La luna helada de Júpiter, Calisto. Crédito de la imagen: NASA Haga Click para agrandar
A medida que los científicos aprenden más sobre nuestro Sistema Solar, han encontrado hielo de agua en algunas situaciones inusuales. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han recreado este tipo de hielo en su laboratorio; hielo que probablemente imita las condiciones de presión, temperatura, estrés y tamaño de grano que se encuentran en estas lunas. Este hielo puede arrastrarse y girar lentamente dependiendo de la temperatura del interior de las lunas.
Ese hielo cotidiano que usa para enfriar su vaso de limonada ha ayudado a los investigadores a comprender mejor la estructura interna de las lunas heladas en los confines del sistema solar.
Un equipo de investigación ha demostrado un nuevo tipo de "arrastre", o flujo, en una forma de hielo a alta presión al crear en un laboratorio las condiciones de presión, temperatura, estrés y tamaño de grano que imitan a aquellos en los interiores profundos de grandes lunas heladas
Las fases de hielo a alta presión son componentes principales de las gigantes lunas heladas del sistema solar exterior: Ganímedes y Calisto de Júpiter, Titán de Saturno y Tritón de Neptuno. Tritón es aproximadamente del tamaño de nuestra propia luna; Los otros tres gigantes son aproximadamente 1,5 veces más grandes en diámetro. La teoría aceptada dice que la mayoría de las lunas heladas se condensaron como "bolas de nieve sucias" de la nube de polvo alrededor del sol (la nebulosa solar) hace unos 4.500 millones de años. Las lunas fueron calentadas internamente por este proceso acumulativo y por la desintegración radiactiva de su fracción rocosa.
El flujo convectivo de hielo (al igual que los remolinos en una taza de café caliente) en el interior de las lunas heladas controlaba su evolución posterior y su estructura actual. Cuanto más débil es el hielo, más eficiente es la convección y más fríos los interiores. Por el contrario, cuanto más fuerte es el hielo, más cálidos son los interiores y mayor es la posibilidad de que aparezca un océano interno líquido.
La nueva investigación revela en una de las fases de alta presión del hielo ("hielo II") un mecanismo de fluencia que se ve afectado por el tamaño de cristalito o "grano" del hielo. Este hallazgo implica una capa de hielo significativamente más débil en las lunas de lo que se pensaba anteriormente. Ice II aparece por primera vez a presiones de aproximadamente 2.000 atmósferas, lo que corresponde a una profundidad de aproximadamente 70 km en el más grande de los gigantes helados. La capa de hielo II tiene aproximadamente 100 km de espesor. Los niveles de presión en los centros de las lunas gigantes heladas eventualmente alcanzan el equivalente de 20,000 a 40,000 atmósferas terrestres.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), la Universidad de Kyushu en Japón y el Servicio Geológico de EE. UU. Realizaron experimentos de fluencia utilizando un aparato de prueba de baja temperatura en el Laboratorio de Geofísica Experimental en LLNL. Luego observaron y midieron el tamaño de grano de hielo II utilizando un microscopio electrónico de barrido criogénico. El grupo encontró un mecanismo de fluencia que domina el flujo con tensiones menores y tamaños de grano más finos. Experimentos anteriores con tensiones más altas y mecanismos de flujo activados de gran tamaño de grano que no dependían del tamaño de grano.
Los experimentadores pudieron demostrar que el nuevo mecanismo de fluencia estaba relacionado con el tamaño de los granos de hielo, algo que anteriormente solo se había examinado teóricamente.
Pero la medida no fue tarea fácil. Primero, tuvieron que crear hielo II de grano muy fino (menos de 10 micrómetros, o una décima parte del grosor de un cabello humano). Una técnica de ciclo rápido de presión por encima y por debajo de 2.000 atmósferas finalmente hizo el truco. Además de eso, el equipo mantuvo una presión constante de 2,000 atmósferas dentro del aparato de prueba para ejecutar un experimento de deformación de bajo estrés durante semanas. Finalmente, para delinear los granos de hielo II y hacerlos visibles en el microscopio electrónico de barrido, el equipo desarrolló un método para marcar los límites de los granos con la forma común de hielo ("hielo I"), que parecía diferente del hielo II en el microscopio. . Una vez que se identificaron los límites, el equipo pudo medir el tamaño de grano del hielo II.
"Estos nuevos resultados muestran que la viscosidad de un manto helado profundo es mucho más baja de lo que pensábamos anteriormente", dijo William Durham, geofísico de la Dirección de Energía y Medio Ambiente de Livermore.
Durham dijo que el comportamiento de alta calidad del aparato de prueba a una presión de 2,000 atmósferas, la colaboración con Tomoaki Kubo de la Universidad de Kyushu y el éxito en la superación de desafíos técnicos serios hicieron un experimento fortuito.
Utilizando los nuevos resultados, los investigadores concluyen que es probable que el hielo se deforme por el mecanismo de arrastre sensible al tamaño del grano en el interior de las lunas heladas cuando los granos tienen un tamaño de hasta un centímetro.
"Este mecanismo de fluencia recientemente descubierto cambiará nuestra forma de pensar sobre la evolución térmica y la dinámica interna de las lunas medianas y grandes de los planetas exteriores de nuestro sistema solar", dijo Durham. "La evolución térmica de estas lunas puede ayudarnos a explicar lo que estaba sucediendo en el sistema solar temprano".
La investigación aparece en la edición del 3 de marzo de la revista Science.
Fundado en 1952, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore tiene la misión de garantizar la seguridad nacional y aplicar la ciencia y la tecnología a los problemas importantes de nuestro tiempo. El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore es administrado por la Universidad de California para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente original: Comunicado de prensa de LLNL
