bevriest of kookt water in de ruimte?
“je kunt de zee niet oversteken door alleen maar naar het water te staren.”
-Rabindranath Tagore
Als u vloeibaar water in de ruimte bracht, zou het bevriezen of zou het koken? Het vacuüm van de ruimte is heel anders dan wat we hier op aarde gewend zijn. Waar je nu staat, omringd door onze atmosfeer en relatief dicht bij de zon, zijn de omstandigheden precies goed voor vloeibaar water om stabiel te bestaan bijna overal op het oppervlak van onze planeet, of het nu dag of nacht is.
maar ruimte is anders op twee uiterst belangrijke manieren: het is koud (vooral als je niet in direct zonlicht bent, of verder van onze ster verwijderd), en het is het beste drukloze vacuüm dat we kennen. Terwijl de standaard atmosferische druk op aarde ongeveer 6 × 10^22 waterstofatomen vertegenwoordigt die op elke vierkante meter aan het aardoppervlak naar beneden duwen, en terwijl de beste aardse vacuümkamers ongeveer een biljoenste daarvan kunnen bereiken, heeft de interstellaire ruimte een druk die miljoenen of zelfs miljarden keren kleiner is dan dat!
met andere woorden, er is een ongelooflijke daling in zowel temperatuur als druk als het gaat om de diepten van de ruimte in vergelijking met wat we hier op aarde hebben. En toch is dat wat deze vraag nog lastiger maakt.
zie je, als je vloeibaar water neemt en je plaatst het in een omgeving waar de temperatuur afkoelt tot onder het vriespunt, zal het ijskristallen vormen in zeer, zeer korte volgorde.
nou, de ruimte is echt, echt koud. Als we het hebben over naar de interstellaire ruimte gaan, ver weg (of in de schaduw) van sterren, komt de enige temperatuur van de overgebleven gloed van de oerknal: de kosmische Microgolfachtergrond. De temperatuur van deze zee van straling is slechts 2.7 Kelvin, die koud genoeg is om waterstof vast te bevriezen, laat staan water.
dus, als je water in de ruimte neemt, zou het moeten bevriezen, toch?
niet zo snel! Want als je vloeibaar water neemt en je verlaagt de druk in de omgeving eromheen, kookt het. Je bent misschien bekend met het feit dat water kookt bij een lagere temperatuur op grote hoogte; Dit is omdat er minder atmosfeer boven je, en dus de druk is lager.
We kunnen echter een nog ernstiger voorbeeld van dit effect vinden als we vloeibaar water in een vacuümkamer plaatsen en dan snel de lucht evacueren. Wat gebeurt er met het water?
het kookt, en het kookt nogal heftig op dat! De reden hiervoor is dat water in zijn vloeibare fase zowel een bepaald drukbereik als een bepaald temperatuurbereik nodig heeft. Als u begint met vloeibaar water bij een bepaalde vaste temperatuur, zal een voldoende lage druk ervoor zorgen dat het water onmiddellijk kookt.
maar aan die eerste hand, opnieuw, als je begint met vloeibaar water bij een bepaalde, vaste druk, en je verlaagt de temperatuur, dat zal ervoor zorgen dat het water onmiddellijk bevriezen!
wanneer we praten over vloeibaar water in het vacuüm van de ruimte, hebben we het over het gelijktijdig doen van beide dingen: water nemen van een temperatuur / druk combinatie waar het stabiel een vloeistof is en het verplaatsen naar een lagere druk, iets waardoor het wil koken, en het verplaatsen naar een lagere temperatuur, iets waardoor het wil bevriezen.
u kunt vloeibaar water naar de ruimte brengen (bijvoorbeeld aan boord van het internationale ruimtestation), waar het in aardse omstandigheden kan worden gehouden: bij een stabiele temperatuur en druk.
maar als je vloeibaar water in de ruimte plaatst — waar het niet langer als vloeistof kan blijven-welke van deze twee dingen gebeurt er dan? Vriest het of kookt het?
het verrassende antwoord is dat het beide doet: eerst kookt het en dan bevriest het! We weten dit omdat dit is wat er gebeurde toen astronauten de roep van de natuur voelden terwijl ze in de ruimte waren. Volgens de astronauten die het zelf gezien hebben:
wanneer de astronauten tijdens een missie een lek maken en het resultaat de ruimte in sturen, kookt het heftig. De damp gaat dan onmiddellijk in de vaste toestand (een proces dat bekend staat als desublimatie), en je eindigt met een wolk van zeer fijne kristallen van bevroren urine.
Er is een dwingende fysische reden hiervoor: de hoge soortelijke warmte van water.
Het is ongelooflijk moeilijk om de temperatuur van water snel te veranderen, omdat, hoewel de temperatuurgradiënt enorm is tussen het water en de interstellaire ruimte, water warmte ongelooflijk goed vasthoudt. Bovendien heeft water vanwege de oppervlaktespanning de neiging om in de ruimte bolvormige vormen te blijven (zoals je hierboven zag), waardoor de hoeveelheid oppervlakte die het nodig heeft om warmte uit te wisselen met zijn subzero-omgeving wordt geminimaliseerd. Dus het vriesproces zou ongelooflijk traag zijn, tenzij er een manier was om elk watermolecuul individueel bloot te stellen aan het vacuüm van de ruimte zelf.
maar er is geen dergelijke beperking op de druk; het is effectief nul buiten het water,en dus het koken kan onmiddellijk plaatsvinden, waardoor het water in zijn gasvormige (waterdamp) fase!
maar als dat water kookt, bedenk dan hoeveel meer volume gas opneemt dan vloeibaar, en hoeveel verder uit elkaar de moleculen komen. Dit betekent dat direct nadat het water kookt, deze waterdamp – nu bij effectief nuldruk-zeer snel kan afkoelen! Laten we nog eens kijken naar het faseschema voor water.
zodra u onder ongeveer 210 K komt, gaat u in de vaste fase voor water — ijs — ongeacht wat uw druk is. Dus dat is wat er gebeurt: eerst kookt het water, en dan de zeer fijne mist die wegkwijnt in bevriest, wat leidt tot een dun, fijn netwerk van ijskristallen.geloof het of niet ,daar hebben we hier op aarde een analogie voor! Op een zeer, zeer koude dag (het moet ongeveer -30° of lager zijn om dit te laten werken), neem een pot kokend water en gooi het (weg van je gezicht) in de lucht.
de snelle verlaging van de druk (van het hebben van water op de top van het naar gewoon lucht) zal leiden tot een snelle kook, en dan de snelle werking van de extreem koude lucht op de waterdamp zal leiden tot de vorming van bevroren kristallen: sneeuw!
dus kookt of bevriest water wanneer u het in de ruimte brengt? Ja, dat doet het.