Cóż, przestrzeń kosmiczna jest naprawdę, naprawdę zimna. Jeśli mówimy o przestrzeni międzygwiezdnej, z dala (lub w cieniu) od jakichkolwiek gwiazd, jedyna temperatura pochodzi z pozostałości po Wielkim Wybuchu: kosmicznego mikrofalowego tła. Temperatura tego morza promieniowania wynosi zaledwie 2,7 Kelvina, co jest wystarczająco niską temperaturą, aby zamrozić wodór w stanie stałym, a tym bardziej wodę. Jeśli więc zabierzesz wodę w kosmos, powinna zamarznąć, prawda?

Nie tak szybko! Bo jeśli weźmiesz ciekłą wodę i obniżysz ciśnienie w otaczającym ją środowisku, to ona się zagotuje. Być może znasz fakt, że woda wrze w niższej temperaturze na dużych wysokościach; dzieje się tak, ponieważ nad tobą jest mniej atmosfery, a zatem ciśnienie jest niższe. Możemy jednak znaleźć jeszcze ostrzejszy przykład tego efektu, jeśli umieścimy ciekłą wodę w komorze próżniowej, a następnie gwałtownie opróżnimy ją z powietrza. Co się dzieje z wodą?

Woda wrze, i to dość gwałtownie! Powodem tego jest to, że woda, w swojej fazie ciekłej, wymaga zarówno pewnego zakresu ciśnienia, jak i pewnego zakresu temperatur. Jeśli zaczniesz od ciekłej wody w danej stałej temperaturze, wystarczająco niskie ciśnienie spowoduje, że woda natychmiast się zagotuje.

Ale z tej pierwszej strony, znowu, jeśli zaczniesz z ciekłą wodą przy danym, stałym ciśnieniu i obniżysz temperaturę, to spowoduje to natychmiastowe zamarznięcie wody! Kiedy mówimy o umieszczeniu ciekłej wody w próżni kosmicznej, mówimy o robieniu obu rzeczy jednocześnie: zabieraniu wody z kombinacji temperatury i ciśnienia, gdzie jest ona stabilnie cieczą i przenoszeniu jej do niższego ciśnienia, coś co sprawia, że chce się zagotować, i przenoszeniu jej do niższej temperatury, coś co sprawia, że chce się zamrozić.

Możesz zabrać ciekłą wodę w przestrzeń kosmiczną (na pokładzie, powiedzmy, międzynarodowej stacji kosmicznej), gdzie może być przechowywana w warunkach podobnych do ziemskich: w stabilnej temperaturze i ciśnieniu.

Ale kiedy umieścisz ciekłą wodę w przestrzeni kosmicznej – gdzie nie może już pozostać w stanie ciekłym – która z tych dwóch rzeczy się dzieje? Czy zamarza, czy wrze? Zaskakującą odpowiedzią jest to, że dzieje się jedno i drugie: najpierw wrze, a potem zamarza! Wiemy o tym, ponieważ tak właśnie działo się kiedyś, gdy astronauci odczuwali zew natury podczas pobytu w kosmosie. Według astronautów, którzy widzieli to na własne oczy:

Gdy astronauci biorą przeciek podczas misji i wydalają wynik w przestrzeń, gwałtownie wrze. Para przechodzi natychmiast w stan stały (proces znany jako desublimacja), a ty kończysz z chmurą bardzo drobnych kryształków zamrożonego moczu.

Jest ku temu ważny powód fizyczny: wysokie ciepło właściwe wody.

Niewiarygodnie trudno jest szybko zmienić temperaturę wody, ponieważ nawet pomimo ogromnego gradientu temperatur pomiędzy wodą a przestrzenią międzygwiezdną, woda niewiarygodnie dobrze zatrzymuje ciepło. Ponadto, z powodu napięcia powierzchniowego, woda ma tendencję do utrzymywania się w przestrzeni w kształcie kulistym (jak widziałeś powyżej), co w rzeczywistości minimalizuje ilość powierzchni, jaką ma do wymiany ciepła ze swoim niezerowym otoczeniem. Proces zamrażania byłby więc niewiarygodnie powolny, chyba że istniałby jakiś sposób na wystawienie każdej cząsteczki wody z osobna na działanie próżni kosmicznej. Ale nie ma takiego ograniczenia na ciśnienie; jest ono efektywnie zerowe poza wodą, a więc wrzenie może nastąpić natychmiast, pogrążając wodę w fazie gazowej (para wodna)!

Ale kiedy woda wrze, pamiętaj, o ile większą objętość zajmuje gaz niż ciecz, i o ile dalej od siebie oddalają się cząsteczki. Oznacza to, że natychmiast po zagotowaniu wody, ta para wodna – teraz przy zerowym ciśnieniu – może bardzo szybko się ochłodzić! Możemy to zobaczyć na diagramie fazowym wody.

Gdy zejdziesz poniżej około 210 K, wejdziesz w fazę stałą dla wody – lód – bez względu na ciśnienie. Oto co się dzieje: najpierw woda wrze, a następnie bardzo drobna mgiełka, w którą się gotuje, zamarza, dając początek delikatnej, cienkiej sieci kryształków lodu. Wierzcie lub nie, ale mamy analogię do tego tutaj na Ziemi! W bardzo, bardzo zimny dzień (musi być około -30° lub niżej, aby to zadziałało), weź garnek z właśnie gotującą się wodą i wyrzuć ją (z dala od twarzy) w powietrze.

Szybkie obniżenie ciśnienia (przejście z wody na wierzchu do powietrza) spowoduje szybkie wrzenie, a następnie szybkie działanie ekstremalnie zimnego powietrza na parę wodną spowoduje powstanie zamrożonych kryształów: śniegu!

Więc czy woda wrze lub zamarza, gdy wynosisz ją w kosmos? Tak. Tak. Tak się dzieje.