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Dr. Helen Maynard-Casely

Introduzione

La scienziata planetaria Dr. Helen Maynard-Casely e collaboratori hanno, per la prima volta, fornito una spiegazione sul come il metano solido e l’azoto si espandano in risposta alle variazioni di temperatura e hanno risolto una storica ambiguità relativa alla struttura dell’azoto.

Ghiacciai di metano solido e azoto

Lo studio è stato ispirato dalla missione New Horizons, che nel suo flyby su Plutone di cinque anni fa, ha scoperto ghiacciai di metano solido e azoto sulla superficie del pianeta nano.

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In una ricerca pubblicata sulla rivista IUCrJ, hanno anche fornito prove di cambiamenti inaspettati nell’orientamento dei granelli del metano solido e dell’azoto al momento del riscaldamento, che hanno indicato che questi potrebbero essere in crescita.

Plutone, che è inclinato a 120 gradi sul suo asse, sperimenta variazioni di temperature stagionali da 24 a 54 Kelvin (da -250 a -220 Celsius) nel suo viaggio intorno al sole che dura 248 anni.

Il fatto che le molecole di metano e di azoto possano fluire a temperature così estremamente basse ha a che fare con il modo in cui le molecole di metano e di azoto sono disposte nelle loro strutture cristalline ed è per questo che la cristallografia potrebbe essere in grado di rispondere a domande su questi paesaggi insoliti“, ha detto Maynard-Casely. “Nelle stagioni più calde di Plutone, ancora a circa -220 C, sia le molecole di metano che quelle di azoto ruotano liberamente nei solidi – le molecole non sono legate molto bene“, ha detto. “Gli studi delle proprietà meccaniche di questi materiali a temperature molto basse sono davvero impegnativi, così come mancano informazioni utili per le condizioni insolite dei corpi planetari esterni“.

Uno studio mai intrapreso prima

Maynard-Casely, che studia le superfici dei pianeti ghiacciati esterni e le loro lune, ricrea queste condizioni utilizzando il diffrattometro ad alta intensità Wombat e i forni criogenici. Ha intrapreso lo studio dell’espansione termica del metano e dell’azoto come non era mai stato fatto in precedenza.

Si ritiene che i cambiamenti nella densità di entrambe le molecole siano utili per spiegare la glaciologia di Plutone.

Quello che ci si aspettava fosse un semplice studio cristallografico dell’espansione termica ad una gamma di temperature ha avuto alcuni risultati inaspettati.

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L’azoto ha in realtà due strutture cristalline nell’intervallo di temperature visto su Plutone e sono rimasta sorpresa che il modello più accettato per la forma alfa a bassa temperatura non si adattasse ai nostri dati. Si è scoperto che questo è un argomento che non è mai stato risolto dagli anni ’70, anche se il modello più citato della cellula unitaria è il gruppo spaziale asimmetrico P213 a quattro molecole cubiche P213“, ha detto Maynard-Casely.

I dati sono stati raccolti su Wombat su un ulteriore campione, poi cinque diverse possibili strutture sono state testate di nuovo.

I dati si adattano al gruppo spaziale Pa3̅, in cui il centro della molecola si trova all’origine della struttura cristallina. Questo è importante perché il gruppo spaziale influenza le proprietà fisiche“.

Nel modello alternativo gli atomi di azoto sono sfalsati rispetto all’origine.

Una struttura nel gruppo spaziale P213 potrebbe essere piroelettrica, il che significa che ci potrebbe essere un rilascio di energia quando la si riscalda. Questo sarebbe rilevante per la glaciologia, ma i dati di Wombat suggeriscono che non è questo il caso“, ha detto Maynard-Casely, la quaqle continua affermando: “La storia dell’azoto è davvero interessante perché le molecole hanno la capacità di raffreddarsi in una struttura ordinata, che è la fase di azoto alfa e a questo punto c’è un grande calo di volume. Mentre ad una temperatura leggermente più alta, intorno ai 44 Kelvin, le molecole di azoto ruotano liberamente in uno stato plastico“.

La fase I del metano è anche descritta come una fase plastica, in cui la natura debolmente interagente delle molecole e la libertà di orientamento sono state pensate per conferire una morbidezza meccanica.

La musa ispiratrice

La ricerca è stata ispirata dalle suggestive immagini della superficie di Plutone catturate dalla missione New Horizons cinque anni fa, che ritraevano imponenti montagne ghiacciate circondate da un terreno più basso con apparenti tratti fluenti.

È sparito il pensiero che Plutone sia un mondo morto. New Horizons ha raccolto le prove che il pianeta nano è stato geologicamente attivo durante i suoi 4 miliardi di anni di vita. E’ stato anche interessante vedere quanto poco la struttura legata all’idrogeno, l’acqua, si sia espansa nella stessa gamma di temperature“, ha detto Maynard-Casely. “Vedete l’acqua come una linea quasi diritta nella trama dei dati, mentre il metano e l’azoto hanno un’espansione significativa all’aumentare delle temperature“.

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