Pressões de dissociação de vários clatratos hidratados em uma faixa de temperaturas criogênicas. As regiões superiores de cada curva indicam limites estáveis dos clatratos hidratados. (Cores semelhantes foram usadas para designar as espécies hóspedes nas curvas de dissociação de clatratos hidratados e a condição termodinâmica em cada corpo celeste.) Crédito:2021 Hideki Tanaka, Okayama Univ.
Assim como na Terra, água em outros planetas, satélites, e até mesmo os cometas vêm em uma variedade de formas, dependendo de vários fatores, como pressão e temperatura. Além do gasoso, líquido, e estados sólidos aos quais estamos acostumados, a água pode formar um tipo diferente de sólido cristalino denominado clatrato hidratado. Embora pareçam semelhantes ao gelo, Os clatratos hidratados têm, na verdade, pequenas gaiolas à base de água nas quais moléculas menores são aprisionadas. Essas moléculas "hóspedes" presas são essenciais para preservar a estrutura cristalina dos clatratos hidratados, que de outra forma "desmoronaria" em gelo ou água regular.
Os hidratos de clatrato desempenham um papel crucial na evolução da atmosfera de um planeta ou satélite; gases voláteis, como o metano, são armazenados nesses cristais e liberados lentamente em escalas de tempo geológicas. Por causa da enorme quantidade de tempo necessária para que os clatratos hidratados se formem e se dissociem em temperaturas criogênicas, tem sido muito difícil conduzir experimentos na Terra para prever sua presença em outros corpos celestes.
Em um estudo recente publicado em The Planetary Science Journal , uma equipe de cientistas abordou esse problema com uma combinação de teoria e dados experimentais. Cientista líder, Professor Hideki Tanaka da Universidade de Okayama, Japão, explica:"Por muitos anos, temos desenvolvido uma teoria de mecânica estatística rigorosa para estimar e prever o comportamento dos clatratos hidratados. Neste estudo específico, focamos em estender essa teoria para a faixa de temperatura criogênica - até o limite de 0 K. "
Um desafio notável foi teoricamente estabelecer as condições para a formação e dissociação de clatratos hidratados sob equilíbrio termodinâmico em temperaturas extremamente baixas. Isso foi necessário para usar o renomado modelo de coexistência água / hidrato / hóspede em clatrato hidratado proposto por van der Waals e Platteeuw em 1959. Tanaka, Yagasaki, e Matsumoto revisou essa teoria para se adequar às condições criogênicas que seriam encontradas fora da Terra e corroborou sua validade com base em dados termodinâmicos coletados por sondas espaciais.
Então, os cientistas usaram esta nova teoria para analisar os estados da água na lua de Saturno, Titã, Luas de Júpiter Europa e Ganimedes, e Plutão. De acordo com seu modelo, há um contraste notável nas formas estáveis de água encontradas nesses corpos celestes. Considerando que Europa e Ganimedes contêm apenas gelo regular em contato com a fina atmosfera, toda a água na superfície de Titã, e possivelmente Plutão, está na forma de clatratos hidratados. "É notável, "diz Tanaka, "aquele estado específico da água aparece exclusivamente em diferentes satélites e superfícies planetárias, dependendo da temperatura e pressão. Em particular, a água em Titã parece estar completamente na forma de clatratos hidratados contendo metano até a superfície do topo de seu oceano subterrâneo. "
A extensão da teoria disponível sobre clatratos hidratados para temperaturas criogênicas permitirá que os pesquisadores corroborem e revisem as interpretações atuais sobre as formas estáveis de água no espaço sideral e em corpos celestes. Essas informações serão essenciais para entender a evolução das atmosferas planetárias, desbloquear outra peça do quebra-cabeça em nossa busca para compreender a evolução do nosso planeta e do resto do universo.
