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

Profondamente sotto le gusci ghiacciate di lune come Europa ed Encelado, o all'interno dei vasti mondi ricchi d'acqua che orbitano attorno a stelle lontane, si trova uno strato di acqua congelata così spesso che la pressione alla sua base è milioni di volte superiore alla pressione atmosferica al livello del mare. In queste profondità schiaccianti, l'acqua non si comporta come il ghiaccio che conosciamo da un lago invernale. Invece, si trasforma in un solido cristallino denso noto come ghiaccio VII, una forma d'acqua che rimane solida anche a temperature molto superiori al punto di ebollizione dell'acqua in superficie. Per decenni, i pianetologi hanno operato sulla base di un'assunzione semplice riguardo a ciò che accade quando il sale si scioglie in questi oceani profondi: man mano che l'acqua congela in questo ghiaccio ad alta pressione, il sale viene espulso, rifiutato dalla struttura cristallina e lasciato indietro nell'oceano liquido sovrastante. Questa idea ha plasmato la nostra comprensione di come questi mondi siano costruiti, di come i loro interni si muovano e se i loro oceani nascosti possano sostenere la vita. Se il sale non può entrare nel ghiaccio profondo, allora gli oceani rimangono salati mentre i gusci di ghiaccio rimangono puri, creando un tipo specifico di stratificazione della densità che guida le correnti interne del pianeta.

Tuttavia, un nuovo studio mette in discussione questa visione di lunga data rivelando che, nelle giuste condizioni, il sale non deve necessariamente essere lasciato indietro. I ricercatori hanno scoperto che, quando una soluzione salina viene congelata rapidamente e poi compressa sotto un'immensa pressione, il ghiaccio risultante può intrappolare una quantità significativa di sale all'interno della sua struttura cristallina. Questa scoperta suggerisce che gli interni profondi dei pianeti ricchi d'acqua potrebbero essere molto più complessi dal punto di vista chimico di quanto precedentemente ipotizzato, con il ghiaccio salato che funge da serbatoio nascosto capace di alterare il modo in cui il calore e la materia si muovono attraverso questi mondi. Lo studio si concentra sul cloruro di sodio, lo stesso comune sale da tavola che si trova negli oceani della Terra, e dimostra che esso può diventare parte integrante del ghiaccio stesso, piuttosto che essere solo un'impurità situata tra i cristalli.

Il team, guidato da ricercatori provenienti da varie istituzioni europee, si è posto l'obiettivo di testare cosa accada al sale quando è sottoposto alle condizioni estreme presenti all'interno delle lune ghiacciate. Sono partiti da una soluzione concentrata di sale e acqua, simile alla salamoia presente negli oceani terrestri ma molto più forte. Invece di congelare semplicemente questa miscela lentamente, il che porterebbe naturalmente il sale all'esterno, hanno utilizzato una tecnica chiamata "quench-and-compress" (tempra e compressione). Per prima cosa, hanno raffreddato il liquido così velocemente da trasformarlo in un solido disordinato e simile al vetro, senza formare cristalli. Successivamente, mantenendo il campione congelato, lo hanno inserito in un dispositivo capace di generare pressioni molto più elevate di qualsiasi cosa si trovi sulla superficie terrestre. Mentre schiacciavano questa miscela di acqua e sale amorfa e vetrosa, l'hanno riscaldata nuovamente fino alla temperatura ambiente. Questo percorso specifico — congelamento rapido, poi compressione — ha permesso agli ioni di sale di rimanere intrappolati all'interno della struttura del ghiaccio in formazione, prima che il cristallo avesse la possibilità di rifiutarli.

Quando i ricercatori hanno esaminato il materiale risultante utilizzando potenti raggi X e scattering di neutroni, hanno scoperto qualcosa di inaspettato. Il ghiaccio che si era formato non era il normale ghiaccio VII puro. Si trattava invece di una nuova versione espansa del cristallo che conteneva una quantità significativa di sale al suo interno. Gli ioni del sale, sodio e cloro, avevano preso il posto delle molecole d'acqua all'interno del reticolo del ghiaccio, creando una soluzione solida in cui il sale era intrecciato direttamente nel tessuto del ghiaccio. Questa nuova forma di ghiaccio aveva una cella unitaria, il blocco fondamentale ripetitivo del cristallo, circa l'otto e mezzo per cento più grande del ghiaccio VII puro. La struttura era altamente disordinata, con gli ioni del sale che causavano la torsione e il riorientamento delle molecole d'acqua circostanti per accomodare gli atomi estranei. Fondamentalmente, non vi era traccia di cristalli di sale separati o idrati di sale; il sale era completamente integrato nel ghiaccio.

I ricercatori hanno poi testato quanto fosse stabile questo ghiaccio salato. Hanno ridotto lentamente la pressione sul campione mantenendo costante la temperatura. A una pressione di circa 5,1 gigapascal, si è verificato un cambiamento drammatico. Il ghiaccio salato ed espanso ha improvvisamente espulso il sale, che si è cristallizzato in grani di sale solidi separati. Il ghiaccio è tornato alla sua forma pura e il sale è stato lasciato indietro come un minerale distinto. Quando hanno provato a comprimere nuovamente il campione per ricreare il ghiaccio salato, ciò non è accaduto. Il sale è rimasto separato, rifiutandosi di rientrare nella struttura del ghiaccio. Ciò ha rivelato che la formazione di questo ghiaccio salato non è un processo semplice e reversibile che avviene automaticamente ad alta pressione. Al contrario, dipende interamente dalla storia del materiale: si forma solo se il sale viene intrappolato in uno stato disordinato prima che il ghiaccio cristallizzi. Una volta che il sale viene espulso, non può essere facilmente forzato a rientrare.

Questa scoperta ha implicazioni profonde per la nostra comprensione degli interni dei pianeti ricchi d'acqua. Poiché il ghiaccio salato è meno denso di una miscela di ghiaccio puro e sale cristallino separato, può galleggiare più facilmente all'interno del mantello profondo di un pianeta. Ciò significa che il ghiaccio salato potrebbe essere trasportato verso l'alto dal lento movimento di rimescolamento dell'interno del pianeta, trasportando il sale dall'interfaccia con la roccia profonda verso l'oceano superficiale. Tuttavia, man mano che questo ghiaccio salato sale e la pressione diminuisce, raggiungerà infine la soglia critica di 5,1 gigapascal. A questo punto, il ghiaccio rilascerà il suo sale, che affonderà nuovamente perché è più denso del ghiaccio circostante. Questo processo agisce come un filtro, permettendo ad alcuni sali di risalire ma intrappolando una parte significativa di essi a una specifica profondità.

Lo studio suggerisce che la composizione chimica degli oceani subsuperficiali su lune ed esopianeti potrebbe essere controllata da questo filtro indotto dalla pressione. Se il ghiaccio profondo può trattenere il sale, gli oceani sovrastanti potrebbero essere meno salati di quanto prevedano i modelli. Al contrario, se il ghiaccio rilascia il sale a una determinata profondità, potrebbe creare uno strato di materiale salato denso che inibisce ulteriore il rimescolamento. I ricercatori osservano che, sebbene i loro esperimenti abbiano utilizzato concentrazioni di sale molto elevate per rendere evidente l'effetto, il principio si applica probabilmente anche alle salamoie più diluite presenti in natura, sebbene la profondità esatta di questo effetto di filtraggio dipenda dalle specifiche temperature e dai livelli di sale di ciascun mondo. Dimostrando che il ghiaccio VII può fungere da ospite per il sale in determinate condizioni, lo studio impone una revisione del modo in cui gli elementi chimici si muovono attraverso gli interni profondi dei mondi più misteriosi del sistema solare. Il ghiaccio profondo non è solo una barriera passiva che esclude il sale; è un partecipante dinamico all'evoluzione chimica di questi pianeti, capace di intrappolare, trasportare e rilasciare sale in modi precedentemente inimmaginabili.