Água no Espaço: Congela ou ferve?
Gotas de água podem existir dentro do ambiente pressurizado da Estação Espacial Internacional, mas… envie-as para fora da cabine para o vácuo do espaço, e elas podem não ser mais líquidas. Crédito da imagem: ESA/NASA, de Andre Kuipers.
Se trouxesse água líquida para o espaço exterior, congelaria ou ferveria? O vácuo do espaço é terrivelmente diferente do que estamos acostumados aqui na Terra. Onde você está agora, rodeado pela nossa atmosfera e relativamente perto do Sol, as condições são as adequadas para que a água líquida exista de forma estável em quase toda a superfície do nosso planeta, seja de dia ou de noite.
A pressão gravitacional sobre os gases da nossa atmosfera causa uma pressão superficial substancial, dando… origem a oceanos líquidos. Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center Image de Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument.
Mas o espaço é diferente de duas maneiras extremamente importantes: é frio (especialmente se você não está sob a luz direta do sol, ou mais longe de nossa estrela), e é o melhor vácuo sem pressão que conhecemos. Enquanto a pressão atmosférica padrão na Terra representa cerca de 6 × 10^22 átomos de hidrogênio empurrando para baixo em cada metro quadrado na superfície da Terra, e enquanto as melhores câmaras de vácuo terrestre podem chegar a cerca de um trilhão disso, o espaço interestelar tem uma pressão que é milhões ou até bilhões de vezes menor que isso!
De centenas de milhas para cima, a pressão atmosférica é cerca de 10^18 vezes menor que na superfície da Terra. Ainda mais longe, a pressão cai ainda mais. Crédito da imagem: NASA.
Por outras palavras, há uma queda incrível tanto na temperatura como na pressão quando se trata das profundezas do espaço exterior, em comparação com o que temos aqui na Terra. E no entanto, é isso que torna esta questão ainda mais incómoda. Se tomarmos água líquida e a colocarmos num ambiente onde a temperatura arrefeça até abaixo de zero, ela irá formar cristais de gelo em ordem muito, muito curta.
A formação e crescimento de um floco de neve, uma configuração particular de cristal de gelo. Crédito da imagem:… Vyacheslav Ivanov, do seu vídeo no Vimeo: http://vimeo.com/87342468.
Bem, o espaço é realmente, realmente frio. Se falamos em ir para o espaço interestelar, longe (ou sombreado) de qualquer estrela, a única temperatura vem do brilho dos restos do Big Bang: o Fundo Cósmico de Microondas. A temperatura deste mar de radiação é de apenas 2,7 Kelvin, que é frio o suficiente para congelar o hidrogênio sólido, muito menos água. Então, se você levar água para o espaço, ela deve congelar, certo?
Cristais de gelo que se formam na natureza na superfície da Terra. Crédito da imagem: foto de domínio público pelo usuário ChristopherPluta.
Não tão rápido! Porque se você tomar água líquida e deixar cair a pressão no ambiente ao seu redor, ela ferve. Você pode estar familiarizado com o fato de que a água ferve a uma temperatura mais baixa em altitudes elevadas; isto é porque há menos atmosfera acima de você, e por isso a pressão é menor. Podemos encontrar um exemplo ainda mais grave deste efeito, no entanto, se colocarmos água líquida numa câmara de vácuo, e depois evacuarmos rapidamente o ar. O que acontece com a água?
Ferve, e ferve bastante violentamente! A razão para isto é que a água, na sua fase líquida, requer tanto uma certa gama de pressão como uma certa gama de temperaturas. Se começar com água líquida a uma determinada temperatura fixa, uma pressão suficientemente baixa fará com que a água ferva imediatamente.
Na fase líquida, uma queda significativa da pressão pode resultar num sólido (gelo) ou num gás (água… vapor), dependendo da temperatura e da rapidez com que a transição ocorre. Crédito da imagem: wikimedia commons usuário Matthieumarechal.
Mas, em primeira mão, novamente, se você começar com água líquida a uma determinada pressão fixa, e você baixar a temperatura, isso fará com que a água congele imediatamente! Quando falamos em colocar água líquida no vácuo do espaço, estamos falando em fazer as duas coisas simultaneamente: tirar água de uma combinação de temperatura/pressão onde é estável um líquido e movê-la para uma pressão mais baixa, algo que a faz querer ferver, e movê-la para uma temperatura mais baixa, algo que a faz querer congelar.
Você pode trazer água líquida para o espaço (a bordo, digamos, da estação espacial internacional) onde ela pode ser mantida em condições semelhantes à Terra: a uma temperatura e pressão estáveis.
Mas quando você coloca água líquida no espaço – onde ela não pode mais permanecer como um líquido – qual destas duas coisas acontece? Ela congela ou ferve? A resposta surpreendente é que faz as duas coisas: primeiro ferve e depois congela! Sabemos disso porque era isso que acontecia quando os astronautas sentiam o chamado da natureza enquanto estavam no espaço. De acordo com os astronautas que já o viram por si próprios:
Quando os astronautas urinam durante uma missão e expulsam o resultado para o espaço, ele ferve violentamente. O vapor passa então imediatamente para o estado sólido (um processo conhecido como desublimação), e você acaba com uma nuvem de cristais muito finos de urina congelada.
Existe uma razão física convincente para isto: o alto calor específico da água.
Os aquecedores específicos de vários materiais, elementos e compostos. Note-se que a água líquida tem uma das… maiores capacidades de calor de todas. Crédito da imagem: screenshot da página da Wikipedia para Heat Capacity, via https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
É incrivelmente difícil mudar a temperatura da água rapidamente, porque embora o gradiente de temperatura seja enorme entre a água e o espaço interestelar, a água retém o calor incrivelmente bem. Além disso, devido à tensão superficial, a água tende a permanecer em formas esféricas no espaço (como você viu acima), o que realmente minimiza a quantidade de superfície que ela tem para trocar calor com seu ambiente subzero. Assim, o processo de congelamento seria incrivelmente lento, a menos que houvesse alguma forma de expor individualmente cada molécula de água ao vácuo do próprio espaço. Mas não há tal restrição na pressão; ela é efetivamente zero fora da água, e assim a ebulição pode ocorrer imediatamente, mergulhando a água em sua fase gasosa (vapor de água)!
Mas quando essa água ferver, lembre-se de quanto mais volume o gás ocupa do que o líquido, e quanto mais distante as moléculas ficam. Isto significa que imediatamente após a água ferver, este vapor de água – agora efetivamente a pressão zero – pode esfriar muito rapidamente! Podemos ver isso no diagrama de fases da água.
Um diagrama de fases detalhado da água, mostrando os diferentes estados sólidos (gelo), o estado líquido e… os estados de vapor (gás), e as condições sob as quais eles ocorrem. Crédito da imagem: Wikimedia commons usuário Cmglee.
A partir do momento em que você chegar abaixo de cerca de 210 K, você vai entrar na fase sólida para água – gelo – não importa qual seja a sua pressão. Então é isso que acontece: primeiro a água ferve, e depois a névoa muito fina que ferve até congelar, dando origem a uma ténue e fina rede de cristais de gelo. Acredite ou não, nós temos uma analogia para isso aqui na Terra! Num dia muito, muito frio (tem de ser cerca de -30° ou menos para isto funcionar), pegue numa panela com água a ferver e atire-a (longe da cara) para o ar.
A redução rápida da pressão (passando de ter água em cima para apenas ar) provocará uma rápida ebulição, e depois a acção rápida do ar extremamente frio sobre o vapor de água provocará a formação de cristais congelados: neve!
Atirar água a ferver para o ar na superfície da Terra, quando está suficientemente frio, resultará na… criação de neve, uma vez que a exposição de muitas pequenas superfícies (gotas e gotas) às temperaturas subzero resultam na rápida formação de pequenos cristais de gelo. Crédito da imagem: Mark Whetu, na Sibéria.
Então, a água ferve ou congela quando a traz para o espaço? Sim. Sim. Ferve.