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

エウロパやエンケラドゥスのような氷の殻の下、あるいは遠く離れた恒星を周回する広大な水に富んだ世界の内部には、その底部の圧力が海面での気圧よりも数百万倍も高い、極めて厚い凍った水の層が存在します。これらの押しつぶされるような深部では、水は冬の湖で見られるような氷とは異なる挙動を示します。代わりに、水は「氷VII」として知られる高密度の結晶質固体へと変化します。これは、地表における水の沸点よりもはるかに高い温度でも固体のままでいる水の形態です。数十年にわたり、惑星科学者たちは、塩がこれらの深い海洋に溶け込む際に何が起こるかについて、単純な仮定に基づいて研究を進めてきました。それは、水がこの高圧氷へと凍結する際、塩は結晶構造から排除され、押し出されて、上部の液体の海洋に取り残されるというものです。この考え方は、これらの世界がどのように形成され、その内部がどのように動き、隠された海洋が生命を支え得るのかという理解を形作ってきました。もし塩が深い氷の中に入ることができないのであれば、海洋は塩分を保持し続け、一方で氷の殻は純粋なままとなり、惑星の内部対流を駆動する特定の種類の密度層を生み出すことになります。

しかし、新しい研究は、適切な条件下では塩が取り残される必要はないことを明らかにし、この長年の見解に異を唱えています。研究者たちは、塩分を含む溶液を急速に凍結させ、その後に猛烈な圧力で押しつぶすと、生成された氷がその結晶構造の中にかなりの量の塩を閉じ込めることができることを発見しました。この発見は、水に富む惑星の深い内部が、これまで考えられていたよりもはるかに化学的に複雑である可能性を示唆しています。つまり、塩を含んだ氷が隠れた貯蔵庫として機能し、それらの世界の熱や物質の移動を変える可能性があるということです。この研究は、地球の海洋にも存在する一般的な食塩と同じナトリウムクロリド（塩化ナトリウム）に焦点を当てており、それが単に結晶の間に存在する不純物としてではなく、氷そのものの一部となることを実証しています。

欧州の諸機関の研究者を中心とするチームは、氷の衛星の深部で見られる極限状態において、塩がどのような影響を受けるかをテストすることに乗り出しました。彼らは、地球の海洋に見られる塩水（ブライン）に似た、非常に濃度の高い塩水溶液から実験を開始しました。この混合物を単にゆっくりと凍らせるのではなく（ゆっくり凍らせると自然に塩が押し出されてしまうため）、彼らは「クエンチ・アンド・コンプレス（急冷および圧縮）」と呼ばれる手法を用いました。まず、液体を非常に急速に冷却することで、結晶を形成させることなく、ガラス状の無秩序な固体へと変化させました。次に、サンプルを凍結したまま、地球の表面よりもはるかに高い圧力を発生させることができる装置の中に配置しました。このアモルファス（無定形）でガラス状の塩水混合物を押しつぶしながら、彼らはサンプルを室温まで再び温めました。この特定の経路、すなわち「急速に凍結させ、その後に押しつぶす」というプロセスによって、塩のイオンが結晶化する前に、氷の構造の中に閉じ込められることが可能となりました。

研究チームが強力なX線ビームと中性子散乱を用いて得られた物質を調査したところ、予想外の結果が得られました。形成された氷は、標準的な純粋な氷VIIではありませんでした。それは、塩を全く含んでいないのではなく、塩を内包した新しい拡張型の結晶でした。塩のイオンであるナトリウムと塩素は、氷の格子内の水分子の場所を占め、塩が氷の織り目の中に直接編み込まれた「固溶体」を作り出していました。この新しい形態の氷の単位格子（結晶の基本的な繰り返し構造）は、純粋な氷VIIよりも約8.5パーセント大きくなっていました。その構造は高度に無秩序であり、塩のイオンによって周囲の水分子が歪み、異種の原子を受け入れるために再配向していました。決定的なことに、分離した塩の結晶や塩の水和物の兆候は見られず、塩は氷の中に完全に統合されていました。

研究チームは次に、この塩を含んだ氷が実際にどの程度安定しているかをテストしました。温度を一定に保ったまま、サンプルへの圧力を徐々に下げていきました。圧力が約5.1ギガパスカルに達したとき、劇的な変化が起こりました。塩を含んだ拡張氷は突然塩を排出し、塩は別個の固体の塩の粒子として結晶化しました。氷は純粋な形態に戻り、塩は明確な鉱物として取り残されました。彼らがこの塩入りの氷を再現するために再びサンプルを押しつぶそうとしましたが、それは起こりませんでした。塩は分離したままであり、氷の構造の中に再び入り込むことを拒みました。これは、この塩を含んだ氷の形成が、高圧下で自動的に起こる単純で可逆的なプロセスではないことを明らかにしました。その形成は、塩が結晶化する前に無秩序な状態で捕捉されるかどうかに完全に依存しており、一度塩が排出されると、容易に再び中に入ることはできません。

この発見は、水に富む惑星の内部に関する理解に重大な影響を及ぼします。なぜなら、塩を含んだ氷は、純粋な氷と分離した塩の結晶との混合物よりも密度が低いため、惑星の深いマントル内をより容易に浮上できるからです。これは、塩を含んだ氷が惑星の内部の緩やかな攪拌運動によって上方へと運ばれ、深部の岩石界面から表面の海洋へと塩を輸送する可能性があることを意味します。しかし、この塩入りの氷が上昇して圧力が低下すると、最終的には臨界閾値である5.1ギガパスカルに達します。この時点で、氷は塩を放出し、その塩は周囲の氷よりも密度が高いため、再び下方へと沈んでいきます。このプロセスはフィルターとして機能し、一部の塩の上方への移動を許容する一方で、特定の深さでかなりの量の塩を捕捉します。

この研究は、氷衛星や系外惑星の地下海洋の化学組成が、この圧力誘起フィルターによって制御されている可能性を示唆しています。もし深い氷が塩を保持できるのであれば、その上の海洋はモデルが予測するよりも塩分が低い可能性があります。逆に、もし氷が特定の深さで塩を放出するのであれば、それはさらなる混合を阻害する高密度の塩分層を作り出す可能性があります。研究者たちは、実験では効果を明確にするために非常に高い塩濃度を用いたものの、その原理はおそらく自然界に見られるより希薄な塩水にも適用されると述べています。ただし、このフィルタリング効果の正確な深さは、それぞれの世界の温度や塩分レベルに依存することになります。氷VIIが特定の条件下で塩のホストになり得ることを示すことで、この研究は、宇宙で最も謎めいた世界の深い内部における化学元素の移動に関する考え方を再考させるものとなっています。深い氷は、単に塩を排除する受動的な障壁ではありません。それは、これまでの想像を超えた方法で塩を捕捉し、輸送し、放出することができる、これらの惑星の化学的進化におけるダイナミックな参加者なのです。