冈山大学 各种笼形水合物在低温范围内的离解压力
每条曲线的上部区域表示笼形水合物的稳定边界
(在笼形水合物的离解曲线和每个天体的热力学条件中，相似的颜色被用来表示客体物种
)学分:冈山大学田中秀树2021
就像在地球上一样，其他行星、卫星甚至彗星上的水也有多种形式，取决于压力和温度等多种因素
除了我们习惯的气态、液态和固态之外，水可以形成一种不同类型的结晶固体，称为笼形水合物
虽然它们看起来像冰，但笼形水合物实际上有小的水基笼子，里面有小分子
这些被捕获的“客体”分子对于保存笼形水合物的晶体结构是必不可少的，否则会“坍塌”成常规的冰或水
笼形水合物在行星或卫星大气的演化中起着至关重要的作用；甲烷等挥发性气体储存在这些晶体中，并在地质时间尺度内缓慢释放
由于笼形水合物在低温下形成和分解需要大量的时间，已经证明在地球上进行实验以预测它们在其他天体中的存在是非常困难的
在最近发表在《行星科学杂志》上的一项研究中，一组科学家结合理论和实验数据解决了这个问题
日本冈山大学的首席科学家田中秀树教授解释说:“多年来，我们一直在发展严格的统计力学理论来估计和预测笼形水合物的行为
在这项特殊的研究中，我们把重点放在将这一理论扩展到低温范围——低至0 K极限
" 一个值得注意的挑战是从理论上确定在极低温度下热力学平衡条件下笼形水合物的形成和解离条件
这对于在1959年范德瓦尔斯和普拉特尤提出的笼形水合物中使用著名的水/水合物/客体共存模型是必要的
田中、八木和松本修正了这一理论，以适应在地球之外发现的低温条件，并基于空间探测器收集的热力学数据证实了其有效性
然后，科学家们利用这一新理论分析了土星的卫星土卫六、木星的卫星木卫二和木卫三以及冥王星的水的状态
根据他们的模型，在这些天体上发现的稳定形式的水形成了显著的对比
木卫二和木卫三只含有与稀薄大气接触的规则冰，而土卫六表面的所有水，可能还有冥王星，都是以笼形水合物的形式存在的
田中说:“根据温度和压力，水的一种特殊状态只出现在不同的卫星和行星表面，这是很了不起的。”
特别是，泰坦中的水似乎完全以含甲烷的笼形水合物的形式从其地下海洋的顶部一直到表面
" 将关于笼形水合物的现有理论扩展到低温，将使研究人员能够证实和修正目前对外层空间和天体上稳定水形态的解释
这些信息对于理解行星大气的演化是必不可少的，解开了我们探索地球和宇宙其余部分演化的另一个谜团
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