jäätyykö tai kiehuuko vesi avaruudessa?

”merta ei voi ylittää pelkästään seisomalla ja vettä tuijottamalla.”
– Rabindranath Tagore

jos tuot nestemäistä vettä ulkoavaruuteen, jäätyisikö se vai kiehuisiko? Avaruuden tyhjiö on hirveän erilainen kuin mihin olemme tottuneet täällä maan päällä. Missä seisotte nyt, ilmakehämme ympäröimänä ja suhteellisen lähellä Aurinkoa, olosuhteet ovat juuri oikeat nestemäisen veden pysyvälle olemassaololle lähes kaikkialla planeettamme pinnalla, oli se sitten päivä tai yö.

mutta avaruus on erilainen kahdella erittäin tärkeällä tavalla: se on kylmä (varsinkin jos et ole suorassa auringonvalossa tai kauempana tähdestämme), ja se on paras paineeton tyhjiö, jonka tiedämme. Vaikka normaali ilmanpaine maapallolla on noin 6 × 10^22 vetyatomia, jotka työntyvät alas jokaista maan pinnalla olevaa neliömetriä kohti, ja vaikka parhaat maan tyhjiökammiot voivat laskea noin biljoonasosan siitä, tähtienvälisen avaruuden paine on miljoonia tai jopa miljardeja kertoja pienempi!

toisin sanoen sekä lämpötilassa että paineessa on uskomaton pudotus ulkoavaruuden syvyyksissä verrattuna siihen, mitä meillä on täällä maapallolla. Ja silti, se tekee tästä kysymyksestä sitäkin hankalamman.

näet, että jos otat nestemäistä vettä ja asetat sen ympäristöön, jossa lämpötila jäähtyy pakkasen puolelle, se muodostaa jääkiteitä hyvin, hyvin lyhyessä ajassa.

no, avaruus on todella, todella kylmä. Jos puhumme tähtienväliseen avaruuteen menemisestä, kaukana (tai varjostettuna) mistä tahansa tähdestä, ainoa lämpötila tulee alkuräjähdyksen ylijääneestä hehkusta: kosmisesta Mikroaaltotaustasta. Tämän säteilymeren lämpötila on vain 2.7 Kelviniä, joka on tarpeeksi kylmä jäädyttämään vedyn kiinteäksi, saati vettä.

eli jos avaruuteen vie vettä, sen pitäisi jäätyä, vai mitä?

ei niin nopeasti! Koska jos otat nestemäistä vettä ja pudotat painetta ympäröivässä ympäristössä, se kiehuu. Saatat tuntea sen tosiasian, että vesi kiehuu matalammassa lämpötilassa korkealla; tämä johtuu siitä, että yläpuolellasi on vähemmän ilmakehää, ja siten paine on pienempi.

voimme kuitenkin löytää vielä ankaramman esimerkin tästä vaikutuksesta, jos laitamme nestemäistä vettä tyhjiökammioon ja evakuoimme sen jälkeen ilman nopeasti. Mitä vedelle tapahtuu?

it boils, and it boils quite rajusti at that! Syynä tähän on se, että vesi nestefaasissaan vaatii sekä tietyn paine-että lämpötilavälin. Jos aloitat nestemäisellä vedellä tietyssä kiinteässä lämpötilassa, riittävän alhainen paine saa veden kiehumaan välittömästi.

mutta toisaalta, jos aloitat nestemäisellä vedellä tietyssä, kiinteässä paineessa ja lasket lämpötilaa, se aiheuttaa veden välittömästi jäätymisen!

kun puhutaan nestemäisen veden laittamisesta avaruuden tyhjiöön, puhutaan molempien asioiden tekemisestä samanaikaisesti: veden ottaminen lämpötila-paine-yhdistelmästä, jossa se on vakaasti nestettä, ja sen siirtäminen matalampaan paineeseen, mikä saa sen kiehumaan, ja sen siirtäminen alhaisempaan lämpötilaan, mikä saa sen haluamaan jäätyä.

nestemäistä vettä voi tuoda avaruuteen (vaikkapa kansainväliselle avaruusasemalle), jossa sitä voidaan pitää maan kaltaisissa olosuhteissa: vakaassa lämpötilassa ja paineessa.

mutta kun laittaa nestemäistä vettä avaruuteen — jossa se ei voi enää pysyä nesteenä — kumpi näistä kahdesta asiasta tapahtuu? Jäätyykö tai kiehuuko?

yllättävä vastaus on, että se tekee molemmat: ensin kiehuu ja sitten jäätyy! Tiedämme tämän, koska näin kävi, kun astronautit tunsivat luonnon kutsun ollessaan avaruudessa. Astronauttien mukaan, jotka ovat nähneet sen itse.:

kun astronautit vuotavat kesken tehtävän ja karkottavat tuloksen avaruuteen, se kiehuu rajusti. Höyry sitten siirtyy välittömästi kiinteään tilaan (prosessi tunnetaan desublimaatio), ja päädyt pilvi erittäin hienoja kiteitä jäätyneen virtsan.

tähän on pakottava fyysinen syy: veden korkea ominaislämpö.

veden lämpötilaa on uskomattoman vaikea muuttaa nopeasti, sillä vaikka lämpötilagradientti on valtava veden ja tähtienvälisen avaruuden välillä, vesi pitää lämpöä uskomattoman hyvin. Lisäksi pintajännityksen vuoksi vesi pyrkii pysymään avaruudessa pallomaisina muotoina (kuten edellä todettiin), mikä itse asiassa vähentää sen pinta-alan määrää, joka sillä on lämmön vaihtamiseen subzero-ympäristöönsä. Jäätyminen olisi uskomattoman hidasta, – ellei olisi keinoa altistaa jokaista vesimolekyyliä yksitellen avaruuden tyhjiölle.

mutta paineessa ei ole tällaista rajoitusta; se on käytännössä nolla veden ulkopuolella, joten kiehuminen voi tapahtua välittömästi, jolloin vesi syöksyy kaasumaiseen (vesihöyryiseen) faasiinsa!

mutta kun tuo vesi kiehuu, muista, kuinka paljon enemmän kaasua kuluu kuin nestettä ja kuinka paljon kauemmaksi molekyylit etääntyvät toisistaan. Tämä merkitsee sitä, että heti kun vesi kiehuu, tämä vesihöyry — nyt käytännössä nollapaineessa — voi jäähtyä hyvin nopeasti! Katsotaanpa vielä veden vaihekaaviota.

kun jäät alle noin 210 K, siirryt vesijäälle kiinteään vaiheeseen, oli paine mikä tahansa. Näin siis tapahtuu: ensin vesi kiehuu, ja sitten erittäin hieno sumu, joka kiehuu pois jäätymiseksi, mikä synnyttää hataran, hienon jääkiteiden verkoston.

Usko tai älä, meillä on analogia sille täällä maan päällä! Hyvin, hyvin kylmänä päivänä (sen on oltava noin -30° tai alempi, jotta tämä toimisi), ota kattilallinen juuri kiehuvaa vettä ja heitä se (pois kasvoiltasi) ilmaan.

paineen nopea aleneminen (siirtyminen veden päällä olevasta vedestä pelkäksi ilmaksi) aiheuttaa nopean kiehumisen, ja sitten äärimmäisen kylmän ilman nopea toiminta vesihöyryn päällä aiheuttaa jäätyneiden kiteiden muodostumisen: lunta!

kiehuuko tai jäätyykö vesi, kun sitä tuodaan avaruuteen? Niin on.