Proprio come sulla Terra, acqua su altri pianeti, satelliti, e persino le comete si presentano in una varietà di forme a seconda di molteplici fattori come la pressione e la temperatura. A parte il gassoso, liquido, e gli stati solidi a cui siamo abituati, l'acqua può formare un diverso tipo di solido cristallino chiamato clatrato idrato. Sebbene assomiglino al ghiaccio, gli idrati di clatrato hanno in realtà piccole gabbie a base d'acqua in cui sono intrappolate molecole più piccole. Queste molecole "ospite" intrappolate sono essenziali per preservare la struttura cristallina degli idrati clatrati, che altrimenti "collasserebbe" in ghiaccio o acqua normale.

Gli idrati di clatrato svolgono un ruolo cruciale nell'evoluzione dell'atmosfera di un pianeta o di un satellite; i gas volatili come il metano sono immagazzinati in questi cristalli e rilasciati lentamente su scale temporali geologiche. A causa dell'enorme quantità di tempo necessaria agli idrati di clatrato per formarsi e dissociarsi a temperature criogeniche, si è rivelato molto difficile condurre esperimenti sulla Terra per prevedere la loro presenza in altri corpi celesti.

In un recente studio pubblicato su Il giornale di scienze planetarie , un team di scienziati ha affrontato questo problema con una combinazione di dati teorici e sperimentali. Scienziato capo, Professor Hideki Tanaka dell'Università di Okayama, Giappone, spiega:"Per molti anni, abbiamo sviluppato una rigorosa teoria della meccanica statistica per stimare e prevedere il comportamento degli idrati clatrati. In questo particolare studio, ci siamo concentrati sull'estensione di questa teoria all'intervallo di temperatura criogenica, fino al limite di 0 K".

Una sfida notevole è stata teoricamente stabilire le condizioni per la formazione e la dissociazione degli idrati di clatrato in equilibrio termodinamico a temperature estremamente basse. Ciò era necessario per utilizzare il famoso modello di coesistenza acqua/idrato/ospite negli idrati clatrati proposto da van der Waals e Platteeuw nel 1959. Tanaka, Yagasaki, e Matsumoto ha rivisto questa teoria per adattarla alle condizioni criogeniche che si sarebbero trovate al di fuori della Terra e ha confermato la sua validità sulla base dei dati termodinamici raccolti dalle sonde spaziali.

Quindi, gli scienziati hanno usato questa nuova teoria per analizzare gli stati dell'acqua sulla luna di Saturno Titano, le lune di Giove Europa e Ganimede, e Plutone. Secondo il loro modello, c'è un notevole contrasto nelle forme stabili dell'acqua che si trovano su questi corpi celesti. Considerando che Europa e Ganimede contengono solo ghiaccio normale a contatto con la sottile atmosfera, tutta l'acqua sulla superficie di Titano, e possibilmente Plutone, è sotto forma di idrati di clatrato. "È notevole, "dice Tanaka, "che uno specifico stato dell'acqua appare esclusivamente in diverse superfici satellitari e planetarie a seconda della temperatura e della pressione. In particolare, l'acqua di Titano sembra essere completamente sotto forma di clatrati contenenti metano fino alla superficie dalla parte superiore del suo oceano sotto la superficie."

L'estensione della teoria disponibile sugli idrati di clatrato alle temperature criogeniche consentirà ai ricercatori di corroborare e rivedere le attuali interpretazioni sulle forme d'acqua stabili nello spazio e sui corpi celesti. Queste informazioni saranno essenziali per comprendere l'evoluzione delle atmosfere planetarie, sbloccando un altro pezzo del puzzle nella nostra ricerca per comprendere l'evoluzione del nostro pianeta e del resto dell'universo.