Новое исследование группы под руководством Александра Гончарова из Карнеги посвящено углеводородному метану (CH4), который является одной из самых распространенных молекул во Вселенной. Несмотря на его повсеместное распространение, поведение метана в условиях, обнаруженных в недрах планеты, плохо изучено из-за противоречивой информации, полученной в ходе различных исследований по моделированию.
Работа опубликована Nature Communications.Ведущий автор Сергей Лобанов объясняет: «Наши знания физики и химии летучих веществ внутри планет основаны в основном на наблюдениях потоков на их поверхности. Эксперименты при высоком давлении и высокой температуре, которые моделируют условия глубоко внутри планет и предоставляют подробную информацию о физическое состояние, химическая реакционная способность и свойства планетарных материалов остаются для нас большой проблемой ».
Например, поведение метана при плавлении известно только при давлении ниже 70000 нормального атмосферного давления (7 ГПа). Возможность наблюдать его в гораздо более экстремальных условиях является фундаментальной информацией для моделей планет.Более того, необходимо понимать его реактивность в экстремальных условиях.
Предыдущие исследования показали мало информации о химической реакционной способности метана в условиях давления и температуры, подобных тем, которые обнаруживаются в глубинах Земли. Это привело к предположению, что метан является основной углеводородной фазой углерода, кислорода и водородсодержащего флюида в некоторых частях мантии Земли. Но работа команды показывает, что это предположение необходимо подвергнуть сомнению.
Используя экспериментальные методы высокого давления, команда, в том числе Лобанов из Карнеги, Сяо-Цзя Чен, Чанг-Шэн Чжа и Хо-Кван «Дэйв» Мао, смогла исследовать фазы и реакционную способность метана при различных температурах и давлениях. имитируя среду обитания под поверхностью Земли.При давлении, превышающем нормальное атмосферное давление в 790 000 раз (80 ГПа), температура плавления метана все еще ниже 1900 градусов по Фаренгейту. Это говорит о том, что метан не является твердым веществом ни при каких условиях, встречающихся в глубинах большинства планет. Более того, его температура плавления даже ниже, чем температура плавления воды (H2O) и аммиака (NH3), других очень важных компонентов недр планет-гигантов.
Когда температура повышается выше примерно 1700 градусов по Фаренгейту, метан становится более химически активным. Во-первых, он частично распадается на элементарный углерод и водород. Затем при дальнейшем повышении температуры начинают образовываться молекулы легких углеводородов.
Давление также влияет на состав системы углерод-водород, при этом тяжелые углеводороды становятся очевидными при давлениях, превышающих атмосферное давление в 250 000 раз (25 ГПа), что указывает на то, что в условиях глубокой мантии окружающая среда, вероятно, бедна метаном.Эти открытия имеют значение как для глубинной химии Земли, так и для геохимии ледяных газовых планет-гигантов, таких как Уран и Нептун.
Команда утверждает, что эта реакционная способность может играть роль в образовании сверхглубоких алмазов глубоко в мантии. Они утверждают, что их выводы должны быть учтены в будущих моделях недр Нептуна и Урана, которые, как полагают, имеют мантию, состоящую из смеси компонентов метана, воды и аммиака.