¿Cómo se comportarían los océanos de agua y amoníaco?

Es una gran pregunta, pero es uno de mis temas favoritos, pensar en exoplanetas, por lo que puedo dar una respuesta aproximada e invito a cualquiera a corregir o dar una respuesta más técnica si lo desea.

Formación de hielo(s)

Un océano de agua con amoníaco no favorecería la formación de hielo porque el hielo de agua se hundiría en la solución de agua y amoníaco y el hielo de amoníaco se hundiría en el amoníaco líquido. No hay rango donde el hielo flote a menos que elimine casi todo el amoníaco y tenga un alto porcentaje de agua.

Dicho esto, es probable que los océanos tengan sales disueltas, especialmente en mundos rocosos que tienen una proporción muy alta de roca a agua. Un mundo acuático podría tener océanos mucho menos salados, pero no nos desviemos demasiado.

Si hay suficientes sales disueltas o hierro en la mezcla de agua y amoníaco, entonces la densidad podría ser suficiente para que el hielo de agua permanezca en la parte superior. El hielo tiende a formarse a partir de agua casi pura, con muy poca sal del océano, lo que aumenta su flotabilidad. Es posible, con suficiente salinidad, que se pueda formar hielo en un océano de agua con amoníaco. También es posible que el hielo se hunda.

Densidad

Quiero señalar esto ahora, porque es importante. Usando nuestros océanos como modelo, se sumerge una mayor concentración de sal.

Concentración de sal por densidad

Eso es algo de sentido común y es probable que suceda también con un océano de agua y amoníaco. Mayor concentración de amoníaco cerca de la superficie, mayor concentración de agua (y mayor sal) a medida que desciende. Eso es especulación de mi parte, pero parece razonable.

Proporciones variables de agua y amoníaco según la temperatura u otros factores

Las concentraciones de agua más altas se hundirían y las concentraciones de amoníaco más altas se elevarían y fluirían hacia las más bajas. Eso es física simple. Al igual que en la Tierra, la variación de la salinidad del agua superficial no es tan grande. Probablemente sucedería lo mismo con un océano de agua amoniacal, las corrientes superficiales intentarían igualar las diferentes proporciones. Habría alguna variación, pero probablemente no tan pronunciada como la variación con la profundidad. No es probable que obtenga un océano de agua del 90% en una región y una proporción de 40-60 en otra región porque la gravedad detesta un desequilibrio como ese. La región del 90% de agua sería más pesada y, como resultado, más baja. Puedes tener ese tipo de desequilibrio de densidad con una corteza sólida, pero no con un océano que fluye.

La densidad variable del océano es importante por otra razón. En la Tierra, la salinidad es relativamente constante en la superficie del océano, el océano polar frío es más denso y se hunde, y se cree que esto es lo que impulsa el transportador oceánico.

Existe un rango de incertidumbre sobre si un océano de agua de amoníaco transportaría o no. Necesitaría una variación suficiente de temperatura y/o densidad, teniendo en cuenta que si comienza con un desequilibrio en la relación, el océano trabajaría para corregirlo, por lo que el planeta necesita un motor para mantener el transportador. En la Tierra, ese motor es el ecuador cálido y los polos fríos. Diferentes planetas tendrían diferentes variaciones de temperatura. Venus, por ejemplo, prácticamente no tiene variación de temperatura en su superficie.

Busqué, pero no pude encontrar una tabla sobre la solución de agua y amoníaco por temperatura. Eso sería un factor si alguien puede encontrarlo.

Evaporación

El amoniaco en el agua tiene un punto de saturación , basado en la temperatura y la presión. Si la solución de agua y amoníaco supera ese punto de saturación, por ejemplo, en un día caluroso, el amoníaco brotaría del océano con bastante rapidez. Tal vez lo suficientemente rápido como para generar un sistema meteorológico y desencadenar un cambio de densidad y, en este caso, el hundimiento de agua más cálida y una especie de transportador inverso, impulsado por el hundimiento del agua en las regiones más cálidas del planeta.

La transición de fase, de líquido a gas, también eliminaría el calor del agua.

Un planeta con un océano de agua amoniacal y una temperatura superficial que exceda el punto de saturación podría ser bastante dinámico.

Si el planeta está un poco más frío y/o el porcentaje de amoníaco permanece por debajo del punto de saturación, entonces se trata más de un sistema en equilibrio. El agua es un buen disolvente y absorbe muchos gases, como el CO2, en pequeñas cantidades. El amoníaco y el agua, a diferencia del CO2 y el agua, se mezclan muy bien, por lo que la evaporación de un océano de agua con amoníaco por debajo de la saturación no sería tan diferente al agua en la Tierra, donde la evaporación es impulsada principalmente por el viento y la luz solar. (contrariamente a la lógica, la temperatura no es un factor tan importante en la evaporación como la luz solar directa). El viento también juega un papel importante y en la Tierra, el agua corriente de la lluvia o el derretimiento de la nieve y la transpiración de las plantas devuelven el agua a la atmósfera, que rápidamente llueve o nieva a la superficie. En cualquier momento dado, el porcentaje de vapor de agua de la Tierra en la atmósfera es de alrededor del 1%,

El amoníaco entraría en la atmósfera de forma similar al agua, pero el tiempo que permanecería en la atmósfera es un factor. La temperatura del aire y una humedad relativa del 100 % son los límites superiores de la cantidad de vapor de agua que puede existir en la atmósfera. No existen tales límites superiores para el amoníaco a temperatura y presión similares a las de la Tierra porque el amoníaco, a diferencia del agua, es un gas a temperatura y presión estándar.

Como resultado, un planeta teórico similar a la Tierra con un océano de agua amoniacal también tendrá, muy probablemente, una gran cantidad de amoníaco en la atmósfera, no la traza del 1% de agua que hay en nuestra atmósfera, sino mucho más. No se puede tener un océano de amoníaco sin amoníaco en la atmósfera, en altas concentraciones.

Por ejemplo, para tener gotas de lluvia de amoníaco a 1 ATM, la temperatura del aire debe ser inferior a -33 C porque esa es la temperatura de ebullición/licuación del amoníaco. A menos que el planeta estuviera realmente frío, gran parte del amoníaco se quedaría en la atmósfera, aunque presumiblemente el planeta tendría lluvia de agua y esa lluvia de agua sacaría parte del amoníaco y lo devolvería a los océanos. Ese es el equilibrio, y es algo complicado de tratar de calcular, pero la pregunta no es solo qué tan rápido se evaporaría, sino también qué tan rápido regresaría y la tasa de retorno dependería del método de retorno. El amoníaco, al ser un gas a lo que consideramos temperaturas planetarias normales, significa que probablemente también permanecería en la atmósfera, no iría todo al océano. Sería un poco de los dos.

Tal vez con el tiempo, la proporción del océano y la proporción de agua de lluvia/amoníaco se igualarían, pero nuevamente, eso es solo especulación.

Si el planeta tiene polos muy fríos, donde el amoníaco podría llover fuera de la atmósfera, o tal vez bloquearse por las mareas, y un lado nocturno del planeta más frío, entonces el amoníaco podría regresar de la atmósfera más rápidamente.

Me gustaría saber si esto se ha estudiado y si estos comportamientos se han descrito en documentos, libros o artículos detallados sobre este tema.

No conozco ningún papel. Es divertido pensar en la formación planetaria teórica, pero para hacerlo bien, se requiere un modelado informático bastante serio. Lo que he leído sobre el tema es mucho menos ambicioso que su pregunta. Los modelos se realizan en mundos acuáticos y en mundos bloqueados por mareas y en placas tectónicas para planetas de diferentes masas. Nunca he visto un estudio sobre océanos de agua amoniacal, pero creo que es un tema divertido.

La Tierra tuvo que tener amoníaco bastante abundante en algún momento porque es uno de los "hielos" primarios en los cometas. Los cometas son principalmente amoníaco, agua, CO2 y CH4, con cantidades más pequeñas de otros elementos. Vale la pena preguntarse a dónde fue a parar el amoníaco de la Tierra. Puede ser más reactivo químicamente que los otros elementos. Si la Tierra perdió su amoníaco, otros planetas también pueden perder su amoníaco en el proceso de formación de planetas y la química que lo acompaña. También es posible que los océanos de agua amoniacal sean comunes, quizás más comunes que los océanos de agua pura como los que tenemos en la Tierra.

Quizás el tiempo y mejores telescopios nos digan más sobre este tema.

Toma mi respuesta con pinzas ya que soy un aficionado.