Forma peculiar de gelo quente é observada na Terra

Esse material extremo, o qual se acredita existir nas profundezas de Netuno e Urano, tem metade da temperatura da superfície do sol.quinta-feira, 16 de maio de 2019

Por Adam Mann
Da esquerda para a direita nessa representação artística, lasers de alta potência focam a superfície de um diamante, gerando uma sequência de ondas de choque que se propagam através de uma amostra de água, simultaneamente comprimindo e aquecendo a amostra inicialmente líquida e forçando-a a se congelar na forma de gelo superiônico.

Desde os mares da Antártida até as profundezas do seu freezer, a maior parte do gelo existente na Terra é relativamente igual. Porém, por todo o sistema solar e além dele, temperaturas e pressões extremas podem fazer com que essa substância congelada ganhe variações estranhíssimas.

Pesquisadores recentemente obtiveram imagens de raio-x do que poderia ser o mais novo integrante da diversidade do gelo: um material com alta condutividade elétrica, conhecido como gelo superiônico. Conforme relatado no periódico Nature pela equipe de pesquisadores, esse gelo existe em pressões entre uma e quatro milhões de vezes maiores que aquelas ao nível do mar e a temperaturas correspondentes à metade daquela encontrada na superfície solar.

“Sim, estamos falando de gelo”, diz o líder do estudo Marius Millot, físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, nos EUA. “Mas a amostra está a vários milhares de graus”.

Nessa foto de um experimento de difração de raio-X, lasers gigantes focam a amostra de água, que se encontra na placa frontal da ferramenta diagnóstica utilizada para registrar os padrões de difração. Raios laser adicionais geram uma centelha de raios-X em uma lâmina de ferro, permitindo que os pesquisadores tirem uma foto da camada de água comprimida e aquecida.

Embora normalmente impraticáveis na Terra, tais condições podem estar presentes no centro dos gigantes de gelo Urano e Netuno, o que talvez ajude a explicar o funcionamento desses planetas distantes, inclusive das origens de seus campos magnéticos incomuns.

Além de Vonnegut

Os cientistas já conhecem 17 variedades de gelo cristalino (fãs de Kurt Vonnegut poderão ficar aliviados em saber que o Gelo IX é bastante inócuo em comparação ao seu correspondente fictício). Há mais de 30 anos, físicos previram que uma pressão excessivamente alta seria capaz de comprimir a água em formas superiônicas.

Os materiais superiônicos são parte sólidos e parte líquidos, que observados microscopicamente consistem em um emaranhado cristalino permeado por núcleos atômicos flutuantes que podem transportar carga elétrica. Na água, ou H2O, os átomos de oxigênio se transformam em cristal solidificado, ao passo que os prótons de hidrogênio se movimentam como um líquido. (Recentemente, outra equipe de cientistas trabalhando com potássio confirmou a existência de um estado da matéria que é sólida e líquida ao mesmo tempo).

“É um estado de matéria bem exótico”, diz a coautora Federica Coppari, também do laboratório Livermore.

No ano passado, Millot, Coppari e seus colegas descobriram a primeira evidência de gelo superiônico, utilizando bigornas de diamante e ondas de choque induzidas por laser para comprimir a água líquida tão fortemente até que ela se transformasse em gelo sólido por alguns bilionésimos de segundo. As medições da equipe mostraram que, por um breve período, o gelo de água tornou-se centenas de vezes mais eletricamente condutivo do que antes, um forte indício de que tinha adquirido características superiônicas.

Em seus últimos testes, os pesquisadores utilizaram seis raios laser gigantes para gerar uma sequência de ondas de choque que processaram uma fina camada de água líquida em gelo solidificado a uma pressão milhões de vezes superior à da superfície da Terra e entre 1.648 e 2.760 graus Celsius. Disparos raio-X sincronizados com precisão exploraram a configuração, novamente com duração de apenas alguns bilionésimos de segundo, e revelaram que os átomos de oxigênio haviam, de fato, assumido uma forma cristalina.

Observou-se que o oxigênio estava bem comprimido em cubos de face centrada, ou seja, pequenas caixas com um átomo em cada canto e um no meio de cada lado. Essa foi a primeira vez que se observou o gelo de água nessa disposição, diz Coppari. A equipe propôs chamar essa nova formação de Gelo XVIII.

Embora tenha ocorrido uma sobreposição nas condições entre os dois experimentos da equipe, serão necessárias mais investigações para comprovar definitivamente que o gelo é superiônico, afirma Roberto Car, físico da Universidade de Princeton que não participou do trabalho. No entanto, ele considera que o estudo é uma ilustração importante da variabilidade da água.

“O fato de a matéria conseguir assumir uma grande variedade de formas é bastante surpreendente”, afirma ele.

Mistérios magnéticos

Os resultados da equipe já servem como informações para modelos de Urano e Netuno. Conhecidos como gigantes de gelo, esses planetas são compostos por cerca de 65% de água, além de amônia e metano, formando camadas parecidas com a superfície, crosta e núcleo rochosos-metálicos da Terra.

Os novos experimentos indicam que é provável que Urano e Netuno tenham uma camada de gelo superiônico que age como a crosta do nosso planeta, feita de rocha sólida que continua fluindo em escalas de tempo geológicas extremamente longas. E isso poderia explicar porque eles possuem campos magnéticos tão incomuns.

Acredita-se que os campos magnéticos da Terra, Júpiter e Saturno sejam todos criados por dínamos internos próximo de seus núcleos. Os campos desses planetas são bem alinhados com seus eixos, como se fossem provenientes de barras magnéticas no centro deles.

Por outro lado, o campo magnético de Netuno, parece surgir de uma barra magnética interna que se deslocou para um lado, com as extremidades saindo de pontos no meio da linha do equador. O de Urano é ainda mais peculiar, como uma barra magnética que foi girada de ponta cabeça, já que seu sul magnético é projetado a partir do hemisfério norte do planeta. Há hipóteses de que os campos magnéticos dos dois gigantes de gelo sejam instáveis.

Millot sugeriu que poderia haver uma camada líquida na borda superior da camada de gelo superiônico de Urano e Netuno, mas essa também é uma fase da água com alta condutividade elétrica. Os campos magnéticos dos planetas podem originar daqui, bem mais perto da superfície do que os campos magnéticos de outros mundos, o que possivelmente explique suas características volúveis. Ainda, como astrônomos descobriram muitos exoplanetas do tamanho de Urano e Netuno, os achados poderiam ser aplicados a partes extremamente remotas do espaço cósmico.

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