Net als op aarde, water op andere planeten, satellieten, en zelfs kometen zijn er in verschillende vormen, afhankelijk van meerdere factoren zoals druk en temperatuur. Afgezien van de gasvormige, vloeistof, en vaste toestanden die we gewend zijn, water kan een ander type kristallijne vaste stof vormen, clathraathydraat genaamd. Hoewel ze op ijs lijken, clathraathydraten hebben eigenlijk kleine kooien op waterbasis waarin kleinere moleculen worden opgesloten. Deze gevangen "gast"-moleculen zijn essentieel voor het behoud van de kristallijne structuur van clathraathydraten, die anders zou "instorten" in gewoon ijs of water.

Clathraathydraten spelen een cruciale rol in de evolutie van de atmosfeer van een planeet of satelliet; vluchtige gassen zoals methaan worden in deze kristallen opgeslagen en langzaam over geologische tijdschalen vrijgegeven. Vanwege de enorme hoeveelheid tijd die nodig is om clathraathydraten te vormen en te dissociëren bij cryogene temperaturen, het is erg moeilijk gebleken om experimenten op aarde uit te voeren om hun aanwezigheid in andere hemellichamen te voorspellen.

In een recente studie gepubliceerd in Het planetaire wetenschappelijke tijdschrift , een team van wetenschappers pakte dit probleem aan met een combinatie van zowel theoretische als experimentele gegevens. hoofd wetenschapper, Professor Hideki Tanaka van de universiteit van Okayama, Japan, legt uit:"Al vele jaren we hebben een strenge statistische mechanicatheorie ontwikkeld om het gedrag van clathraathydraten te schatten en te voorspellen. In dit specifieke onderzoek we hebben ons gericht op het uitbreiden van deze theorie naar het cryogene temperatuurbereik - tot de 0 K-limiet."

Een opmerkelijke uitdaging was het theoretisch vaststellen van de voorwaarden voor de vorming en dissociatie van clathraathydraten onder thermodynamisch evenwicht bij extreem lage temperaturen. Dit was nodig om het befaamde model van water/hydraat/gast-coëxistentie in clathraathydraten te gebruiken, voorgesteld door Van der Waals en Platteeuw in 1959. Tanaka, Yagasaki, en Matsumoto herzag deze theorie om te passen bij de cryogene omstandigheden die buiten de aarde zouden worden gevonden en bevestigde de geldigheid ervan op basis van thermodynamische gegevens verzameld door ruimtesondes.

Vervolgens, de wetenschappers gebruikten deze nieuwe theorie om de toestand van het water op Saturnusmaan Titan te analyseren, Jupiters manen Europa en Ganymedes, en Pluto. Volgens hun model er is een opmerkelijk contrast in de stabiele vormen van water die op deze hemellichamen worden aangetroffen. Terwijl Europa en Ganymedes alleen gewoon ijs bevatten dat in contact staat met de dunne atmosfeer, al het water op het oppervlak van Titan, en mogelijk Pluto, is in de vorm van clathraathydraten. "Het is opmerkelijk, " zegt Tanaka, "dat één specifieke watertoestand uitsluitend voorkomt in verschillende satelliet- en planetaire oppervlakken, afhankelijk van temperatuur en druk. In het bijzonder, het water in Titan lijkt volledig in de vorm van methaanbevattende clathraathydraten te zijn, helemaal tot aan het oppervlak vanaf de top van de ondergrondse oceaan."

De uitbreiding van de beschikbare theorie over clathraathydraten tot cryogene temperaturen zal onderzoekers in staat stellen de huidige interpretaties van stabiele watervormen in de ruimte en op hemellichamen te bevestigen en te herzien. Deze informatie zal essentieel zijn om de evolutie van planetaire atmosferen te begrijpen, een ander stukje van de puzzel ontsluiten in onze zoektocht om de evolutie van onze planeet en de rest van het universum te begrijpen.