zmrzne nebo vaří voda ve vesmíru?
“ nemůžete překročit moře jen tak, že stojíte a zíráte na vodu.“
– Rabíndranáth Tagore
Pokud jste přivedli tekutou vodu do vesmíru, zamrzla By nebo by se vařila? Vakuum vesmíru je strašně odlišné od toho, na co jsme zvyklí tady na Zemi. Kde stojíte teď, obklopen naší atmosféry a relativně blízko ke Slunci, jsou podmínky právě pro tekuté vody, aby stabilně existují téměř všude na povrchu naší planety, ať už je den nebo noc.
Ale prostor je odlišný ve dvou velmi důležitých ohledech: je zima (a to zejména pokud nejste na přímém slunečním světle, nebo dál od naší hvězdy), a je to to nejlepší, bez tlaku vakuum, které známe. Zatímco standardní atmosférický tlak na Zemi představuje asi 6 × 10^22 atomů vodíku tlačí na každý čtvereční metr Zemského povrchu, a zatímco nejlepší pozemní vakuové komory mohou získat až o jednu triliontinu, že mezihvězdný prostor má tlak, který je miliony nebo dokonce miliardy krát menší než to!
jinými slovy, tam je neuvěřitelný pokles teploty a tlaku, když přijde do hlubin vesmíru ve srovnání s tím, co máme zde na Zemi. A ještě, to je to, co dělá tuto otázku o to více znepokojující.
vidíte, že pokud vezmete tekutou vodu a umístíte ji do prostředí, kde se teplota ochladí pod bod mrazu, vytvoří ledové krystaly ve velmi, velmi krátkém pořadí.
no, prostor je opravdu, opravdu chladný. Pokud mluvíme o tom, že půjdeme do mezihvězdného prostoru, daleko (nebo stínované) od jakýchkoli hvězd, jediná teplota pochází ze zbytkové záře z velkého třesku: kosmického mikrovlnného pozadí. Teplota tohoto moře záření je pouze 2.7 Kelvin, který je dostatečně studený, aby zmrazil vodík, mnohem méně vody.
takže pokud vezmete vodu do vesmíru, měla by zmrznout, že?
ne tak rychle! Protože pokud vezmete tekutou vodu a snížíte tlak v prostředí kolem ní, vaří se. Možná jste obeznámeni s tím, že voda vaří při nižší teplotě ve vysokých nadmořských výškách; je to proto, že nad vámi je méně atmosféry, a proto je tlak nižší.
můžeme najít ještě závažnější příklad tohoto účinku, pokud však vložíme kapalnou vodu do vakuové komory a poté rychle evakuujeme vzduch. Co se stane s vodou?
to vře, a to vře docela násilně na to! Důvodem je to, že voda ve své kapalné fázi vyžaduje jak určitý rozsah tlaku, tak určitý rozsah teplot. Pokud začnete s kapalnou vodou při dané pevné teplotě, dostatečně nízký tlak způsobí, že se voda okamžitě vaří.
ale z první ruky, znovu, pokud začnete s kapalnou vodou při daném pevném tlaku a snížíte teplotu, způsobí to, že voda okamžitě zamrzne!
Když mluvíme o uvedení kapalné vody ve vakuu vesmíru, mluvíme o tom, dělat obě věci současně: odběr vody z teploty/tlaku kombinace, kde je stabilně kapaliny a pohybující se na nižší tlak, něco, co nutí k varu, a pohybující se na nižší teplotu, něco, co je chcete zmrazit.
můžete přivést tekutou vodu do vesmíru (na palubě, řekněme, Mezinárodní vesmírné stanice), kde může být udržována v podmínkách podobných Zemi: při stabilní teplotě a tlaku.
Ale když dáte tekuté vody v prostoru — tam, kde to již nemůže zůstat jako kapalina — který z těchto dvou věcí se stane? Zmrazí nebo vaří?
překvapivá odpověď je, že dělá obojí: nejprve se vaří a pak zamrzne! Víme to, protože to se stalo, když astronauti cítili volání přírody ve vesmíru. Podle astronautů, kteří to viděli sami:
když astronauti během mise uniknou a výsledek vypudí do vesmíru, prudce se vaří. Pára pak okamžitě přechází do pevného stavu (proces známý jako desublimace) a skončíte s oblakem velmi jemných krystalů zmrzlé moči.
existuje přesvědčivý fyzický důvod: vysoké specifické teplo vody.
je velmi těžké změnit teplotu vody rychle, protože i přesto, že teplotní gradient je obrovský mezi vodou a mezihvězdného prostoru, voda drží teplo neuvěřitelně dobře. Kromě toho, protože povrchové napětí, voda má tendenci zůstat v kulovitých tvarů v prostoru (jak jsme viděli výše), které ve skutečnosti minimalizovat množství plochy má k výměně tepla s jeho subzero prostředí. Takže proces zmrazení by byl neuvěřitelně pomalý, pokud by neexistoval nějaký způsob, jak vystavit každou molekulu vody jednotlivě vakuu samotného prostoru.
ale neexistuje žádné takové omezení tlaku; je účinně nulový mimo vodu, a tak může dojít k varu okamžitě a ponořit vodu do fáze plynné (vodní páry)!
Ale když se voda vaří, si vzpomenout, jak mnohem větší objem plynu trvá, než kapaliny, a jak daleko od sebe molekuly. To znamená, že ihned poté, co se voda vaří, může tato vodní pára — nyní při účinně nulovém tlaku — velmi rychle vychladnout! Podívejme se znovu na fázový diagram vody.
jakmile se dostanete pod 210 K, vstoupíte do pevné fáze pro vodu-led-bez ohledu na to, jaký je váš tlak. Takže to je to, co se stane: nejprve voda vaří, a pak velmi jemná mlha, která se vaří, zamrzne, což vede k jemné, jemné síti ledových krystalů.
Věřte tomu nebo ne, máme pro to analogii tady na Zemi! Ve velmi, velmi chladném dni (musí to být asi -30° nebo nižší, aby to fungovalo), vezměte hrnec nějaké právě vařící vody a vyhoďte ji (od obličeje) do vzduchu.
rychlé snížení tlaku (s vodou na vrcholu, to jen vzduch) způsobí rychlý vařit, a pak rychle akce velmi studeného vzduchu na vodní páry způsobí vznik zmrazené krystaly: sníh!
takže voda vaří nebo zamrzne, když ji přivedete do vesmíru? Ano, je.