Cztery typy defektów
Badacze przyjrzeli się lodowi na poziomie pojedynczych cząsteczek, analizując cztery różne scenariusze strukturalne. Punktem wyjścia był idealny kryształ lodu pozbawiony jakichkolwiek niedoskonałości. Następnie zbadali trzy rodzaje defektów: brakujące cząsteczki wody, jony wodorotlenowe oraz defekty Bjerruma, które zakłócają naturalną sieć wiązań wodorowych. Okazało się, iż każdy typ zaburzenia struktury tworzy charakterystyczny wzór absorpcji światła. Początek pochłaniania promieniowania UV następuje przy różnych wartościach energetycznych w zależności od obecności jonów wodorotlenowych. Defekty Bjerruma wywołują jeszcze bardziej wyraźne zmiany, co może tłumaczyć wcześniejsze obserwacje dotyczące długotrwale naświetlanego lodu.
Czytaj też: Słońce emituje najwięcej zielonego światła. Dlaczego jednak widzimy je jako żółte?
Nikt wcześniej nie był w stanie modelować z taką dokładnością tego, co dzieje się, gdy światło UV uderza w lód – zauważa Giulia Galli z University of Chicago
Symulacje ujawniły fascynujące procesy zachodzące na poziomie atomowym. Gdy fotony ultrafioletu trafiają w lód, dochodzi do rozpadu cząsteczek wody, powstają jony hydroniowe, rodniki hydroksylowe oraz swobodne elektrony. Dalsze losy tych elektronów zależą od strukturalnych niedoskonałości krystalicznej sieci. W niektórych przypadkach elektrony przemieszczają się swobodnie przez strukturę lodu. W innych sytuacjach zostają uwięzione w mikroskopijnych pułapkach wewnątrz kryształu. Te zjawiska zasadniczo zmieniają właściwości chemiczne i fizyczne lodu, wyjaśniając obserwowane od lat 80. ubiegłego wieku zmiany w absorpcji światła. Zespół wykorzystał metody obliczeniowe pierwotnie opracowane do badań nad technologiami kwantowymi. Połączenie ekspertyzy w dziedzinie fizyki wody z nowatorskimi podejściami do modelowania interakcji światła z materią umożliwiło ten przełom.
Od klimatu po eksplorację kosmosu
Znaczenie tych badań wykracza poza laboratoryjne ciekawostki. Lepsze zrozumienie procesów zachodzących w lodzie pod wpływem światła może pomóc w dokładniejszym przewidywaniu uwalniania gazów cieplarnianych z topniejącej wiecznej zmarzliny, czyli kluczowego zjawiska w kontekście zmian klimatycznych.
Istnieje lód w pewnych częściach Ziemi, który zawiera gazy, a kiedy jest on naświetlany światłem lub gdy temperatura wzrasta nawet nieznacznie, gazy te są uwalniane. Lepsza wiedza o tym, jak lód topnieje i co uwalnia pod wpływem oświetlenia, może mieć niesamowity wpływ na zrozumienie tych gazów – dodaje Galli
Odkrycia mają również znaczenie dla astrochemii. Na lodowych księżycach takich jak Europa Jowisza czy Enceladus Saturna procesy fotochemiczne napędzane promieniowaniem UV odgrywają fundamentalną rolę. Zrozumienie wpływu defektów strukturalnych lodu na te procesy może pomóc w interpretacji danych z misji kosmicznych i poznawaniu chemii odległych światów. Zespół planuje teraz współpracę z eksperymentatorami oraz modelowanie bardziej złożonych sytuacji – lodu z wieloma defektami jednocześnie, z uwzględnieniem powierzchni i nieuporządkowania charakterystycznego dla naturalnych próbek.