Víz az űrben: Megfagy vagy felforr?
A vízcseppek létezhetnek a Nemzetközi Űrállomás nyomás alatti környezetében, de… küldjük ki őket a kabinból az űr vákuumába, és már nem lehetnek folyékonyak. Képhitel: ESA/NASA, Andre Kuipers.
Ha folyékony vizet vinnénk az űrbe, megfagyna vagy felforrna? Az űr vákuuma borzasztóan más, mint amihez itt a Földön hozzászoktunk. Ahol most állunk, a légkörünkkel körülvéve és viszonylag közel a Naphoz, ott éppen megfelelőek a feltételek ahhoz, hogy a folyékony víz stabilan létezzen szinte mindenhol a bolygónk felszínén, akár nappal, akár éjszaka van.
A légkörünkben lévő gázok gravitációs vonzása jelentős felszíni nyomást okoz, ami… folyékony óceánokat eredményez. Image credit: NASA Goddard Space Flight Center Image by Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument.
A világűr azonban két rendkívül fontos szempontból más: hideg (különösen, ha nem közvetlen napfényben vagy a csillagunktól távolabb vagyunk), és a legjobb nyomás nélküli vákuum, amit ismerünk. Míg a Földön a szokásos légköri nyomás körülbelül 6 × 10^22 hidrogénatom nyomását jelenti minden négyzetméterre a Föld felszínén, és míg a legjobb földi vákuumkamrák ennek körülbelül egy billiomod részéig képesek lejutni, a csillagközi űrben ennél több milliószor, sőt milliárdszor kisebb a nyomás!
A légköri nyomás több száz kilométeres magasságból mintegy 10^18-szor kisebb, mint a Föld… felszínén. Még távolabb a nyomás még tovább csökken. Kép hitel: NASA.
Más szóval, mind a hőmérséklet, mind a nyomás hihetetlenül lecsökken a világűr mélységeiben ahhoz képest, ami itt a Földön van. És mégis, ez az, ami még inkább zavaróvá teszi ezt a kérdést. Tudják, ha veszünk folyékony vizet, és olyan környezetbe helyezzük, ahol a hőmérséklet fagypont alá hűl, akkor nagyon-nagyon rövid idő alatt jégkristályokat képez.
A hópehely kialakulása és növekedése, egy különleges jégkristály-konfiguráció. Képhitel:… Vjacseszlav Ivanov, a Vimeo-n található videójából: http://vimeo.com/87342468.
Hát, az űr nagyon-nagyon hideg. Ha arról beszélünk, hogy a csillagközi térbe megyünk, távol (vagy árnyékban) minden csillagtól, az egyetlen hőmérsékletet az ősrobbanásból visszamaradt ragyogás adja: a kozmikus mikrohullámú háttér. Ennek a sugárzási tengernek a hőmérséklete mindössze 2,7 Kelvin, ami elég hideg ahhoz, hogy megfagyjon a hidrogén, még kevésbé a víz. Tehát, ha vizet viszünk az űrbe, annak meg kell fagynia, igaz?
Jégkristályok képződnek a vadonban a Föld felszínén. Image credit: public domain photo by … user ChristopherPluta.
Nem olyan gyorsan! Mert ha veszünk folyékony vizet, és csökkentjük a körülötte lévő környezet nyomását, akkor felforr. Talán ismerős lehet neked, hogy nagy magasságban alacsonyabb hőmérsékleten forr a víz; ez azért van, mert kevesebb a légkör feletted, és így kisebb a nyomás. Még súlyosabb példáját találjuk azonban ennek a hatásnak, ha folyékony vizet teszünk egy vákuumkamrába, majd gyorsan kiürítjük a levegőt. Mi történik a vízzel?
Felforr, méghozzá elég hevesen! Ennek az az oka, hogy a víz folyékony fázisban egy bizonyos nyomástartományt és egy bizonyos hőmérséklettartományt is igényel. Ha folyékony vízzel kezdünk egy adott rögzített hőmérsékleten, akkor egy elég alacsony nyomás hatására a víz azonnal forrni kezd.
A folyékony fázisban a nyomás jelentős csökkentése szilárd (jég) vagy gáz (víz… gőz) állapotot eredményezhet, attól függően, hogy milyen a hőmérséklet és milyen gyorsan történik az átmenet. Image credit: wikimedia commons user Matthieumarechal.
Az első kézből viszont megint csak az, hogy ha folyékony vízzel indulunk egy adott, rögzített nyomáson, és csökkentjük a hőmérsékletet, akkor a víz azonnal megfagy! Amikor arról beszélünk, hogy folyékony vizet teszünk az űr vákuumába, akkor arról beszélünk, hogy egyszerre csináljuk a két dolgot: egy olyan hőmérséklet/nyomás kombinációból, ahol a víz stabilan folyékony, átvisszük egy alacsonyabb nyomásra, ami miatt forrni akar, és egy alacsonyabb hőmérsékletre, ami miatt meg akar fagyni.
A folyékony vizet el lehet vinni az űrbe (mondjuk a nemzetközi űrállomás fedélzetére), ahol a Földhöz hasonló körülmények között tartható: stabil hőmérsékleten és nyomáson.
De amikor folyékony vizet juttatunk az űrbe – ahol már nem tud folyékony maradni – melyik történik a két dolog közül? Megfagy vagy felforr? A meglepő válasz az, hogy mindkettő: először forr, majd megfagy! Ezt onnan tudjuk, hogy régen ez történt, amikor az űrhajósok az űrben érezték a természet hívó szavát. Az űrhajósok szerint, akik saját szemükkel látták ezt:
Amikor az űrhajósok küldetés közben szivárognak, és az eredményt kilökik az űrbe, hevesen forrni kezd. A gőz ezután azonnal szilárd állapotba megy át (ez a folyamatot deszublimációnak nevezik), és a végén a fagyott vizelet nagyon finom kristályaiból álló felhőt kapunk.
Ennek van egy meggyőző fizikai oka: a víz magas fajhője.
A különböző anyagok, elemek és vegyületek fajhője. Vegyük észre, hogy a folyékony víznek van az egyik… legnagyobb hőkapacitása. Képhitel: képernyőkép a Wikipédia Hőkapacitás oldaláról, via https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
A víz hőmérsékletét hihetetlenül nehéz gyorsan megváltoztatni, mert bár a víz és a csillagközi tér között hatalmas a hőmérsékleti gradiens, a víz hihetetlenül jól tartja a hőt. Ráadásul a felületi feszültség miatt a víz hajlamos gömb alakban maradni az űrben (ahogy fentebb láttad), ami tulajdonképpen minimalizálja azt a felületet, amin hőcserére képes a fagypont alatti környezetével. Tehát a fagyasztási folyamat hihetetlenül lassú lenne, hacsak nem lenne mód arra, hogy minden egyes vízmolekulát külön-külön kitegyünk magának az űr vákuumának. De a nyomásnak nincs ilyen korlátja; a vízen kívül gyakorlatilag nulla, és így a forrás azonnal bekövetkezhet, a víz gáznemű (vízgőz) fázisba kerül!”
De amikor a víz felforr, ne feledjük, hogy a gáz sokkal nagyobb térfogatot foglal el, mint a folyadék, és hogy a molekulák mennyivel távolabb kerülnek egymástól. Ez azt jelenti, hogy közvetlenül a víz felforrása után ez a vízgőz – most már gyakorlatilag nulla nyomáson – nagyon gyorsan lehűlhet! Ezt láthatjuk a víz fázisdiagramján.
A víz részletes fázisdiagramja, amely a különböző szilárd (jég) állapotokat, a folyékony és… a gőz (gáz) állapotokat, valamint az ezek bekövetkezésének feltételeit mutatja. Image credit: Wikimedia commons user Cmglee.
Amint körülbelül 210 K alá érünk, a víz szilárd fázisába – a jégbe – lépünk, függetlenül attól, hogy mekkora a nyomás. Tehát ez történik: először a víz felforr, majd a nagyon finom köd, amivé szétforrt, megfagy, és egy vékony, finom jégkristályhálózat keletkezik belőle. Akár hiszed, akár nem, erre van egy analógiánk itt a Földön! Egy nagyon-nagyon hideg napon (kb. -30°-nak vagy annál alacsonyabbnak kell lennie ahhoz, hogy ez működjön), vegyünk egy edényt némi éppen forró vízzel, és dobjuk fel (az arcunktól távolabb) a levegőbe.
A gyors nyomáscsökkenés (a víz tetején lévő vízből csak levegő lesz) gyors forrást okoz, majd a rendkívül hideg levegő gyors hatása a vízgőzre fagyott kristályok kialakulását okozza: hó!
Ha a Föld felszínén forró vizet dobunk a levegőbe, ha az elég hideg, akkor… hó keletkezik, mivel a sok kis felület (cseppek és cseppek) a fagypont alatti hőmérsékletnek való kitettsége apró jégkristályok gyors kialakulását eredményezi. Image credit: Mark Whetu, in Siberia.
Szóval a víz forr vagy megfagy, ha az űrbe visszük? Igen. Igen, így van.