El agua en el espacio: ¿Se congela o hierve?
Las gotas de agua pueden existir dentro del entorno presurizado de la Estación Espacial Internacional, pero… envíalas fuera de la cabina al vacío del espacio, y ya no podrán ser líquidas. Crédito de la imagen: ESA/NASA, de Andre Kuipers.
Si llevaras agua líquida al espacio exterior, ¿se congelaría o herviría? El vacío del espacio es muy diferente al que estamos acostumbrados aquí en la Tierra. En el lugar en el que te encuentras ahora, rodeado por nuestra atmósfera y relativamente cerca del Sol, las condiciones son las adecuadas para que el agua líquida exista de forma estable en casi toda la superficie de nuestro planeta, ya sea de día o de noche.
La atracción gravitatoria sobre los gases de nuestra atmósfera provoca una presión superficial considerable, dando… lugar a océanos líquidos. Crédito de la imagen: NASA Goddard Space Flight Center Imagen de Reto Stöckli, satélite Terra / instrumento MODIS.
Pero el espacio es diferente en dos aspectos extremadamente importantes: es frío (especialmente si no está en la luz solar directa, o más lejos de nuestra estrella), y es el mejor vacío sin presión que conocemos. Mientras que la presión atmosférica estándar en la Tierra representa alrededor de 6 × 10^22 átomos de hidrógeno empujando hacia abajo en cada metro cuadrado en la superficie de la Tierra, y mientras que las mejores cámaras de vacío terrestres pueden llegar a una trillonésima parte de eso, el espacio interestelar tiene una presión que es millones o incluso miles de millones de veces menor que eso!
Desde cientos de kilómetros de altura, la presión atmosférica es unas 10^18 veces menor que en la superficie… de la Tierra. Incluso más lejos, la presión cae aún más. Crédito de la imagen: NASA.
En otras palabras, hay una increíble caída tanto en la temperatura como en la presión cuando se trata de las profundidades del espacio exterior en comparación con lo que tenemos aquí en la Tierra. Y sin embargo, eso es lo que hace que esta cuestión sea aún más problemática. Verás, si tomas agua líquida y la colocas en un entorno donde la temperatura se enfría por debajo del punto de congelación, formará cristales de hielo en muy, muy poco tiempo.
La formación y el crecimiento de un copo de nieve, una configuración particular de cristal de hielo. Crédito de la imagen:… Vyacheslav Ivanov, de su vídeo en Vimeo: http://vimeo.com/87342468.
Bueno, el espacio es muy, muy frío. Si hablamos de ir al espacio interestelar, lejos (o a la sombra) de cualquier estrella, la única temperatura proviene del resplandor sobrante del Big Bang: el Fondo Cósmico de Microondas. La temperatura de este mar de radiación es de sólo 2,7 Kelvin, que es lo suficientemente frío como para congelar el hidrógeno sólido, y mucho menos el agua. Así que, si llevas agua al espacio, debería congelarse, ¿no?
Cristales de hielo formándose en la naturaleza en la superficie de la Tierra. Crédito de la imagen: foto de dominio público del usuario ChristopherPluta.
¡No tan rápido! Porque si tomas agua líquida y bajas la presión del ambiente que la rodea, hierve. Puede que estés familiarizado con el hecho de que el agua hierve a una temperatura más baja a gran altura; esto se debe a que hay menos atmósfera sobre ti, y por lo tanto la presión es menor. Sin embargo, podemos encontrar un ejemplo aún más grave de este efecto si ponemos agua líquida en una cámara de vacío y luego evacuamos rápidamente el aire. ¿Qué ocurre con el agua?
Hierve, y lo hace de forma bastante violenta. La razón es que el agua, en su fase líquida, requiere tanto un cierto rango de presión como un cierto rango de temperaturas. Si se comienza con agua líquida a una temperatura fija determinada, una presión lo suficientemente baja hará que el agua hierva inmediatamente.
En la fase líquida, la disminución de la presión de forma significativa puede dar lugar a un sólido (hielo) o a un gas (vapor de agua), dependiendo de cuál sea la temperatura y de la rapidez con la que se produzca la transición. Crédito de la imagen: wikimedia commons user Matthieumarechal.
Pero en esa primera mano, de nuevo, si empiezas con agua líquida a una presión determinada y fija, y bajas la temperatura, ¡eso hará que el agua se congele inmediatamente! Cuando hablamos de poner agua líquida en el vacío del espacio, estamos hablando de hacer ambas cosas simultáneamente: tomar el agua de una combinación de temperatura/presión en la que es establemente un líquido y moverla a una presión más baja, algo que hace que quiera hervir, y moverla a una temperatura más baja, algo que hace que quiera congelarse.
Puedes llevar agua líquida al espacio (a bordo, digamos, de la estación espacial internacional) donde puede mantenerse en condiciones similares a las de la Tierra: a una temperatura y presión estables.
Pero cuando pones agua líquida en el espacio -donde ya no puede permanecer como líquido- ¿cuál de estas dos cosas sucede? ¿Se congela o hierve? La sorprendente respuesta es que hace ambas cosas: ¡primero hierve y luego se congela! Lo sabemos porque esto es lo que ocurría cuando los astronautas sentían la llamada de la naturaleza mientras estaban en el espacio. Según los astronautas que lo han comprobado por sí mismos:
Cuando los astronautas tienen una fuga durante una misión y expulsan el resultado al espacio, éste hierve violentamente. El vapor pasa entonces inmediatamente al estado sólido (un proceso conocido como desublimación), y se termina con una nube de finísimos cristales de orina congelada.
Hay una razón física de peso para ello: el elevado calor específico del agua.
Los calores específicos de diversos materiales, elementos y compuestos. Obsérvese que el agua líquida tiene una de… las capacidades caloríficas más altas de todas. Crédito de la imagen: captura de pantalla de la página de Wikipedia sobre Capacidad calorífica, vía https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
Es increíblemente difícil cambiar la temperatura del agua rápidamente, porque aunque el gradiente de temperatura es enorme entre el agua y el espacio interestelar, el agua retiene el calor increíblemente bien. Además, debido a la tensión superficial, el agua tiende a permanecer en formas esféricas en el espacio (como has visto arriba), lo que en realidad minimiza la cantidad de superficie que tiene para intercambiar calor con su entorno bajo cero. Así que el proceso de congelación sería increíblemente lento, a menos que hubiera alguna forma de exponer cada molécula de agua individualmente al vacío del propio espacio. Pero no hay tal restricción en la presión; es efectivamente cero fuera del agua, y así la ebullición puede tener lugar inmediatamente, sumergiendo el agua en su fase gaseosa (vapor de agua)!
Pero cuando el agua hierve, recuerde cuánto más volumen ocupa el gas que el líquido, y cuánto más separadas están las moléculas. Esto significa que inmediatamente después de la ebullición del agua, este vapor de agua -ahora a presión cero- puede enfriarse muy rápidamente. Podemos ver esto en el diagrama de fases del agua.
Un diagrama de fases detallado del agua, que muestra los diferentes estados sólidos (hielo), el estado líquido y… los estados de vapor (gas), y las condiciones en las que se producen. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia commons Cmglee.
Una vez que te sitúes por debajo de los 210 K, entrarás en la fase sólida del agua -el hielo- sin importar la presión. Así que eso es lo que ocurre: primero el agua hierve, y luego la finísima niebla en la que hierve se congela, dando lugar a una tenue y fina red de cristales de hielo. Lo creas o no, tenemos una analogía de esto aquí en la Tierra. En un día muy, muy frío (tiene que estar a unos -30º o menos para que esto funcione), coge una olla con agua recién hervida y lánzala (lejos de tu cara) al aire.
La rápida reducción de la presión (pasando de tener agua encima a sólo aire) provocará una rápida ebullición, y luego la rápida acción del aire extremadamente frío sobre el vapor de agua provocará la formación de cristales congelados: ¡nieve!
Tirar agua hirviendo en el aire de la superficie de la Tierra, cuando hace suficiente frío, dará lugar a la… creación de nieve, ya que la exposición de muchas superficies pequeñas (gotas y gotitas) a las temperaturas bajo cero dan lugar a la rápida formación de diminutos cristales de hielo. Crédito de la imagen: Mark Whetu, en Siberia.
¿Así que el agua hierve o se congela al llevarla al espacio? Sí. Sí. Lo hace.