В своей повседневной практике мы считаем алмазы драгоценными камнями. В первую очередь это связано с тем, что на Земле они встречаются крайне редко. Даже в наше время их годовая добыча не превышает 30 тонн (0,02 карата на одного жителя планеты). Но в Солнечной системе существуют миры, где они буквально «сыплются дождем». Впрочем, есть и плохая новость: если мы сумеем когда-нибудь поймать хоть каплю этого «алмазного дождя», произойдет это весьма нескоро.
Из больших планет Солнечной системы только две до сих пор не имели искусственных спутников. Речь идет о «ледяных гигантах» Уране и Нептуне. Об их внешнем виде мы знаем благодаря фотоснимкам, сделанным с пролетной траектории автоматическим аппаратом Voyager 2 еще в 1986 и 1989 годах. Но заглянуть «глубже» ученым пока не удалось. О том, что происходит в недрах этих планет, мы можем делать только теоретические предположения.
Откуда взялся термин «ледяные гиганты»
Дело в том, что Юпитер и Сатурн, находящиеся, ближе к Солнцу, почти полностью состоят из легких газов — водорода и гелия. Как свидетельствуют спектральные исследования, эти элементы преобладают также в атмосферах Урана и Нептуна. Но их основными составляющими являются вода, метан и аммиак. Эти вещества, кроме метана, в большинстве своем находятся в твердой форме, которая, впрочем, мало похожа на известный нам водный или аммиачный лед. Причина этого — невероятно высокое давление в недрах двух самых дальних планет. Считается, что в их центрах должно быть железокаменное ядро, разогретое за счет гравитационного сжатия минимум до 7 тыс. градусов по Цельсию.
В облаках ледяных гигантов царит свирепый холод — около 200 градусов со знаком «минус». По мере приближения к ядру их газовая оболочка нагревается. Параллельно растет и давление, заставляя вещество переходить в экзотические квантовые состояния, благодаря чему у этих планет практически отсутствует твердая поверхность. Хотя на самом деле описанная картина существует только в расчетах специалистов. Чтобы ее построить, астрономы и планетологи пользовались небольшим объемом данных, полученных в ходе наземных наблюдений. Также им помогла информация, переданная зондом Voyager 2. Далее были задействованы сложные методы математического моделирования и лабораторные эксперименты с высокими давлениями и температурами. Их целью было воспроизведение внутренней среды Урана и Нептуна. Что же ученые выяснили в результате?
Из всех химических соединений, входящих в состав внешних планет, метан имеет самую низкую точку кипения. То есть его трудно перевести в твердое или какое-то другое «уплотненное» состояние даже под большим давлением. На глубине около 7 тыс. км от верхней границы облаков, где это давление достигает 200 тыс. атмосфер, температура уже поднимается примерно до 1750°C. Если молекулы воды и аммиака при такой температуре остаются стабильными, то метан начинает постепенно распадаться на составляющие — углерод и водород. Последний как самый легкий из газов поднимается в верхние атмосферные слои. А вот с углеродом начинают твориться интересные вещи.
Отдельные «свободные» углеродные атомы начинают объединяться между собой в цепочки. Затем из них формируются сложные пространственные «конструкции», образующие, в конце концов, кристаллическую структуру алмаза. Как известно, алмаз является не только самым твердым известным веществом. Он вдобавок имеет самый простой состав из всех минералов, потому что содержит только углерод, а также мизерные количества примесей, иногда окрашивающие природные алмазы в разные цвета.
Как образуются алмазы
Твердый углерод чаще всего образуется при термическом распаде органических веществ. В земных условиях он конденсируется в большие «молекулярные пластины». Затем они объединяются между собой в самую известную разновидность этого химического элемента — графит или сажу. Но под высоким давлением и при высоких температурах он кристаллизуется в виде своей драгоценной модификации — алмаза. И именно такие температура и давление присутствуют в определенном слое атмосфер Урана и Нептуна.
Идея «алмазного дождя» возникла задолго до пролета зонда Voyager 2 вблизи внешних планет. Сначала она казалась экзотической, но позже ученые придумали способ ее проверки. Современная техника не позволяет нам погрузиться в недра «ледяных гигантов» и передать информацию оттуда. Но частично воспроизвести их среду в лабораторных условиях вполне возможно. Например, соответствующих давлений и температур на короткое время можно достичь при облучении твердых соединений углерода и водорода мощным лазером. В качестве «мишени» был выбран обычный пенополистирол, более известный как «пенопласт». Результатом эксперимента стали наночастицы алмаза —именно то, что и ожидали получить.
В уранианских и нептунианских недрах «нужные» давления и температуры присутствуют постоянно. Поэтому кристаллы алмазов там могут вырастать до значительно больших размеров. Имея гораздо более высокую плотность, чем их газообразное окружение, они начинают падать на ядро планеты. На какой-то глубине там становится так горячо, что начинает испаряться даже кристаллический углерод. Очевидно, должен существовать путь, благодаря которому он снова добирается до вышележащих слоев атмосферы, где реагирует с водородом и вновь образует метан — иначе запасы этого газа на ледяных гигантах давно бы иссякли. Планетологи уже предложили несколько подобных механизмов. Какой из них имеет место в реальности, покажут дальнейшие исследования.
По материалам: www.space.com
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
