L’acqua si congela o bolle nello spazio?

“Non puoi attraversare il mare semplicemente stando in piedi e fissando l’acqua.”
-Rabindranath Tagore

Se hai portato acqua liquida nello spazio esterno, si congelerebbe o bollirebbe? Il vuoto dello spazio è terribilmente diverso da quello a cui siamo abituati qui sulla Terra. Dove ti trovi ora, circondato dalla nostra atmosfera e relativamente vicino al Sole, le condizioni sono giuste perché l’acqua liquida esista stabilmente quasi ovunque sulla superficie del nostro pianeta, sia che si tratti di giorno o di notte.

Ma lo spazio è diverso in due modi estremamente importanti: fa freddo (specialmente se non sei alla luce diretta del sole, o più lontano dalla nostra stella), ed è il miglior vuoto senza pressione che conosciamo. Mentre la pressione atmosferica standard sulla Terra rappresenta circa 6 × 10 ^ 22 atomi di idrogeno che spingono verso il basso su ogni metro quadrato sulla superficie terrestre, e mentre le migliori camere a vuoto terrestri possono scendere a circa un trilionesimo di quello, lo spazio interstellare ha una pressione che è milioni o addirittura miliardi di volte più piccola di quella!

In altre parole, c’è un incredibile calo sia della temperatura che della pressione quando si tratta delle profondità dello spazio esterno rispetto a quello che abbiamo qui sulla Terra. Eppure, questo è ciò che rende questa domanda ancora più fastidiosa.

Vedi, se prendi acqua liquida e la metti in un ambiente in cui la temperatura si raffredda al di sotto dello zero, formerà cristalli di ghiaccio in un ordine molto, molto breve.

Bene, lo spazio è davvero, davvero freddo. Se parliamo di andare nello spazio interstellare, lontano (o ombreggiato) da qualsiasi stella, l’unica temperatura proviene dal bagliore residuo del Big Bang: lo sfondo delle microonde cosmiche. La temperatura di questo mare di radiazioni è solo 2.7 Kelvin, che è abbastanza freddo da congelare l’idrogeno solido, molto meno acqua.

Quindi, se prendi l’acqua nello spazio, dovrebbe congelarsi, giusto?

Non così veloce! Perché se prendi acqua liquida e fai cadere la pressione nell’ambiente circostante, bolle. Potresti avere familiarità con il fatto che l’acqua bolle ad una temperatura più bassa ad alta quota; questo perché c’è meno atmosfera sopra di te, e quindi la pressione è più bassa.

Possiamo trovare un esempio ancora più grave di questo effetto, tuttavia, se mettiamo acqua liquida in una camera a vuoto e quindi evacuiamo rapidamente l’aria. Cosa succede all’acqua?

Bolle, e bolle abbastanza violentemente! La ragione di ciò è che l’acqua, nella sua fase liquida, richiede sia un certo intervallo di pressione che un certo intervallo di temperature. Se si inizia con acqua liquida ad una determinata temperatura fissa, una pressione abbastanza bassa farà bollire immediatamente l’acqua.

Ma su quella prima mano, ancora una volta, se si inizia con acqua liquida ad una determinata pressione fissa e si abbassa la temperatura, ciò causerà il congelamento immediato dell’acqua!

Quando parliamo di mettere acqua liquida nel vuoto dello spazio, stiamo parlando di fare entrambe le cose contemporaneamente: prendendo l’acqua da una combinazione temperatura / pressione in cui è stabilmente un liquido e spostandola a una pressione più bassa, qualcosa che fa venire voglia di bollire, e spostandola a una temperatura più bassa, qualcosa che fa venire voglia di congelare.

Puoi portare acqua liquida nello spazio (a bordo, ad esempio, della stazione spaziale internazionale) dove può essere mantenuta in condizioni simili alla Terra: a una temperatura e una pressione stabili.

Ma quando si mette acqua liquida nello spazio — dove non può più rimanere come un liquido — quale di queste due cose accade? Si congela o bolle?

La risposta sorprendente è che fa entrambe le cose: prima bolle e poi si blocca! Lo sappiamo perché questo è ciò che accadeva quando gli astronauti sentivano il richiamo della natura mentre erano nello spazio. Secondo gli astronauti che l’hanno visto di persona:

Quando gli astronauti prendono una perdita durante una missione ed espellono il risultato nello spazio, bolle violentemente. Il vapore passa quindi immediatamente allo stato solido (un processo noto come desublimazione), e si finisce con una nuvola di finissimi cristalli di urina congelata.

C’è una ragione fisica convincente per questo: l’alto calore specifico dell’acqua.

È incredibilmente difficile cambiare rapidamente la temperatura dell’acqua, perché anche se il gradiente di temperatura è enorme tra l’acqua e lo spazio interstellare, l’acqua trattiene il calore incredibilmente bene. Inoltre, a causa della tensione superficiale, l’acqua tende a rimanere in forme sferiche nello spazio (come hai visto sopra), il che in realtà riduce al minimo la quantità di superficie che deve scambiare calore con il suo ambiente sottozero. Quindi il processo di congelamento sarebbe incredibilmente lento, a meno che non ci fosse un modo per esporre ogni molecola d’acqua individualmente al vuoto dello spazio stesso.

Ma non esiste un tale vincolo sulla pressione; è effettivamente zero al di fuori dell’acqua, e quindi l’ebollizione può avvenire immediatamente, immergendo l’acqua nella sua fase gassosa (vapore acqueo)!

Ma quando l’acqua bolle, ricorda quanto più volume occupa il gas rispetto al liquido e quanto più distanti si allontanano le molecole. Ciò significa che immediatamente dopo che l’acqua bolle, questo vapore acqueo — ora a pressione effettivamente zero-può raffreddarsi molto rapidamente! Diamo un’altra occhiata al diagramma di fase per l’acqua.

Una volta che si arriva al di sotto di circa 210 K, si sta andando ad entrare nella fase solida per acqua — ghiaccio — non importa quale sia la pressione è. Ecco cosa succede: prima l’acqua bolle, e poi la nebbia finissima che bolle via si congela, dando origine a una tenue e sottile rete di cristalli di ghiaccio.

Che ci crediate o no, abbiamo un’analogia per questo qui sulla Terra! In una giornata molto, molto fredda (deve essere di circa -30° o inferiore per funzionare), prendi una pentola di acqua appena bollente e gettala in aria (lontano dalla tua faccia).

La rapida riduzione della pressione (passando dall’avere acqua sopra di essa alla sola aria) causerà una rapida ebollizione, e quindi la rapida azione dell’aria estremamente fredda sul vapore acqueo causerà la formazione di cristalli congelati: neve!

Così l’acqua bolle o si congela quando la porti nello spazio? Si’, e ‘cosi’.