Учёные из Чикагского университета и Международного центра теоретической физики в Триесте смогли объяснить, что именно происходит с льдом, когда на него попадает ультрафиолетовое излучение. Речь идёт о процессах, которые происходят как в земной Арктике, так и на ледяных спутниках планет. Новая работа опубликована в журнале PNAS и раскрывает одну из старых загадок химии льда.
Исследования ультрафиолетового воздействия на лёд ведутся с 1980-х годов. Уже тогда учёные заметили странную вещь: лед, освещённый ультрафиолетом в течение нескольких минут, поглощал один набор длин волн, а лед, облучённый часами, — совсем другой. Это означало, что сам лёд менялся с течением времени, но невозможно было понять, какие именно процессы происходят в его структуре.
Разобраться в этом экспериментально чрезвычайно сложно. Как объясняет автор исследования Марта Монти, даже небольшая порция ультрафиолетового света может разрушать связи между молекулами воды, создавать новые молекулы и заряженные частицы — и всё это одновременно. Такие реакции буквально перестраивают лёд изнутри.
Чтобы увидеть эти процессы на уровне отдельных атомов, команда использовала квантово-механическое моделирование. Этот подход позволил им «виртуально» собрать ледяные структуры разного вида — идеальный кристалл и варианты с небольшими дефектами. Среди таких дефектов:
• вакансии — когда в решётке отсутствует молекула воды;
• гидроксид-ионы, нарушающие электрический баланс;
• дефекты Бьеррума — особые нарушения в расположении атомов водорода.
В моделях учёные могли добавлять такие дефекты по одному и отслеживать, как меняется поглощение ультрафиолета. Оказалось, что каждый тип дефекта создаёт свой собственный «оптический след» — как уникальный отпечаток, который может быть обнаружен в реальных образцах льда.
Исследователям также удалось показать, что происходит с молекулами воды в первые мгновения после попадания ультрафиолета. Водородные связи разрываются, образуются гидрониевые ионы, гидроксильные радикалы, а также свободные электроны. Эти электроны либо блуждают в структуре льда, либо застревают в крошечных пустотах — и от того, где они оказываются, зависит дальнейшая химия.
Профессор Джулия Галли, руководитель исследования, отметила, что впервые удалось смоделировать эти процессы с такой точностью. По её словам, работа даёт фундамент для понимания того, как лед ведёт себя при таянии и под воздействием света.
Эти фундаментальные процессы оказываются важными не только для физики или материаловедения. Оттаивающая вечная мерзлота содержит большие объёмы метана и других газов. Как только свет достигает открывшихся участков льда, химические реакции ускоряют высвобождение газов. Поэтому более глубокое понимание фотохимии льда важно для оценок будущего потепления.
Кроме того, результаты могут оказаться полезными для исследований ледяных спутников, таких как Европа и Энцелад, где ультрафиолет Солнца постоянно взаимодействует с поверхностным льдом и может способствовать появлению сложных молекул.
Следующим шагом учёные называют сотрудничество с экспериментальными группами, чтобы подтвердить предсказанные «оптические отпечатки» дефектов в образцах льда. Команда также планирует моделировать более сложные структуры, приближённые к природному льду, где множество дефектов взаимодействуют одновременно.