Si vous ameniez de l’eau liquide dans l’espace, gèlerait-elle ou bouillirait-elle ? Le vide de l’espace est terriblement différent de celui auquel nous sommes habitués ici sur Terre. Là où vous vous trouvez actuellement, entouré de notre atmosphère et relativement proche du Soleil, les conditions sont juste bonnes 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 façons extrêmement importantes : il est froid (surtout si vous n’êtes pas en plein soleil, ou plus éloigné 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 que les meilleures chambres à vide terrestres peuvent descendre à environ un trillionième de cette valeur, 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 à la fois de la température et de la pression quand il s’agit des profondeurs de l’espace extra-atmosphérique par rapport à ce que nous avons ici sur Terre. Et pourtant, c’est ce qui rend cette question d’autant plus troublante. Vous voyez, si vous prenez de l’eau liquide et que vous la placez dans un environnement où la température se refroidit en dessous de zéro, elle formera des cristaux de glace en très, très peu de temps.

Bien, l’espace est vraiment, vraiment froid. Si l’on parle d’aller dans l’espace interstellaire, loin (ou à l’ombre) de toute étoile, la seule température provient de la lueur résiduelle du Big Bang : le fond diffus cosmologique. La température de cette mer de rayonnement n’est que de 2,7 kelvins, ce qui est suffisamment froid pour geler l’hydrogène, et encore moins l’eau. Donc, si vous emmenez de l’eau dans l’espace, elle devrait geler, non ?

Pas si vite ! Car si vous prenez de l’eau liquide et que vous faites chuter 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 en 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 grave 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 ?

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

Mais sur cette première main, encore une fois, si vous commencez avec de l’eau liquide à une pression donnée, fixe, et que vous abaissez la température, cela va provoquer la congélation immédiate de l’eau ! Quand on parle de mettre de l’eau liquide dans le vide spatial, on parle de faire les deux choses simultanément : prendre de l’eau à partir d’une combinaison température/pression où elle est stablement liquide et la déplacer vers une pression plus basse, quelque chose qui lui donne envie de bouillir, et la déplacer vers une température plus basse, quelque chose qui lui donne envie de geler.

Vous pouvez amener de l’eau liquide dans l’espace (à bord, disons, 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 l’eau liquide dans l’espace – où elle ne peut plus rester à l’état liquide – laquelle de ces deux choses se produit ? Gèle-t-elle ou bout-elle ? La réponse surprenante est qu’elle fait les deux : elle bout d’abord, puis elle gèle ! Nous le savons parce que c’est ce qui se passait lorsque les astronautes ressentaient l’appel de la nature dans l’espace. Selon les astronautes qui l’ont vu de leurs propres yeux :

Lorsque les astronautes prennent une fuite pendant une mission et expulsent le résultat dans l’espace, celui-ci bout violemment. La vapeur passe alors immédiatement à l’état solide (un processus connu sous le nom de désublimation), et on se retrouve 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 la quantité de surface dont elle dispose pour échanger de la chaleur avec son environnement inférieur à zéro. Le processus de congélation serait donc incroyablement lent, à moins qu’il n’existe un moyen d’exposer chaque molécule d’eau individuellement au vide de l’espace. Mais il n’y a pas de telle contrainte sur la pression ; elle est effectivement nulle à l’extérieur de l’eau, et donc l’ébullition peut avoir lieu immédiatement, plongeant l’eau dans sa phase gazeuse (vapeur d’eau) !

Mais lorsque cette eau bout, rappelez-vous combien le volume occupé par le gaz est supérieur à celui du 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 se refroidir très rapidement ! Nous pouvons voir cela sur le diagramme de phase de l’eau.

Une fois que vous descendez en dessous d’environ 210 K, vous allez entrer dans la phase solide pour l’eau – la glace – quelle que soit votre pression. C’est donc ce qui se passe : d’abord l’eau bout, puis la très fine brume qu’elle dégage en bouillonnant gèle, 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 un pot d’un peu d’eau tout juste bouillante et jetez-le en l’air (loin de votre visage).

La réduction rapide de la pression (passant d’avoir de l’eau dessus à juste 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 : la neige !

Alors, l’eau bout-elle ou gèle-t-elle quand on l’amène dans l’espace ? Oui. Oui. C’est le cas.