O ledových měsících a bruslení

O ledových měsících se říká, že pod ledovým příkrovem skrývají oceán vody. Výstižnější by bylo tvrzení, že oceán je pod i nad ledem.

O oběžnicích velkých planet se v literatuře často píše jako o ledových měsících. Je to označení přiléhavé, protože valnou část tělesa zaujímá led. Nicméně představa, jakou si na základě takového popisu vytvoříme, nemusí být úplně správná. Souvisí to se setrvačností myšlení, s tím, že naše představy o ledu jsou příliš svázány se zkušenostmi ze Země.

První náš předsudek se asi týká hustoty ledu. Víme, že to, co viděli cestující na Titaniku, byla jen desetina toho, co Titanik nakonec potopilo. Hustota ledu je asi jen 90% hustoty vody, proto na té vodě plave. To však platí jen za určitých teplotních a tlakových podmínek. Když tlak zvýšíme na desítky tisíc atmosfér, získáme led o hustotě vyšší než voda. Takové tlaky se přirozeně vyskytují například na dnech oceánů ledových měsíců.

Struktura ledových měsíců je tedy poněkud složitější, než by se z názvu mohlo zdát. Víme, že povrch je tvořen ledem (to jsme viděli na snímcích), víme, že pod ledem je proudící slaný oceán (to víme z radarových měření a ze způsobu, jakým je deformováno magnetické pole některých měsíců) a nakonec také víme, že ještě hlouběji je oceán pravděpodobně zamrzlý (fyzikální zákony to tak vyžadují; že by vnitřní ledovec roztál kvůli teplotě, se bát nemusíme, protože tyhle formy ledu snesou podstatně vyšší teploty než 0°C).

Z průměrné hustoty měsíců se dá usuzovat, že mají silikátové jádro, které je podle všeho pokryto vnitřní slupkou ledu. To má dalekosáhlé důsledky v některých hypotézách kalkulujících se vznikem života. Na jedné straně tu nalezneme vodu o příhodné teplotě obohacenou o uhlovodíky, což se běžně chápe jako nutná zárodečná polévka, ze které by mohl život povstat, na druhé straně příkrov vnitřního ledu brání kontaktu se silikáty, které jsou prý také nezbytné. Vše je ale na úrovni pouhých spekulací, živý organismus se zatím uměle vytvořit nepodařilo, nemůžeme bez výhrad říci, které faktory jsou limitující.

V minulém dílu jsme si popsali jinou formu ledu - klatrát. Ten tu jistě nechybí. Ve studených končinách Sluneční soustavy je zajisté hojný. Na jeho výskyt usuzujeme na kometách. Elegantně by se tak vysvětlilo, kde se v malých slepencích sněhu a kamení berou tak velké zásobárny plynů tvořících při průletu kolem Slunce nádherné ohony a proč plyn z komet již dávno všechen neutekl (v tak nízké gravitaci by to zvládl i za teplot, jaké panují ve vzdálenějších koutech našeho systému).

Na klatrátech stojí celá meteorologie měsíce Titanu. Podle posledních měření sondy Cassini zde nalezneme nejen klatráty metanu, ale i etanu. Poměrně složitým procesem zahrnujícím v sobě disociaci molekul metanu vlivem slunečního záření a vytěsňování jednoho uhlovodíku druhým z klatrátové klícky tu funguje jakási obdoba koloběhu vody na Zemi.

Různé fáze ledu se číslují římskými číslicemi, na klatráty připadlo zatím poslední číslo: XVI. V zájmu přesnosti však konstatujme, že klatráty a forma XVI nejsou přesně totéž. Klatrát je klícka tvořená vodními molekulami a obsahuje uvnitř cizí molekulu, forma XVI je samotná klícka. Tyto klícky mají tvar pravidelného dvanáctistěnu, který má z hlediska krystalografie jednu nevýhodu. Dvanáctistěn nedokáže bezezbytku vyplnit prostor. A tak se základní buňky skládají jak jen to vyjde. Naštestí i v tomto skládání je nějaký řád, díky kterému lze klatráty klasifikovat. V přiloženém videu na konci článku si lze prohlédnout tři druhy uspořádání klatrátových buněk.

Ačkoli jsou klatráty známé hezkou řádku let, formu XVI máme potvrzenu teprve dva roky. Dlouho nebylo v lidských možnostech takovou strukturu uspokojivě doložit. Teprve v roce 2014 v ILL (Institut Laue-Langevin) v Grenoblu se to podařilo. ILL je proslulé tím, že dokáže připravit ty nejchladnější neutrony, usměrnit je správným směrem a nakonec zjistit, jak se mění jejich chování při průchodu vzorkem. Nejprve vytvořili klatrát neonu, který nechali opatrně vyprchat. Nakonec vzorek prosvítili chladnými nedestruktivními neutrony a potvrdili, že led XVI není jen teoretická konstrukce.

Obyčejný led na rybníku a klatráty však nejsou jediné formy ledu, se kterými se můžeme ve vesmíru setkat. Je to jen první a zatím poslední forma, kterou dokážeme připravit. Vědci je označují římskými číslicemi Ih (třeba obyčejná sněhová vločka krystalizující v šesterečné soustavě), Ic (kubická struktura podobná struktuře diamantu), II... XVI (klatráty).

Dnes rozeznáváme plných sedmnáct forem pevného ledu, tři formy amorfního ledu a tři formy tzv. superionického ledu. Superionický led sice také tvoří krystalovou mřížku, ale v té jsou pevně usazeny pouze kyslíkové atomy a vodík se může strukturou volně pohybovat. Takový led se pak chová napůl jako led, napůl jako voda. Předpokládá se (a některá pozorování to naznačují), že takový led jednou objevíme na kometách nebo v plynných planetách.

Přes různé neuvěřitelné vlastnosti exotických forem ledu je nejpodivnější asi ten náš obyčejný led, který možná v brzku uvidíme za okny, led Ih. Podívejte se dobře na fázový diagram, do levého dolního rohu (oblast vybarvená šedivou barvou), a uvidíte proč.

Nejprve si ujasněme, co nám obrázek sděluje. Je to tak zvaný fázový diagram. Zajímá vás, v jakém stavu bude voda při teplotě 40°C a tlaku 15 tisíc atmosfér? V grafu si najděte na vodorovné ose teplotu 40°C a jeďte prstem nahoru až do úrovně patnácti tisíc atmosfér (hodnota je nalevo, na svislé ose). Skončíte v růžové oblasti, která odpovídá fázi ledu VI.

Zaměřme se nyní na krátkou úsečku začínající úplně dole na bodě [0°C,0 Atm], jdoucí mírně nahoru doleva. Matematik by řekl, že má zápornou směrnici. Právě tato záporná směrnice stojí za některými podivnými vlastnostmi vody. Vidíme, že úsečka je vlastně hranice oddělující tekutou vodu od ledu. Není moc překvapivé, že voda je napravo od ledu, nikoho asi nepřekvapí, že led po zahřátí roztaje. Zneklidňující je však to, že vodu nalezneme nad hranicí a ne pod ní.

S rostoucím tlakem materiál obyčejně přechází z kapalné fáze do pevné. U vody je tomu obráceně, led stlačením zkapalní. (Třeba zdůraznit, že je tu požadavek konstantní teploty. Nejde tu o efekt, stlačením zahřát a tím roztavit.) Tato zvláštní vlastnost má zajímavé důsledky.

Bruslař působící ostřím nože na led vytváří poměrně vysoký tlak (v řádu desítek atmosfér), který bez problému přemění led na vodu. Tenká vrstva vody pak funguje jako mazivo, po které brusle klouže jen s minimálním třením. Podobně, ale při menších tlacích, klouže lyže po sněhu.

Toto vysvětlení je logické, snadno pochopitelné a učí se ve škole. Jen jeden fakt tu nesedí. Tlaky, které jsou pod bruslí nebo dokonce pod lyží jsou příliš malé na to, aby se efekt uplatnil i při teplotách pod -4°C. Z grafu se dá nahlédnout, že při teplotách pod -20°C už není ani teoretická možnost led přeměnit na vodu pouhou kompresí. Přesto bruslaři bruslí i při nižších teplotách a polárníci si stěžují, že sníh přestává pod lyží klouzat teprve, když se mráz začne blížit k -50°C.

Efekt tání ledu pod bruslí v důsledku tlaku má bezesporu vliv, ale není jediný, který se při bruslení uplatňuje. V roce 1939, po mnoha měřeních ve vysokohorské ledové jeskyni ve Švýcarsku, zjistili pánové F.P. Bowden a T. Hughes, že dominantní jev, který způsobuje odtávání kapalné vrstvičky, je obyčejné tření. V sedmdesátých letech minulého století se podařilo změřit, jak silná tato vrstva je. Je až k neuvěření, že ke klouzání brusle stačí při teplotách blízkých bodu mrazu vrstvička tenká desítky nanometrů, při teplotě pod -30°C dokonce pouhý jeden nanometr. Pouze tři až čtyři molekuly vody nad sebou mohou mít za následek tak významný makroskopický efekt jako podjetí nohou a bolestivé dosednutí na led.

Na závěr, abychom nepropadli zoufalství, že je již vše vyzkoumáno, vzpomeňme rok starou práci německého chemika a fyzika Bo Perssona. Bo Persson se věnoval měření součinitele smykového tření brusle v závislosti na její rychlosti. Přeměna ledu na vodu vlivem tření by měla probíhat skokově a tedy i tření by se mělo zmenšovat skokem. Nic takového Persson nenaměřil, tak dospěl k závěru, že se tu musí uplatňovat ještě další mechanismy. Očekává se, že by zde svou roli sehrála fáze ledu s neuspořádanými krystaly nebo jakási mezivrstva složená z domén vody a ledu. Nyní čekáme na další pokusy a měření, která by navržené hypotézy potvrdila nebo vyvrátila.

V pátém dílu sci-fi povídky Benzínka na Japetu hrdinové obdivují zvláštní ledový útvar zkrystalizovaný v typicky pozemské fázi ledu. Poznáte, jaký místní fenomén napomohl vyrůst obří sněhové vločce v těchto (pro šesterečnou soustavu nepříhodných) podmínkách?
 

Na videu si lze prohlédnout krystalické mřížky sedmi nejvýznamnějších fází ledu a různá prostorová uspořádání dvanáctistěnů v klatrátech.