fryser eller koger vand i rummet?
“Du kan ikke krydse havet blot ved at stå og stirre på vandet.”
-Rabindranath Tagore
Hvis du bragte flydende vand ind i det ydre rum, ville det fryse eller koge det? Rumvakuumet er meget forskelligt fra det, vi er vant til her på jorden. Hvor du står nu, omgivet af vores atmosfære og relativt tæt på Solen, er betingelserne lige rigtige for, at flydende vand stabilt eksisterer næsten overalt på vores planets overflade, hvad enten det er dag eller nat.
men rummet er forskelligt på to ekstremt vigtige måder: det er koldt (især hvis du ikke er i direkte sollys eller længere væk fra vores stjerne), og det er det bedste trykløse vakuum, vi kender til. Mens standard atmosfærisk tryk på jorden repræsenterer omkring 6 liter 10^22 hydrogenatomer, der skubber ned på hver kvadratmeter på jordens overflade, og mens de bedste jordbaserede vakuumkamre kan komme ned til omkring en Billiontedel af det, har interstellært rum et tryk, der er millioner eller endda milliarder gange mindre end det!
med andre ord er der et utroligt fald i både temperatur og tryk, når det kommer til dybden af det ydre rum sammenlignet med det, vi har her på jorden. Og alligevel er det det, der gør dette spørgsmål endnu mere besværligt.
ser du, hvis du tager flydende vand og placerer det i et miljø, hvor temperaturen afkøles til under frysepunktet, vil den danne iskrystaller i meget, meget kort rækkefølge.
Nå, rummet er virkelig, virkelig koldt. Hvis vi taler om at gå til det interstellære rum, langt væk (eller skygget) fra nogen stjerner, kommer den eneste temperatur fra den resterende glød fra Big Bang: den kosmiske Mikrobølgebaggrund. Temperaturen på dette hav af stråling er kun 2.7 Kelvin, som er kold nok til at fryse hydrogen fast, meget mindre vand.
så hvis du tager vand ud i rummet, skal det fryse, ikke?
ikke så hurtigt! Fordi hvis du tager flydende vand, og du taber trykket i miljøet omkring det, koger det. Du er måske bekendt med det faktum, at vand koger ved en lavere temperatur i store højder; dette skyldes, at der er mindre atmosfære over dig, og derfor er trykket lavere.
Vi kan dog finde et endnu mere alvorligt eksempel på denne effekt, hvis vi sætter flydende vand i et vakuumkammer og derefter hurtigt evakuerer luften. Hvad sker der med vandet?
det koger, og det koger ganske voldsomt på det! Årsagen til dette er, at vand i sin flydende fase kræver både et bestemt trykområde og et bestemt temperaturområde. Hvis du starter med flydende vand ved en given fast temperatur, vil et lavt nok tryk få vandet til at koge straks.
men på den første hånd igen, hvis du starter med flydende vand ved et givet fast tryk, og du sænker temperaturen, vil det medføre, at vandet straks fryser!
Når vi taler om at sætte flydende vand i rummets vakuum, taler vi om at gøre begge ting samtidigt: at tage vand fra en temperatur/trykkombination, hvor det er stabilt en væske og flytte det til et lavere tryk, noget der får det til at koge og flytte det til en lavere temperatur, noget der får det til at fryse.
Du kan bringe flydende vand til rummet (ombord, siger den internationale rumstation), hvor den kan opbevares under jordlignende forhold: ved en stabil temperatur og tryk.
men når du lægger flydende vand i rummet — hvor det ikke længere kan forblive som en væske — hvilken af disse to ting sker? Fryser eller koger det?
det overraskende svar er, at det gør begge dele: først koger det og derefter fryser det! Vi ved dette, fordi det var det, der plejede at ske, da astronauter følte naturens kald, mens de var i rummet. Ifølge astronauterne, der har set det for sig selv:
når astronauterne tager en lækage, mens de er på mission og uddriver resultatet i rummet, koger det voldsomt. Dampen passerer derefter straks ind i fast tilstand (en proces kendt som desublimering), og du ender med en sky af meget fine krystaller af frossen urin.
Der er en overbevisende fysisk grund til dette: den høje specifikke varme af vand.
det er utroligt svært at ændre vandets temperatur hurtigt, for selvom temperaturgradienten er enorm mellem vandet og det interstellære rum, holder vandet varmen utroligt godt. På grund af overfladespænding har vand desuden en tendens til at forblive i sfæriske former i rummet (som du så ovenfor), hvilket faktisk minimerer mængden af overfladeareal, det har til at udveksle varme med dets under nul miljø. Så fryseprocessen ville være utrolig langsom, medmindre der var en måde at udsætte hvert vandmolekyle individuelt for selve rumets vakuum.
men der er ingen sådan begrænsning på trykket; det er effektivt nul uden for vandet, og så kogningen kan finde sted straks og kaste vandet ind i dets gasformige (vanddamp) fase!
men når det vand koger, husk hvor meget mere volumen gas optager end væske, og hvor meget længere fra hinanden molekylerne får. Dette betyder, at straks efter at vandet koger, kan denne vanddamp — nu ved effektivt nultryk-afkøle meget hurtigt! Lad os tage et andet kig på fasediagrammet for vand.
Når du kommer under omkring 210 K, kommer du ind i den faste fase for vandis — uanset hvad dit tryk er. Så det er hvad der sker: først koger vandet, og derefter fryser den meget fine tåge, som det koger væk i, hvilket giver anledning til et tyndt, fint netværk af iskrystaller.
tro det eller ej, vi har en analogi for det her på jorden! På en meget, meget kold dag (det skal være omkring -30 liter eller lavere for at dette kan fungere), tag en gryde med noget bare kogende vand og smid det op (væk fra dit ansigt) i luften.
den hurtige reduktion i tryk (går fra at have vand oven på det til bare luft) vil forårsage en hurtig kogning, og derefter vil den hurtige handling af den ekstremt kolde luft på vanddampen forårsage dannelse af frosne krystaller: sne!
så koger vand eller fryser, når du bringer det til rummet? Ja, det gør det.