Όταν η υπεριώδης ακτινοβολία χτυπά τον πάγο – είτε στις πολικές περιοχές της Γης είτε σε μακρινούς πλανήτες – προκαλεί μια σειρά χημικών αντιδράσεων που προβλημάτιζαν τους επιστήμονες για δεκαετίες.
Ερευνητές από το University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) και συνεργάτες στο Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP) χρησιμοποίησαν κβαντικές προσομοιώσεις για να αποκαλύψουν πώς μικρές ατέλειες στην κρυσταλλική δομή του πάγου αλλάζουν δραματικά τον τρόπο που ο πάγος απορροφά και εκπέμπει φως.
Ανακάλυψη δεκαετιών
Τα μυστήρια γύρω από τον πάγο και το φως ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1980, όταν διαπιστώθηκε ότι δείγματα πάγου που εκτίθενται σε UV για λίγα λεπτά απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος σε σχέση με δείγματα που εκτίθενται για ώρες. Η νέα μελέτη χρησιμοποιεί προηγμένες υπολογιστικές μεθόδους για να απομονώσει τις επιδράσεις συγκεκριμένων ατελειών στον πάγο, κάτι που δεν ήταν δυνατό πειραματικά.
Τα αποτυπώματα των ατελειών
Η ομάδα μελέτησε τέσσερις τύπους πάγου: χωρίς ατέλειες, με κενά μορίων νερού (vacancies), με φορτισμένα ιόντα υδροξειδίου και με ατέλειες Bjerrum, που παραβιάζουν τους κανόνες δεσμών υδρογόνου. Κάθε ατέλεια δημιούργησε μοναδική οπτική υπογραφή-σαν «δακτυλικό αποτύπωμα» που οι πειραματιστές μπορούν πλέον να αναζητήσουν σε πραγματικά δείγματα πάγου. Οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι όταν ο UV φωτισμός χτυπά τον πάγο, μόρια νερού μπορούν να διασπαστούν σε ιόντα υδρονίου, ριζικά υδροξυλίου και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία είτε διαχέονται είτε παγιδεύονται ανάλογα με τις ατέλειες.
Επιπτώσεις στην περιβαλλοντική επιστήμη και αστροχημεία
Η κατανόηση των αλληλεπιδράσεων του UV φωτός με τον πάγο μπορεί να βελτιώσει τις προβλέψεις για την εκπομπή αερίων θερμοκηπίου από το λιώσιμο του μόνιμα παγωμένου εδάφους (permafrost) και να επηρεάσει τη μελέτη της χημείας σε παγωμένους δορυφόρους όπως η Europa του Δία και η Enceladus του Κρόνου. Οι επιστήμονες συνεργάζονται πλέον με πειραματιστές για να επικυρώσουν τις υπολογιστικές τους προβλέψεις και να μελετήσουν πιο σύνθετα συστήματα ατελειών στον πάγο.
Αυτή η έρευνα ανοίγει νέους δρόμους στην κατανόηση της φωτοχημείας του πάγου και προσφέρει κρίσιμα δεδομένα για την περιβαλλοντική επιστήμη και την αστροχημεία.
Περισσότερες πληροφορίες: Marta Monti et al, Ελαττώματα σε εξέλιξη: Διαμόρφωση της φωτοφυσικής και της φωτοχημείας του πάγου, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2025). DOI: 10.1073/pnas.2516805122
Πληροφορίες περιοδικού: Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο
