Questa particolare forma è simile al ghiaccio ma, in realtà, è costituita da piccole gabbie a base d'acqua in cui sono intrappolate molecole più piccole. Queste, a loro volta, sono essenziali per preservare la struttura cristallina del clatrato che, altrimenti, collasserebbe in semplice ghiaccio o acqua.

I clatrati idrati svolgono un ruolo cruciale nell'evoluzione delle atmosfere planetarie o satellitari: gas volatili, come il metano, vengono immagazzinati in questi cristalli e rilasciati lentamente su scale temporali geologiche.

Tuttavia, è necessaria un'enorme quantità di tempo affinché i clatrati idrati si formino e si dissocino a temperature criogeniche e questo rende complicato un qualunque esperimento sulla Terra.

In un recente studio pubblicato su The Planetary Science Journal, un team di scienziati ha affrontato il problema con una combinazione di dati teorici e sperimentali.

 

Lo studio

Lo scienziato-capo, il professor Hideki Tanaka dell'Università di Okayama, in Giappone, spiega: "Per molti anni, abbiamo sviluppato una rigorosa teoria della meccanica statistica per stimare e prevedere il comportamento dei clatrati idrati. In questo studio particolare, ci siamo concentrati sull'estensione di questa teoria all'intervallo di temperatura criogenico, fino al limite di 0 K".

Nel documento si legge: "[Qui] studiamo la stabilità termodinamica dei clatrati idrati a temperature criogeniche dal limite di 0 K a 200 K [-273,15 / -73,15 Celsius ] in un ampio intervallo di pressioni, coprendo le condizioni termodinamiche dello spazio interstellare e la superficie dell'idrosfera nei satelliti".
"I gas nobili, gli idrocarburi, l'azoto e l'ossigeno sono scelti come specie ospiti, perché sono componenti chiave dei volatili in tali satelliti. Esploriamo il confine a due fasi idrato / acqua di clatrati idrati in condizioni ricche di acqua e il confine a due fasi idrato / ospite in condizioni ricche di ospiti, uno dei quali si trova sulla superficie o nel sottosuolo dei satelliti ghiacciati".

Il team ha riadattato il modello di coesistenza acqua / idrato / ospite nei clatrati idrati proposto da van der Waals e Platteeuw nel 1959, per estenderlo alle condizioni criogeniche che si trovano al di fuori della Terra e confermare la sua validità sulla base dei dati termodinamici raccolti dalle sonde spaziali. Il modello di van der Waals e Platteeuw (VdWP) permette di prevedere le proprietà termodinamiche macroscopiche (quali temperatura, pressione, volume, ecc.) a partire da un’elaborazione statistica dei parametri microscopici che definiscono il sistema; di prevedere correttamente la struttura degli idrati al variare della dimensione delle molecole ospiti, nonché le condizioni termodinamiche di stabilità degli idrati con errori inferiori a 1 °C.

"I diagrammi di fase ottenuti indicano che i clatrati idrati possono essere in equilibrio con l'acqua o le specie ospiti in un ampio intervallo lontano dalla condizione di coesistenza trifase e che la zona di pressione stabile di ciascun clatrato idrato si espande in modo significativo con un raffreddamento intenso".

 

Il risultato

Utilizzando la nuova teoria estesa, il team ha analizzato gli stati dell'acqua sulla luna di Saturno Titano, sulle lune di Giove Europa e Ganimede e su Plutone. E la situazione appare molto diversa sui vari corpi ghiacciati: mentre Europa e Ganimede contengono solo classico ghiaccio a contatto con la sottile atmosfera, tutta l'acqua sulla superficie di Titano, e probabilmente anche su Plutone, è sotto forma di clatrati idrati.
"L'implicazione delle nostre scoperte per la forma stabile dell'acqua in Titano è che l'acqua sulla superficie esiste solo come clatrato idrato [in equilibrio] con l'atmosfera, fino ad una regione poco profonda della crosta; ma il clatrato idrato nella parte rimanente della crosta può coesistere con l'acqua ghiacciata [dell'oceano sotterraneo]. Ciò è in netto contrasto con le superfici di Europa e Ganimede, dove l'aria rarefatta convive esclusivamente con il ghiaccio puro".

Questa nuova ricerca permetterà di elaborare altre teorie e rivedere le attuali interpretazioni sulle forme stabili dell'acqua nello spazio esterno e sui corpi celesti, migliorando la comprensione dell'evoluzione delle atmosfere planetarie. Un altro pezzo del puzzle per conoscere meglio anche il nostro pianeta, il Sistema Solare e l'Universo.