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

Diep onder de ijzige schilden van manen zoals Europa en Enceladus, of binnen de uitgestrekte, waterrijke werelden die rond verre sterren draaien, ligt een laag bevroren water die zo dik is dat de druk aan de basis ervan miljoenen malen groter is dan de luchtdruk op zeeniveau. In deze verpletterende diepten gedraagt water zich niet zoals het ijs dat wij kennen van een wintermeer. In plaats daarvan transformeert het naar een dicht, kristallijn vaste stof bekend als ijs VII, een vorm van water die solide blijft zelfs bij temperaturen die ver boven het kookpunt van water aan het oppervlak liggen. Decennialang hebben planetaire wetenschappers uitgegaan van een eenvoudige aanname over wat er gebeurt wanneer zout oplost in deze diepe oceanen: naarmate het water bevriest tot dit ijs met hoge druk, wordt het zout naar buiten geduwd, afgestoten door de kristalstructuur en achtergelaten in de vloeibare oceaan erboven. Dit idee heeft ons begrip gevormd van hoe deze werelden zijn opgebouwd, hoe hun binnenste beweegt en of hun verborgen oceanen leven zouden kunnen ondersteunen. Als zout niet in het diepe ijs kan binnendringen, blijven de oceanen zout terwijl de ijschillen puur blijven, wat een specif kind van dichtheidslaagvorming creëert die de interne stromingen van de planeet aandrijft.

Een nieuwe studie daagt echter dit langgehouden beeld uit door te onthullen dat zout onder de juiste omstandigheden niet achter hoeft te blijven. Onderzoekers hebben ontdekt dat wanneer een zoute oplossing snel wordt bevroren en vervolgens wordt samengeperst onder immense druk, het resulterende ijs een aanzienlijke hoeveelheid zout binnen zijn kristalstructuur kan opsluiten. Deze bevinding suggereert dat de diepe binnenste van waterrijke planeten veel chemisch complexer kunnen zijn dan voorheen gedacht, waarbij zout ijs fungeert als een verborgen reservoir dat de manier waarop warmte en materiaal door deze werelden bewegen, zou kunnen veranderen. De studie richt zich op natriumchloride, hetzelfde gewone keukenzout dat in de oceanen op aarde wordt gevonden, en laat zien dat het een integraal onderdeel van het ijs zelf kan worden, in plaats van slechts een onzuiverheid die tussen de kristallen zit.

Het team, geleid door onderzoekers van instellingen uit heel Europa, zette zich af om te testen wat er met zout gebeurt wanneer het wordt blootgesteld aan de extreme omstandigheden die diep in ijzige manen worden aangetroffen. Ze begonnen met een geconcentreerde oplossing van zout en water, vergelijkbaar met de pekel die in de oceanen op aarde wordt gevonden maar veel sterker is. In plaats van dit mengsel simpelweg langzaam te laten bevriezen, wat het zout van nature naar buiten zou duwen, gebruikten ze een techniek genaamd "quench-and-compress" (schrikken en comprimeren). Eerst koelden ze de vloeistof zo snel af dat het een glasachtige, ongeordende vaste stof werd zonder kristallen te vormen. Vervolgens plaatsten ze het monster, terwijl ze het bevroren hielden, in een apparaat dat in staat is om druk te genereren die veel hoger is dan alles op het aardoppervlak. Terwijl ze dit amorfe, glasachtige zout-watermengsel samenpersten, verwarmden ze het terug naar kamertemperatuur. Dit specifieke pad — snel bevriezen, dan samenpersen — stelde de zoutionen in staat om binnen de vormende ijsstructuur gevangen te raken voordat het kristal de kans kreeg hen af te stoten.

Toen de onderzoekers het resulterende materiaal onderzochten met krachtige röntgenstralen en neutronenverstrooiing, vonden ze iets onverwachts. Het ijs dat ontstond was niet het standaard, pure ijs VII. In plaats daarvan was het een nieuwe, uitgebreide versie van het kristal die geen aparte zakjes zout bevatte. De zoutionen, natrium en chloor, hadden de plaats ingenomen van watermoleculen binnen het ijsrooster, waardoor een vaste oplossing ontstond waarin het zout direct in het weefsel van het ijs was geweven. Deze nieuwe vorm van ijs had een eenheidscel, het basale herhalende bouwblok van het kristal, die ongeveer achtendertig procent groter was dan zuiver ijs VII. De structuur was zeer ongeordend, waarbij de zoutionen de omliggende watermoleculen dwongen om te draaien en te heroriënteren om de vreemde atomen te accommoderen. Cruciaal was dat er geen teken was van aparte zoutkristallen of zalthydraten; het zout was volledig geïntegreerd in het ijs.

De onderzoekers testten vervolgens hoe stabiel dit zoute ijs werkelijk was. Ze verminderden langzaam de druk op het monster terwijl ze de temperatuur constant hielden. Bij een druk van ongeveer 5,1 gigapascal trad een dramatische verandering op. Het zoute, uitgebreide ijs stootte plotseling het zout uit, dat kristalliseerde tot aparte, vaste zoutkorrels. Het ijs keerde terug naar zijn pure vorm, en het zout bleef achter als een afzonderlijk mineraal. Wanneer ze probeerden het monster opnieuw samen te persen om het zoute ijs te recreëren, gebeurde dit niet. Het zout bleef gescheiden en weigerde terug te keren in de ijsstructuur. Dit onthulde dat de vorming van dit zoute ijs geen eenvoudig, omkeerbaar proces is dat automatisch gebeurt bij hoge druk. In plaats daarvan hangt het volledig af van de geschiedenis van het materiaal: het vormt zich alleen als het zout in een ongeordende staat wordt gevangen voordat het ijs kristalliseert. Zodra het zout is uitgestoten, kan het niet gemakkelijk weer naar binnen worden gedwongen.

Deze ontdekking heeft diepgaande implicaties voor ons begrip van de binnenste van waterrijke planeten. Omdat het zoute ijs minder dicht is dan een mengsel van puur ijs en aparte zoutkristallen, kan het gemakkelijker drijven binnen de diepe mantel van een planeet. Dit betekent dat zout ijs omhoog kan worden gevoerd door de langzame, kolkende beweging van het binnenste van de planeet, waardoor zout van de diepe rotsinterface naar de oppervlakteoceaan wordt getransporteerd. Echter, naarmate dit zoute ijs stijgt en de druk afneemt, zal het uiteindelijk de kritieke drempel van 5,1 gigapascal bereiken. Op dat punt zal het ijs zijn zout vrijgeven, dat vervolgens zal zinken omdat het dichter is dan het omliggende ijs. Dit proces werkt als een filter, waardoor enige zout naar boven kan reizen maar een aanzienlijk deel van het zout op een specifieke diepte vasthoudt.

De studie suggereert dat de chemische samenstelling van ondergrondse oceanen op manen en exoplaneten door deze druk-geïnduceerde filter kan worden gecontroleerd. Als het diepe ijs zout kan vasthouden, kunnen de oceanen erboven minder zout zijn dan modellen voorspellen. Omgekeerd, als het ijs zout vrijgeeft op een specifieke diepte, kan het een laag van dicht, zout materiaal creëren dat verdere menging belemmert. De onderzoekers merken op dat hoewel hun experimenten zeer hoge zoutconcentraties gebruikten om het effect duidelijk te maken, het principe waarschijnlijk van toepassing is op de meer verdunde pekel die in de natuur wordt gevonden, hoewel de exacte diepte van dit filtereffect afhangt van de specifieke temperatuur en het zoutgehalte van elke wereld. Door aan te tonen dat ijs VII onder bepaalde omstandigheden als gastheer voor zout kan fungeren, dwingt de studie tot een heroverweging van hoe chemische elementen bewegen door de diepe binnenste van de meest mysterieuze werelden in ons zonnestelsel. Het diepe ijs is niet alleen een passieve, zout-uitsluitende barrière; het is een dynamische deelnemer aan de chemische evolutie van deze planeten, in staat om zout te vangen, te transporteren en vrij te geven op manieren die voorheen onvoorstelbaar waren.