讓地球海洋全部凍結?一塊「7號冰」足矣,「7號冰」究竟是什麼?

天空之城 2022/08/21 檢舉 我要評論

將鉆石「捏出」水來,把全部 海洋迅速凍結,這是 7號冰能夠做到的事情。

這怎麼可能呢?

但7號冰的存在本身確實令人匪夷所思,不過它也不會像常規的冰塊一樣出現在我們生活中。

我們常見的冰塊或者冰晶體都是正六邊形排列的結構, 氧原子的被重新組合,冰塊發生膨脹。

無論是冬天地面上結成的霜,還是天空中飄落的雪,就算是制冰機制造出來的冰塊也與它們沒什麼不同。

這類冰在「布里奇曼」命名法中被稱作 1號冰(ice-Ih),h指的是氧原子從液體或氣體轉變為固體冰時,他所排列出來的 六邊形結構

正常情況下看見的冰分子結構

不過這種方正的結構并不是水分子可以聚集出來的唯一形狀,理論上來講,在 適當的壓力和溫度下,水的結晶相可以呈現出17種不同風格。

當然,還有近年來討論熱烈的18號冰。

就常規的1號冰來講,地球的溫度和壓力變化并不大,所以1號冰也是我們能夠見到的最多的冰晶體。

冰相態變化的條件參考表

只要適當地給冰晶體繼續施加壓力和溫度,它的相態便會出現特別奇怪的變化。

7號冰的獨特之處在于,即便壓力急劇增加,它也能保持穩定。

7號冰的密度也會比1號冰高1.5倍,不過地球的環境很明顯不能讓它正常出現。

因為要形成 7號冰,需要超過30000個大氣壓,也就是3吉帕斯卡的低溫狀態。

地球中能夠形成7號冰的可能地方只有 地幔,不過這個位置溫度會很高,7號冰無法在這里形成。

地幔中可能出現的冰

從2號冰到18號冰,科學家現在已經能在實驗室中用不同的溫度和壓力來產生這種奇特的冰晶體。

從熔化的固體、沸騰的液體,再到升華的固體到過冷液體或過熱液-氣混合物。

極純的過冷水在0℃以下可以保持液態,直到施加振動或冷凝子摻雜引發結晶。

18號冰的狀態

7號冰在很寬的溫度和壓力范圍內是 亞穩態的,并能在-153℃以上轉變為低密度 無定形冰

無定形冰的分子排列缺乏長程有序,它要麼通過液態水的快速冷卻,讓分子來不及形成晶格產生,要麼通過低溫壓縮普通冰形成。

另外,7號冰可以通過沖擊波的快速壓縮在 幾納秒內形成,也可以通過在環境溫度下 增加6號冰的壓力來產生。

與大多數 冰相一樣,氫原子的位置是無序的,氧原子在多個位置也是無序的。

7號冰的結構包含氫鍵框架,其表現為兩個互穿但未鍵合的亞晶格。

弱鍵的亞穩態

氫鍵穿過水六聚體的中心,因此 不會連接晶格。在所有冰相態中,7號冰是唯一可以通過簡單冷卻有序化的無序冰相。

此外,7號冰在冰的所有分子相中具有最大的穩定場,形成7號冰結構骨架的立方氧亞晶格至少會在128吉帕斯卡的壓力下持續存在。

高科技造冰

對7號冰的研究和理論研究工作表明,它可以在實驗室中合成。

2017年加利福尼亞州斯坦福大學聯合新墨西哥州洛斯阿拉莫國家實驗室,科學家們成功觀察到在激光壓力的沖擊下,7號冰的形成。

沖擊波實驗的藝術表現

科學家向一小瓶水中發射強大的X射線激光,然后使用另一個強力激光脈沖來進行高速拍攝。

這樣便能讓科學家看見水中的分子一個個上升到7號冰的冰相中。

盡管以前有過科學家 嘗試過制造7號冰,不過并沒有成功捕獲冰凍的過程。

在2017年的這項實驗中,科學家成功捕獲到了7號冰的形成,這種快速凍結所需要的時間只有6納秒。

激光脈沖實驗

科學家通過對7號冰形成過程的 衍射峰分析,基于對隨時間變化的衍射峰時間動力學擬合。

該團隊認為,冰凍過程中,水首先結晶成針狀和一堆棒狀結構,然后成核形成固體7號冰。

一般來講,物質都有一定的 可壓縮性

當對物質的固相施加越來越大的壓力時,化學鍵之間的空間會略微減小,它們之間會稍微傾斜。

但水冰的可壓縮性很低,當它受到太大的壓力時,原子不會聚集在一起。

相反,它們會將自己重新排列成其他不同的模式,這 取決于壓力和具體環境

例如對1號冰施壓,它則會變成具有菱面體結構的2號冰,再繼續施壓,便會組成其他冰相。

不過與其他冰相階段不同的是,即便壓力繼續增加,7號冰的相態仍然很穩定。

計算機模擬顯示水分子有序形成7號冰

科學家們認為,在太陽系中可能會有 大量的7號冰,它可能出現在土衛二和歐羅巴這樣的 冰衛星內部

又或者,它會成為土衛六海洋的一部分,但肯定不會自然地發生在地球中。

正如我們前面所說, 地幔是唯一有可能存在7號冰的地方,但是那里的溫度太高了,并不能形成7號冰。

不過科學家在新的研究中,從地幔處生成的 鉆石找到了新的證據。

由于鉆石的特殊性質,少量的材料也可以在地球中自然形成。

深處地幔的鉆石埋藏在地殼下方的600多公里處,當它們在形成過程中偶爾會捕捉到周圍化學環境的一小部分,然后將其封存在內部。

一顆鉆石里面可能含有水分

7號冰鉆石

科學家在2018年對地幔含水流體的研究中,科學家相信地幔中富含水的區域在全球水支出和產熱元素的流動中發揮著關鍵作用。

相關研究表明,7號冰可以在天然鉆石的內含物中出現,它可以作為此類富含水區域的指標。

對地幔深層的 橄欖石和巖石礦物的研究表明:

地球不同區域的化學結合水的平均豐度,以及可能出現的較小層或富含水的巖石熔體位置,幫助科學家了解到在延長的地質事件內,地球水活動的情況。

鉆石中冰-VII 的衍射圖案

而鉆石中存在的7號冰則是最好的證據表明,它為過渡帶-下地幔邊界周圍存在水性流體提供了證據。

通過X射線衍射對金剛石中的7號冰包裹體出現次數的研究發現,7號冰與其他微米級雜物混合在金剛石中。

成核過程中,液體或蒸汽中的少量原子或分子會以結晶土固體的特征排列,然后形成一個位置。

隨著晶體的不斷生長,會有更多粒子沉積在該位置, 直到完全凍結

天然鉆石中冰-VII 的出現壓力

7號冰在地幔有 兩種不同的形成方式,成核開始于某種表面。

然后向內擴散則是「異質」形成,「均質」表明冰在大部分水樣中形成,這幾乎會瞬間凍結所有水樣。

科學家還證明液態水和正在形成的 冰晶之間的溫度差異,此外還有特定的臨界點或閾值決定了 冰核是非均質還是均質。

所以整個過程簡單來講,地幔的溫度和壓力都很高,鉆石會在這里形成。

水泡在被鉆石包裹后,當水逐漸上升到表面時,此時水便暴露在一個較低的溫度下,然而鉆石的穩態仍保持著高壓狀態。

一顆在鉆石中的7號冰

即便7號冰在高壓狀態下出現, 如果它不高于一個特定的閾值,成核會向內擴散。

一旦超過這個閾值成核擴散到整個樣品時,就會發生快速相變。

所以,冰的形成和擴散速度會非常快,新生的冰晶和周圍的水必須處于不同溫度才能發生這種快速凍結。

科學家表示, 7號冰在地幔中的不尋常生成方式,一開始大約以100個分子的微小簇形式出現,然后以 每小時超過1600公里的速度極快生長。

如果7號冰以這種形式出現,便能迅速凍結地球上的全部海洋。不過這種情況很罕見,也不會在地球上出現。

如果是流星或者彗星的轟擊,爆炸產生的沖擊波足以將任何水壓縮到恰到好處的高壓,使其能在足夠深的海域形成7號冰,然后迅速擴散至地表。

科學家目前正在思考7號冰對系外行星的影響,以及它在行星系統中的分布情況,未來它還會進一步為我們揭示行星演化。

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