L’eau gèle-t-elle ou bout-elle dans l’espace ?

« Vous ne pouvez pas traverser la mer simplement en vous tenant debout et en regardant l’eau. »
– Rabindranath Tagore

Si vous ameniez de l’eau liquide dans l’espace, gèlerait-elle ou bouillirait-elle ? Le vide de l’espace est terriblement différent de ce à quoi nous sommes habitués ici sur Terre. Là où vous vous trouvez maintenant, entouré de notre atmosphère et relativement proche du Soleil, les conditions sont idéales pour que l’eau liquide existe de manière stable presque partout à la surface de notre planète, que ce soit le jour ou la nuit.

Mais l’espace est différent de deux manières extrêmement importantes: il fait froid (surtout si vous n’êtes pas en plein soleil, ou plus loin de notre étoile), et c’est le meilleur vide sans pression que nous connaissions. Alors que la pression atmosphérique standard sur Terre représente environ 6 × 10 ^ 22 atomes d’hydrogène poussant sur chaque mètre carré à la surface de la Terre, et alors que les meilleures chambres à vide terrestres peuvent descendre à environ un trillionième de cela, l’espace interstellaire a une pression qui est des millions, voire des milliards de fois plus petite que cela!

En d’autres termes, il y a une chute incroyable de température et de pression dans les profondeurs de l’espace par rapport à ce que nous avons ici sur Terre. Et pourtant, c’est ce qui rend cette question d’autant plus gênante.

Vous voyez, si vous prenez de l’eau liquide et que vous la placez dans un environnement où la température se refroidit au-dessous du point de congélation, elle formera des cristaux de glace en très, très peu de temps.

Eh bien, l’espace est vraiment, vraiment froid. Si nous parlons d’aller dans l’espace interstellaire, loin (ou ombragé) de toutes les étoiles, la seule température provient de la lueur restante du Big Bang: le fond cosmologique des micro-ondes. La température de cette mer de rayonnement n’est que de 2.7 Kelvin, qui est assez froid pour geler l’hydrogène solide, beaucoup moins d’eau.

Donc, si vous prenez de l’eau dans l’espace, elle devrait geler, n’est-ce pas?

Pas si vite! Parce que si vous prenez de l’eau liquide et que vous laissez tomber la pression dans l’environnement qui l’entoure, elle bout. Vous connaissez peut-être le fait que l’eau bout à une température plus basse à haute altitude; c’est parce qu’il y a moins d’atmosphère au-dessus de vous, et donc la pression est plus basse.

Nous pouvons cependant trouver un exemple encore plus sévère de cet effet si nous mettons de l’eau liquide dans une chambre à vide, puis évacuons rapidement l’air. Qu’arrive-t-il à l’eau ?

Ça bout, et ça bout assez violemment à ça! La raison en est que l’eau, dans sa phase liquide, nécessite à la fois une certaine plage de pression et une certaine plage de températures. Si vous commencez avec de l’eau liquide à une température fixe donnée, une pression suffisamment basse fera bouillir immédiatement l’eau.

Mais d’abord, encore une fois, si vous commencez avec de l’eau liquide à une pression fixe donnée et que vous abaissez la température, cela fera que l’eau gèlera immédiatement!

Lorsque nous parlons de mettre de l’eau liquide dans le vide de l’espace, nous parlons de faire les deux choses simultanément: prendre de l’eau à partir d’une combinaison température / pression où c’est un liquide stable et la déplacer à une pression plus basse, quelque chose qui lui donne envie de bouillir, et la déplacer à une température plus basse, quelque chose qui lui donne envie de geler.

Vous pouvez amener de l’eau liquide dans l’espace (à bord, par exemple, de la station spatiale internationale) où elle peut être maintenue dans des conditions semblables à celles de la Terre: à une température et une pression stables.

Mais lorsque vous mettez de l’eau liquide dans l’espace — où elle ne peut plus rester sous forme liquide — laquelle de ces deux choses se produit? Gèle-t-il ou bout-il?

La réponse surprenante est qu’il fait les deux: d’abord il bout et ensuite il gèle! Nous le savons parce que c’est ce qui arrivait lorsque les astronautes ressentaient l’appel de la nature dans l’espace. Selon les astronautes qui l’ont vu par eux-mêmes:

Lorsque les astronautes prennent une fuite pendant une mission et expulsent le résultat dans l’espace, il bout violemment. La vapeur passe alors immédiatement à l’état solide (un processus connu sous le nom de désublimation), et vous vous retrouvez avec un nuage de très fins cristaux d’urine gelée.

Il y a une raison physique convaincante à cela: la chaleur spécifique élevée de l’eau.

Il est incroyablement difficile de changer rapidement la température de l’eau, car même si le gradient de température est énorme entre l’eau et l’espace interstellaire, l’eau retient incroyablement bien la chaleur. De plus, en raison de la tension superficielle, l’eau a tendance à rester dans des formes sphériques dans l’espace (comme vous l’avez vu ci-dessus), ce qui minimise en fait la surface dont elle a besoin pour échanger de la chaleur avec son environnement inférieur à zéro. Le processus de congélation serait donc incroyablement lent, à moins qu’il n’y ait un moyen d’exposer chaque molécule d’eau individuellement au vide de l’espace lui-même.

Mais il n’y a pas une telle contrainte sur la pression; elle est effectivement nulle en dehors de l’eau, et l’ébullition peut donc avoir lieu immédiatement, plongeant l’eau dans sa phase gazeuse (vapeur d’eau)!

Mais lorsque cette eau bout, rappelez-vous combien le gaz prend plus de volume que le liquide et combien les molécules s’éloignent les unes des autres. Cela signifie qu’immédiatement après l’ébullition de l’eau, cette vapeur d’eau — maintenant à une pression effectivement nulle — peut refroidir très rapidement! Jetons un autre coup d’œil au diagramme de phase pour l’eau.

Une fois que vous êtes en dessous d’environ 210 K, vous allez entrer dans la phase solide pour la glace d’eau — quelle que soit votre pression. C’est donc ce qui se passe: d’abord l’eau bout, puis la très fine brume dans laquelle elle bout se fige, donnant naissance à un réseau ténu et fin de cristaux de glace.

Croyez-le ou non, nous avons une analogie pour cela ici sur Terre! Par une journée très, très froide (il doit faire environ -30 ° ou moins pour que cela fonctionne), prenez une casserole d’eau juste bouillante et jetez-la (loin de votre visage) en l’air.

La réduction rapide de la pression (passant de l’eau par-dessus à de l’air) provoquera une ébullition rapide, puis l’action rapide de l’air extrêmement froid sur la vapeur d’eau provoquera la formation de cristaux gelés: de la neige!

L’eau bout-elle ou gèle-t-elle lorsque vous l’amenez dans l’espace? Oui, c’est vrai.