Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học phát triển các mô hình lý thuyết để dự đoán sự hiện diện của clathrate hydrat bên ngoài Trái đất, làm sáng tỏ sự phát triển của các khí quyển khác.
Ngoài nước đá thông thường, nước có thể tồn tại ở dạng chất rắn đặc biệt gọi là clathrate hydrat, có tác dụng bẫy các phân tử khí nhỏ. Chúng đóng một vai trò lớn trong sự tiến hóa của khí quyển, nhưng việc dự đoán sự hiện diện của chúng trong nhiệt độ lạnh là rất khó. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học từ Đại học Okayama đã phát triển lý thuyết cơ học thống kê để xác định sự hiện diện của chúng trong Sao Diêm Vương và một số vệ tinh của Sao Mộc và Sao Thổ, cung cấp thông tin có giá trị để sửa đổi các giải thích hiện có.
Cũng giống như trên Trái đất, nước trên các hành tinh khác, vệ tinh và thậm chí cả sao chổi cũng có nhiều dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như áp suất và nhiệt độ. Ngoài các trạng thái khí, lỏng và rắn mà chúng ta đã quen thuộc, nước có thể tạo thành một loại chất rắn kết tinh khác được gọi là clathrat hydrat. Mặc dù chúng trông tương tự như nước đá, nhưng các hydrat clathrat thực sự có những lồng nhỏ dựa trên nước, trong đó các phân tử nhỏ hơn bị giữ lại. Các phân tử “khách” bị mắc kẹt này rất cần thiết để bảo tồn cấu trúc tinh thể của hydrat clathrat, nếu không sẽ “sụp đổ” thành nước đá hoặc nước thông thường.
Clathrate hydrat đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của bầu khí quyển của một hành tinh hoặc vệ tinh; các khí dễ bay hơi như mêtan được lưu trữ trong các tinh thể này và giải phóng chậm theo các khoảng thời gian địa chất. Do lượng thời gian khổng lồ cần thiết để các hydrat clathrat hình thành và phân ly ở nhiệt độ đông lạnh, người ta đã chứng minh rằng rất khó thực hiện các thí nghiệm trên Trái đất để dự đoán sự hiện diện của chúng trong các thiên thể khác.
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Khoa học Hành tinh (The Planetary Science Journal), một nhóm các nhà khoa học đã giải quyết vấn đề này bằng sự kết hợp của cả lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm. Nhà khoa học chính, Giáo sư Hideki Tanaka từ Đại học Okayama, Nhật Bản, giải thích: “Trong nhiều năm, chúng tôi đã phát triển lý thuyết cơ học thống kê nghiêm ngặt để ước tính và dự đoán hành vi của các hydrat clathrate. Trong nghiên cứu cụ thể này, chúng tôi tập trung vào việc mở rộng lý thuyết này cho phạm vi nhiệt độ đông lạnh – xuống đến giới hạn 0 K. “
Một thách thức đáng chú ý về mặt lý thuyết là thiết lập các điều kiện để hình thành và phân ly hydrat clathrat trong điều kiện cân bằng nhiệt động lực học ở nhiệt độ cực thấp. Điều này là cần thiết để sử dụng mô hình nổi tiếng của nước / hydrat / khách cùng tồn tại trong các hydrat clathrat do Van Der Waals và Platteeuw đề xuất vào năm 1959. Tanaka, Yagasaki và Matsumoto đã sửa đổi lý thuyết này để phù hợp với các điều kiện đông lạnh được tìm thấy bên ngoài Trái đất và được chứng thực giá trị của nó dựa trên dữ liệu nhiệt động lực học được thu thập bởi các tàu thăm dò không gian.
Sau đó, các nhà khoa học sử dụng lý thuyết mới này để phân tích các trạng thái của nước trên mặt trăng Titan của sao Thổ, vệ tinh Europa và Ganymede của sao Mộc, và sao Diêm Vương. Theo mô hình của họ, có một sự tương phản đáng kể trong các dạng nước ổn định được tìm thấy trên các thiên thể này. Trong khi Europa và Ganymede chỉ chứa băng thường xuyên tiếp xúc với bầu khí quyển mỏng, tất cả nước trên bề mặt Titan, và có thể cả sao Diêm Vương, đều ở dạng hydrat clathrat. Tanaka nói: “Điều đáng chú ý là một trạng thái cụ thể của nước chỉ xuất hiện ở các bề mặt vệ tinh và hành tinh khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Đặc biệt, nước ở Titan dường như hoàn toàn ở dạng hydrat clathrat chứa metan tất cả các con đường lên tới bề mặt từ đỉnh của đại dương dưới bề mặt của nó. “
Việc mở rộng lý thuyết sẵn có về hydrat clathrat đến nhiệt độ đông lạnh sẽ cho phép các nhà nghiên cứu chứng thực và sửa đổi các giải thích hiện tại về các dạng nước ổn định trong không gian vũ trụ và trên các thiên thể. Thông tin này sẽ rất cần thiết để hiểu sự tiến hóa của bầu khí quyển hành tinh, mở ra một mảnh ghép khác trong nhiệm vụ tìm hiểu sự tiến hóa của hành tinh chúng ta và phần còn lại của vũ trụ.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Đại học Okayama cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :