Dissociationstryck för olika klatrater hydratiserar över en rad kryogena temperaturer. De övre regionerna av varje kurva indikerar stabila gränser för klatrathydraterna. (Liknande färger har använts för att beteckna gästarten i dissociationskurvorna för klatrathydrater och det termodynamiska tillståndet i varje himlakropp.) Kredit:2021 Hideki Tanaka, Okayama Univ.
Precis som på jorden, vatten på andra planeter, satelliter, och även kometer finns i en mängd olika former beroende på flera faktorer som tryck och temperatur. Förutom det gasformiga, flytande, och fasta tillstånd vi är vana vid, vatten kan bilda en annan typ av kristallint fast ämne som kallas klatrathydrat. Även om de liknar is, klatrathydrater har faktiskt små vattenbaserade burar där mindre molekyler är fångade. Dessa fångade "gäst"-molekyler är viktiga för att bevara den kristallina strukturen hos klatrathydrater, som annars skulle "falla ihop" till vanlig is eller vatten.
Clatrathydrater spelar en avgörande roll i utvecklingen av en planets eller satellits atmosfär; flyktiga gaser som metan lagras i dessa kristaller och frigörs långsamt över geologiska tidsskalor. På grund av den enorma tid som krävs för att klatrathydrater ska bildas och dissocieras vid kryogena temperaturer, det har visat sig mycket svårt att genomföra experiment på jorden för att förutsäga deras närvaro i andra himlakroppar.
I en nyligen publicerad studie publicerad i The Planetary Science Journal , ett team av forskare tog sig an denna fråga med en kombination av både teori och experimentella data. Ledande vetenskapsman, Professor Hideki Tanaka från Okayama University, Japan, förklarar:"Under många år, vi har utvecklat rigorös statistisk mekanikteori för att uppskatta och förutsäga beteendet hos klatrathydrater. I just denna studie, vi fokuserade på att utvidga denna teori till det kryogena temperaturområdet - ner till 0 K-gränsen."
En anmärkningsvärd utmaning var att teoretiskt fastställa villkoren för bildning och dissociation av klatrathydrater under termodynamisk jämvikt vid extremt låga temperaturer. Detta var nödvändigt för att använda den berömda modellen för samexistens av vatten/hydrat/gäster i klatrathydrater som föreslogs av van der Waals och Platteeuw 1959. Tanaka, Yagasaki, och Matsumoto reviderade denna teori för att passa de kryogena förhållanden som skulle hittas utanför jorden och bekräftade dess giltighet baserat på termodynamiska data som samlats in av rymdsonder.
Sedan, forskarna använde denna nya teori för att analysera vattnets tillstånd på Saturnus måne Titan, Jupiters månar Europa och Ganymedes, och Pluto. Enligt deras modell, det finns en anmärkningsvärd kontrast i de stabila former av vatten som finns på dessa himlakroppar. Medan Europa och Ganymedes endast innehåller vanlig is i kontakt med den tunna atmosfären, allt vatten på Titans yta, och möjligen Pluto, är i form av klatrathydrater. "Det är anmärkningsvärt, " säger Tanaka, "att ett specifikt vattentillstånd uppträder uteslutande på olika satellit- och planetytor beroende på temperatur och tryck. I synnerhet, vattnet i Titan verkar vara helt i form av metanhaltiga klatrathydrater ända upp till ytan från toppen av dess underjordiska hav."
Utvidgningen av tillgänglig teori om klatrathydrater till kryogena temperaturer kommer att låta forskare bekräfta och revidera nuvarande tolkningar av stabila vattenformer i yttre rymden och på himlakroppar. Denna information kommer att vara väsentlig för att förstå utvecklingen av planetariska atmosfärer, låsa upp ytterligare en pusselbit i vår strävan att förstå utvecklingen av vår planet och resten av universum.
