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

유로파나 엔셀라두스와 같은 얼음 껍질 아래 깊은 곳, 혹은 멀리 떨어진 별들을 공전하는 거대하고 물이 풍부한 세계들의 내부에는, 그 바닥의 압력이 해수면의 기압보다 수백만 배 더 높은 매우 두꺼운 결빙된 물 층이 존재한다. 이 압도적인 깊이 속에서 물은 우리가 겨울 호수에서 보는 얼음과는 다르게 행동한다. 대신, 물은 아이스 VII(ice VII)로 알려진 밀도가 높은 결정질 고체로 변하는데, 이는 표면의 물의 끓는점보다 훨씬 높은 온도에서도 고체 상태를 유지하는 형태이다. 수십 년 동안 행성 과학자들은 소금이 이러한 깊은 바다에 녹을 때 어떤 일이 일어나는지에 대해 단순한 가정을 바탕으로 연구해 왔다. 즉, 물이 이 고압 얼음으로 얼어붙을 때, 소금은 결정 구조에 의해 밀려나 거부되고 그 위의 액체 바다에 남겨진다는 가정이다. 이 아이디어는 이 세계들이 어떻게 형성되었는지, 그 내부가 어떻게 움직이는지, 그리고 그 숨겨진 바다가 생명체를 지탱할 수 있는지에 대한 우리의 이해를 형성해 왔다. 만약 소금이 깊은 얼음 속으로 들어갈 수 없다면, 바다는 짠 상태를 유지하는 반면 얼음 껍질은 순수한 상태로 남아, 행성의 내부 조류를 일으키는 특정한 종류의 밀도 층을 형성하게 된다.

하지만 새로운 연구는 적절한 조건 하에서는 소금이 뒤처지지 않을 수도 있다는 사실을 밝혀냄으로써, 오랫동안 유지되어 온 이 관점에 도전한다. 연구진은 염분이 있는 용액이 빠르게 얼어붙은 후 엄청난 압력으로 눌려질 때, 결과물인 얼음이 그 결정 구조 안에 상당한 양의 소금을 가둘 수 있다는 것을 발견했다. 이 발견은 물이 풍부한 행성의 깊은 내부가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 화학적으로 복잡할 수 있음을 시사하며, 짠 얼음이 열과 물질이 이 세계들을 통해 어떻게 이동하는지를 변화시킬 수 있는 숨겨진 저장소 역할을 할 수 있음을 보여준다. 이 연구는 지구의 바다에서 발견되는 흔한 식염인 염화나트륨에 초점을 맞추고 있으며, 소금이 단순히 결정 사이에 놓인 불순물이 아니라 얼음 자체의 필수적인 부분이 될 수 있음을 입증한다.

유럽 전역의 기관들로부터 모인 연구진들로 구성된 팀은 소금이 이 위성들의 깊은 내부에서 발견되는 극한의 조건에 노로출될 때 어떤 일이 발생하는지 테스트하기 위해 나섰다. 그들은 지구의 바다에서 발견되는 염수와 유사하지만 훨씬 더 강한 농도의 소금과 물 혼합물로 실험을 시작했다. 이 혼합물을 자연스럽게 천천히 얼려 소금을 밀어내는 대신, 그들은 "퀜치 앤 컴프레스(quench-and-compress, 급속 냉각 및 압축)"라고 불리는 기술을 사용했다. 먼저, 그들은 액체를 매우 빠르게 냉각하여 결정이 형성되지 않고 유리처럼 무질서한 고체 상태가 되도록 만들었다. 그다음, 샘플을 얼린 상태를 유지하면서, 지구 표면의 그 어떤 것보다 훨씬 높은 압력을 생성할 수 있는 장치 안에 넣었다. 이 무정형의 유리질 소금-물 혼합물을 압착하면서, 그들은 이를 상온으로 다시 데웠다. 이 특정 경로—빠르게 얼린 후 압착하는 방식—를 통해 소금 이온들이 얼음 결정이 소금을 밀어내기 전에 형성되는 얼음 구조 안에 갇힐 수 있었다.

연구진이 강력한 X선 빔과 중성자 산란을 사용하여 결과물을 조사했을 때, 그들은 예상치 못한 것을 발견했다. 형성된 얼음은 표준적인 순수 아이스 VII가 아니었다. 대신, 그것은 소금을 내부에 포함하고 있는 새로운 확장된 형태의 결정이었다. 소금 이온인 나트륨과 염소는 얼음 격자 내에서 물 분자의 자리를 대신하여, 소금이 얼음의 구조 속에 직접 짜여 들어간 고용체를 형성했다. 이 새로운 형태의 얼음은 순수 아이스 VII보다 약 8.5% 더 큰 단위 세포(unit cell, 결정의 기본 반복 단위)를 가지고 있었다. 이 구조는 매우 무질서했으며, 소금 이온들이 주변의 물 분자들을 비틀고 재배향하게 하여 외래 원자들을 수용하도록 만들었다. 결정적으로, 별도의 소금 결정이나 소금 수화물의 징후는 없었다. 소금은 얼음에 완전히 통합되어 있었다.

연구진은 이 짠 얼음이 실제로 얼마나 안정적인지 테스트했다. 그들은 온도를 일정하게 유지하면서 샘플의 압력을 서서히 낮추었다. 약 5.1 기가파스칼(GPa)의 압력에서 극적인 변화가 일어났다. 짠, 확장된 얼음은 갑자기 소금을 배출했고, 소금은 별개의 고체 소금 알갱이로 결정화되었다. 얼음은 순수한 형태로 돌아갔고, 소금은 별개의 광물로 남겨졌다. 그들이 샘-플을 다시 압착하여 짠 얼음을 재현하려고 시도했을 때, 그것은 일어나지 않았다. 소금은 분리된 상태로 남아 얼음 구조로 다시 들어가는 것을 거부했다. 이는 이 짠 얼음의 형성이 단순히 고압에서 자동으로 일어나는 가역적인 과정이 아님을 드러냈다. 대신, 그것은 전적으로 재료의 이력(history)에 달려 있다. 즉, 소금이 결정화되기 전에 무질서한 상태로 갇혀야만 형성된다. 일단 소금이 배출되면, 그것을 다시 강제로 밀어 넣을 수 없다.

이 발견은 물이 풍부한 행성들의 내부를 이해하는 데 심오한 함의를 갖는다. 짠 얼음은 순수한 얼음과 분리된 소금 결정의 혼합물보다 밀도가 낮기 때문에, 행성의 깊은 맨틀 내부에서 더 쉽게 떠오를 수 있다. 이는 짠 얼음이 행성의 느린 소용돌이 운동에 의해 위로 운반되어, 심층 암석 경계면으로부터 표면 해양으로 소금을 운반할 수 있음을 의미한다. 그러나 이 짠 얼음이 상승하면서 압력이 낮아지면, 결국 5.1 기가파스칼이라는 임계점에 도달하게 될 것이다. 이 지점에서 얼음은 소금을 방출할 것이며, 방출된 소금은 주변 얼음보다 밀도가 높기 때문에 다시 아래로 가라앉을 것이다. 이 과정은 필터 역할을 하여, 일부 소금은 위로 이동하게 허용하지만 상당 부분의 소금은 특정 깊이에 가두게 된다.

이 연구는 위성과 외계 행성의 지하 해양의 화학적 조성이 이러한 압력 유도 필터에 의해 제어될 수 있음을 시사한다. 만약 깊은 얼음이 소금을 붙잡을 수 있다면, 그 위의 해양은 모델이 예측하는 것보다 덜 짤 수 있다. 반대로, 만약 얼음이 특정 깊이에서 소금을 방출한다면, 그것은 추가적인 혼합을 억제하는 밀도가 높은 짠 물질 층을 만들 수 있다. 연구진은 자신들의 실험이 효과를 명확히 하기 위해 매우 높은 소금 농도를 사용했지만, 그 원리는 자연계에 존재하는 더 희박한 염수에도 적용될 가능성이 높다고 언급했다. 다만, 이 필터링 효과의 정확한 깊이는 각 세계의 특정 온도와 소금 수치에 따라 달라질 것이다. 아이스 VII가 특정 조건 하에서 소금의 숙주 역할을 할 수 있음을 보여줌으로써, 이 연구는 태양계에서 가장 신비로운 세계들의 깊은 내부에서 화학 원소들이 어떻게 이동하는지에 대한 재고를 촉구한다. 깊은 얼음은 단순히 소금을 배척하는 수동적인 장벽이 아니라, 이 행성들의 화학적 진화에 있어 역동적인 참여자이며, 이전에는 상상할 수 없었던 방식으로 소금을 가두고, 운반하고, 방출할 수 있는 존재이다.