fryser eller kokar vatten i rymden?

” Du kan inte korsa havet bara genom att stå och stirra på vattnet.”
-Rabindranath Tagore

om du tog flytande vatten i yttre rymden, skulle det frysa eller skulle det koka? Rymdens vakuum är väldigt annorlunda än vad vi är vana vid här på jorden. Där du står nu, omgiven av vår atmosfär och relativt nära solen, är förhållandena precis rätt för flytande vatten att stabilt existera nästan överallt på vår planets yta, oavsett om det är dag eller natt.

men rymden är annorlunda på två extremt viktiga sätt: det är kallt (speciellt om du inte är i direkt solljus eller längre bort från vår stjärna), och det är det bästa trycklösa vakuumet vi känner till. Medan standard atmosfärstryck på jorden representerar ca 6 10 ^ 22-väteatomer som trycker ner på varje kvadratmeter vid jordens yta, och medan de bästa terrestriska vakuumkamrarna kan komma ner till ungefär en trilliondel av det, har interstellärt utrymme ett tryck som är miljoner eller till och med miljarder gånger mindre än det!

med andra ord, det finns en otrolig nedgång i både temperatur och tryck när det gäller djupet i yttre rymden jämfört med vad vi har här på jorden. Och ändå är det det som gör denna fråga desto mer besvärlig.

du ser, om du tar flytande vatten och du placerar det i en miljö där temperaturen svalnar till under frysning, kommer det att bilda iskristaller i mycket, mycket kort ordning.

Tja, utrymmet är verkligen, riktigt kallt. Om vi pratar om att gå till interstellärt utrymme, långt borta (eller skuggat) från några stjärnor, kommer den enda temperaturen från kvarvarande glöd från Big Bang: den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Temperaturen på detta hav av strålning är bara 2.7 Kelvin, som är tillräckligt kallt för att frysa väte fast, mycket mindre vatten.

Så om du tar vatten i rymden bör det frysa, eller hur?

inte så snabbt! För om du tar flytande vatten och du släpper trycket i miljön runt det, kokar det. Du kanske känner till det faktum att vatten kokar vid en lägre temperatur vid höga höjder; detta beror på att det finns mindre atmosfär ovanför dig, och därmed är trycket lägre.

Vi kan hitta ett ännu allvarligare exempel på denna effekt, men om vi lägger flytande vatten i en vakuumkammare och sedan snabbt evakuerar luften. Vad händer med vattnet?

det kokar, och det kokar ganska våldsamt på det! Anledningen till detta är att vatten i sin vätskefas kräver både ett visst tryckområde och ett visst temperaturområde. Om du börjar med flytande vatten vid en viss fast temperatur, kommer ett tillräckligt lågt tryck att få vattnet att koka omedelbart.

men på den första sidan, om du börjar med flytande vatten vid ett givet, fast tryck, och du sänker temperaturen, kommer det att få vattnet att frysa omedelbart!

När vi pratar om att sätta flytande vatten i rymdens vakuum talar vi om att göra båda sakerna samtidigt: att ta vatten från en temperatur/tryckkombination där det är stabilt en vätska och flytta den till ett lägre tryck, något som gör att den vill koka och flytta den till en lägre temperatur, något som gör att den vill frysa.

Du kan ta med flytande vatten till rymden (ombord, säg den internationella rymdstationen) där den kan hållas i jordliknande förhållanden: vid en stabil temperatur och tryck.

men när du lägger flytande vatten i rymden — där det inte längre kan förbli som en vätska — vilken av dessa två saker händer? Fryser eller kokar det?

det överraskande svaret är att det gör båda: först kokar det och sedan fryser det! Vi vet detta eftersom det här var vad som brukade hända när astronauterna kände naturens kall i rymden. Enligt astronauterna som har sett det för sig själva:

När astronauterna tar en läcka på ett uppdrag och utvisar resultatet i rymden kokar det våldsamt. Ångan passerar sedan omedelbart i fast tillstånd (en process som kallas desublimation), och du hamnar med ett moln av mycket fina kristaller av frusen urin.

det finns en övertygande fysisk orsak till detta: den höga specifika värmen i vatten.

det är oerhört svårt att ändra temperaturen på vatten snabbt, för även om temperaturgradienten är enorm mellan vattnet och det interstellära utrymmet, håller vattnet värmen otroligt bra. På grund av ytspänning tenderar vatten att förbli i sfäriska former i rymden (som du såg ovan), vilket faktiskt minimerar mängden yta som den måste byta värme med sin subzero miljö. Så frysprocessen skulle vara oerhört långsam, om det inte fanns något sätt att exponera varje vattenmolekyl individuellt för vakuumet i rymden själv.

men det finns ingen sådan begränsning på trycket; det är effektivt noll utanför vattnet, och så kan kokningen ske omedelbart och kasta vattnet i sin gasformiga (vattenånga) fas!

men när det vattnet kokar, kom ihåg hur mycket mer volymgas tar upp än vätska, och hur mycket längre ifrån varandra molekylerna får. Detta innebär att omedelbart efter att vattnet kokar, kan denna vattenånga — nu med effektivt nolltryck — svalna mycket snabbt! Låt oss ta en titt på fasdiagrammet för vatten.

När du kommer under ca 210 K kommer du att gå in i den fasta fasen för vattenis — oavsett vad ditt tryck är. Så det är vad som händer: först kokar vattnet, och sedan fryser den mycket fina dimma som det kokar bort i, vilket ger upphov till ett svagt, fint nätverk av iskristaller.

tro det eller ej, vi har en analogi för det här på jorden! På en mycket, mycket kall dag (det måste vara ca -30 kcal eller lägre för att detta ska fungera), ta en kruka med lite bara kokande vatten och kasta upp det (bort från ditt ansikte) i luften.

den snabba minskningen av trycket (går från att ha vatten ovanpå det till bara luft) kommer att orsaka en snabb koka, och sedan kommer den snabba åtgärden av den extremt kalla luften på vattenångan att orsaka bildandet av frusna kristaller: snö!

så kokar eller fryser vatten när du tar det till rymden? Ja, det gör det.