宇宙の水。 凍るのか沸騰するのか？
国際宇宙ステーションの加圧環境では水滴は存在できますが、…キャビンの外に出して真空の宇宙にすると、もはや液体ではいられなくなるのです。 Image credit: ESA/NASA, of Andre Kuipers.
もし液体の水を宇宙空間に持ち込んだら、それは凍るだろうか、それとも沸騰するだろうか？ 宇宙の真空は地球上のそれと大きく異なる。
大気中の気体の重力により、かなりの地表圧がかかり、液体の海が誕生するのです。 画像出典：NASAゴダード宇宙飛行センター Image by Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument.
しかし宇宙は2つの非常に重要な点で異なっています：寒いこと（特に直射日光が当たらない場合や我々の星から遠い場合）、そして我々が知る中で最高の無圧真空であることです。 地球の標準的な大気圧は、地表の1平方メートルあたり約6×10^22個の水素原子が押し下げられていることを表し、地上の最高の真空室はその約1兆分の1まで下げることができますが、星間空間の圧力はその数百倍、数十億倍です！
数百マイルの高さから、大気圧は地表の10^18倍ほど低くなっています。 さらに遠くへ行くと、気圧はさらに下がります。 Image credit: NASA.
言い換えれば、宇宙空間の深さでは、温度と圧力の両方が、ここ地球でのものに比べて信じられないほど低下しているのです。 しかし、それがこの問題をより厄介なものにしているのです。
氷の結晶の1つである雪の結晶の形成と成長。 画像出典：… Vyacheslav Ivanov、Vimeo の彼のビデオより。 http://vimeo.com/87342468.
さて、宇宙は本当に、本当に寒いです。 どの星からも遠く離れた（あるいは影になった）星間空間に行くと、唯一の温度はビッグバンからの残り火である宇宙マイクロ波背景放射に由来しています。 この放射線の海の温度はわずか2.7ケルビンで、これは水素を固めるのに十分な温度であり、ましてや水を凍らせるのには十分な温度です。 つまり、水を宇宙に運べば凍るはずですよね？
地球表面で野生の氷の結晶ができる様子。 Image credit: public domain photo by … user ChristopherPluta.
そうではありません! なぜなら、液体の水を、その周りの環境の圧力を下げると、沸騰してしまうからです。 高所では水が低い温度で沸騰することはよく知られていると思いますが、これは上空の大気が少ないため、圧力が低くなるためです。 しかし、液体の水を真空容器に入れ、急速に空気を抜くと、この効果をより顕著に見ることができます。
水は沸騰し、それもかなり激しく沸騰します。 なぜかというと、液相の水は、ある範囲の圧力とある範囲の温度の両方を必要とするからです。
液相では、圧力を大きく下げると、温度と転移の速さによって、固体（氷）にも気体（水…蒸気）にもなることがあります。 Image credit: wikimedia commons user Matthieumarechal.
しかしその最初の手では、やはり、ある一定の圧力で液体の水からスタートして、温度を下げると、それはすぐに水が凍ることになるのです 真空の宇宙空間に液体の水を置くというのは、安定して液体である温度と圧力の組み合わせから水を取り出し、沸騰したくなるような低い圧力に移動させ、凍りたくなるような低い温度に移動させるという、両方のことを同時にやっているのです。
液体の水を宇宙（例えば国際宇宙ステーション）に持っていくと、安定した温度と圧力で、地球のような状態に保つことができるのです。 凍るのでしょうか、それとも沸騰するのでしょうか？ まず沸騰し、次に凍結するのです。 これは、かつて宇宙飛行士が宇宙で自然の力を感じたときに起こったことだからです。 自分の目で見た宇宙飛行士によると、
宇宙飛行士がミッション中に小便をして、その結果を宇宙空間に放出すると、それは激しく沸騰するそうです。
これには説得力のある物理的な理由があります：水の高い比熱です。 なお、液体の水の比熱は…最も高いもののひとつです。 画像引用元：Wikipedia「熱容量」ページのスクリーンショット、via https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
水と星間空間の間には大きな温度勾配があるのに、水は信じられないほどよく熱を保持するので、水の温度を急激に変化させることは非常に困難である。 さらに、表面張力の関係で、水は宇宙空間では球状を保つ傾向があり（上で見たように）、氷点下の環境と熱交換する表面積を実際最小にします。 そのため、水分子を1つ1つ宇宙の真空にさらさない限り、凍結のプロセスは非常に遅くなります。 しかし、圧力にはそのような制約はなく、水の外側は事実上ゼロなので、沸騰はすぐに起こり、水は気体（水蒸気）相に突入します！
しかし、水が沸騰すると、気体は液体よりもどれだけ多くの体積を取り、分子はどれだけ遠くなるかを覚えておいてください。 つまり、水が沸騰した直後は、実質的に圧力がゼロになったこの水蒸気は、非常に急速に冷却される可能性があるのです!
水の詳細な相図。固体（氷）状態、液体状態、蒸気（気体）状態の違い、およびそれらが発生する条件を示しています。 Image credit: Wikimedia commons user Cmglee.
約210K以下になると、どんな圧力でも、水にとっての固相-氷-に入ることになる。 つまり、まず水が沸騰し、沸騰してできた非常に細かい霧が凍り、氷の結晶の網目が細かくなっていくわけです。 信じられないかもしれませんが、地球にもそのような現象があります。
圧力の急速な低下(水がある状態から空気だけになる)によって、急速な沸騰が起こり、次に水蒸気に極寒の空気が素早く作用して、凍った結晶(雪)が形成されます!
地表の空気に沸騰した水を投げ込むと、十分に冷えたときに…雪ができます。多くの小さな表面（滴や水滴）が氷点下の温度にさらされ、小さな氷の結晶が急速に形成されるからです。 Image credit: Mark Whetu, in Siberia.
では、水を宇宙に持ち込むと、沸騰したり凍ったりするのでしょうか？ はい、そうです。 はい、そうです。