Exotische Eigenschaft von Salzlösungen: Neue Erkenntnis hilft bei Untersuchung von Eiswelten im All

Forscher haben in den Laboren des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ ein bislang unbekanntes Verhalten von wässrigen Lösungen beobachtet. In einer Diamantstempelpresse setzten sie Magnesiumsulfatlösungen unter hohen Druck.

Ab etwa 0.2 Gigapascal, das entspricht ungefähr dem zweitausendfachen Luftdruck auf der Erdoberfläche, stellten sie eine Anomalie fest: Gelöstes Magnesiumsulfat trennte sich weniger als erwartet in Magnesium- und Sulfat-Ionen, und ab etwa einem halben Gigapascal stieg sogar der Anteil an Ionenpaaren mit dem Druck. Dieses Verhalten ließ sich nur bei relativ niedrigen Temperaturen nachweisen. Schon bei 50 °C wurde es nicht mehr beobachtet.

„Deswegen kommt in der Erde dieser Effekt nicht vor, in den Ozeanen ist der Druck nicht hoch genug, und in Erdkruste und -mantel ist die Temperatur zu hoch. Er ist aber relevant für andere Himmelskörper, auf und in denen tiefe Ozeane vorkommen“, erläutert Christian Schmidt vom GFZ die Besonderheit der Ergebnisse.

Die Studie, die er gemeinsam mit Craig Manning von der University of California in Los Angeles (UCLA) veröffentlichte, ist jüngst im Fachjournal Geochemical Perspectives Letters erschienen.

Diese Erkenntnis kann beispielsweise bei der Erforschung von Pluto und der Jupiter- und Saturnmonde Ganymed, Callisto und Titan, welche große Mengen an Wassereis und darunter vermutlich Ozeane enthalten, von Nutzen sein.

Der Grund: Bei der Verwitterung der Magnesiumsilikate der Ozeanböden entsteht vor allem Magnesiumsulfat, das sich im Wasser löst. Wenn sich mehr Ionenpaare bilden, verwittert mehr Magnesiumsilikat als erwartet. „Die Ozeane unter den Eiswelten sind mithin wahrscheinlich salziger als bisher angenommen“, sagt Christian Schmidt.

Da die Ionenkonzentration die elektrische Leitfähigkeit von Lösungen bestimmt, trägt die Entdeckung zu einer besseren Interpretation magnetometrischer Daten bei, die bei der Untersuchung solcher Himmelskörper mit Raumsonden eine zentrale Rolle spielen.

Die Untersuchungen zu dieser neuen Anomalie des Wassers wurden in der Sektion „Chemie und Physik der Geomaterialien“ am GFZ durchgeführt (das Bild zeigt die verwendete Diamantstempelkammer am Ramanspektrometer). Ursache für die Anomalie ist eine Änderung der dynamischen Struktur, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen entsteht.

Titel der Originalarbeit: Pressure-induced ion pairing in MgSO4 solutions: Implications for the oceans of icy worlds by C. Schmidt and C.E. Manning in Geochemical Perspective Letters ;

DOI: 10.7185/geochemlet.1707

http://Hier geht es zur Studie direkt: http://www.geochemicalperspectivesletters.org/documents/GPL1707_noSI.pdf