह तभी बनता है जब नमक को क्रिस्टलीकरण से पहले एक अव्यवस्थित अवस्था में फंसाया जाता है। एक बार जब नमक बाहर निकल जाता है, तो इसे आसानी से वापस अंदर नहीं लाया जा सकता।
यह खोज जल-समृद्ध ग्रहों के आंतरिक भाग के बारे में हमारी समझ के लिए गहरे निहितार्थ रखती है। क्योंकि नमकीन बर्फ, शुद्ध बर्फ और अलग नमक क्रिस्टल के मिश्रण की तुलना में कम घनत्व वाली होती है, इसलिए यह ग्रह के गहरे मेंटल के भीतर अधिक आसानी से तैर सकती है। इसका अर्थ है कि नमकीन बर्फ को ग्रह के आंतरिक भाग की धीमी, मंथन वाली गति द्वारा ऊपर ले जाया जा सकता है, जिससे चट्टान के गहरे इंटरफेस से सतह के महासागर की ओर नमक का परिवहन किया जा सकता है। हालाँकि, जैसे ही यह नमकीन बर्फ ऊपर उठती है और दबाव कम होता है, यह अंततः 5.1 गीगापास्कल की महत्वपूर्ण सीमा तक पहुँच जाएगी। इस बिंदु पर, बर्फ अपना नमक छोड़ देगी, जो फिर अधिक घनत्व के कारण नीचे गिर जाएगा क्योंकि यह आसपास की बर्फ की तुलना में अधिक सघन है। यह प्रक्रिया एक फिल्टर के रूप में कार्य करती है, जिससे कुछ नमक ऊपर की ओर यात्रा कर सकता है लेकिन एक बड़ा हिस्सा एक विशिष्ट गहराई पर फंस जाता है।
अध्ययन बताता है कि उपग्रहों और एक्सोप्लैनेट्स (exoplanets) के उप-सतही महासागरों की रासायनिक संरचना इस दबाव-प्रेरित फिल्टर द्वारा नियंत्रित हो सकती है। यदि गहरी बर्फ नमक को थामे रख सकती है, तो ऊपर के महासागर मॉडलों की भविष्यवाणी की तुलना में कम नमकीन हो सकते हैं। इसके विपरीत, यदि बर्फ एक विशिष्ट गहराई पर नमक छोड़ देती है, तो यह एक घने, नमकीन पदार्थ की परत बना सकती है जो आगे के मिश्रण को बाधित करती है। शोधकर्ता कहते हैं कि हालांकि उनके प्रयोगों में बहुत उच्च नमक सांद्रता का उपयोग किया गया ताकि प्रभाव स्पष्ट हो सके, लेकिन यह सिद्धांत प्रकृति में पाए जाने वाले अधिक विरल (dilute) ब्राइन पर भी लागू होता है, हालांकि इस फिल्टरिंग प्रभाव की सटीक गहराई प्रत्येक दुनिया के विशिष्ट तापमान और नमक के स्तर पर निर्भर करेगी। यह दिखाते हुए कि आइस VII कुछ परिस्थितियों में नमक के लिए एक मेजबान बन सकती है, यह अध्ययन सौर मंडल की सबसे रहस्यमय दुनियाओं के गहरे आंतरिक भाग के माध्यम से रासायनिक तत्वों के संचलन के बारे में एक नई सोच को मजबूर करता है। गहरा बर्फ केवल एक निष्क्रिय, नमक-बहिष्कृत बाधा नहीं है; यह इन ग्रहों के रासायनिक विकास में एक गतिशील भागीदार है, जो नमक को उन तरीकों से पकड़ने, परिवहन करने और छोड़ने में सक्षम है जो पहले अकल्पनीय थे।
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