Dacă ați aduce apă lichidă în spațiul cosmic, ar îngheța sau ar fierbe? Vidul din spațiu este teribil de diferit de cel cu care suntem obișnuiți aici pe Pământ. Acolo unde vă aflați acum, înconjurați de atmosfera noastră și relativ aproape de Soare, condițiile sunt tocmai bune pentru ca apa lichidă să existe în mod stabil aproape peste tot pe suprafața planetei noastre, fie că este zi sau noapte.

Dar spațiul este diferit în două moduri extrem de importante: este rece (mai ales dacă nu te afli în lumina directă a soarelui, sau mai departe de steaua noastră) și este cel mai bun vid fără presiune pe care îl cunoaștem. În timp ce presiunea atmosferică standard de pe Pământ reprezintă aproximativ 6 × 10^22 atomi de hidrogen care apasă pe fiecare metru pătrat de la suprafața Pământului și în timp ce cele mai bune camere de vid terestre pot coborî până la aproximativ o trilionime din această valoare, spațiul interstelar are o presiune care este de milioane sau chiar miliarde de ori mai mică decât aceasta!

Cu alte cuvinte, există o scădere incredibilă atât a temperaturii, cât și a presiunii atunci când vine vorba de adâncurile spațiului cosmic, în comparație cu ceea ce avem aici, pe Pământ. Și totuși, asta este ceea ce face ca această întrebare să fie cu atât mai problematică. Vedeți, dacă luați apă lichidă și o plasați într-un mediu în care temperatura se răcește sub zero grade, aceasta va forma cristale de gheață în foarte, foarte scurt timp.

Ei bine, spațiul este foarte, foarte rece. Dacă vorbim de a merge în spațiul interstelar, departe (sau în umbră) de orice stea, singura temperatură provine din strălucirea rămasă de la Big Bang: fondul cosmic de microunde. Temperatura acestei mări de radiații este de numai 2,7 Kelvin, ceea ce este suficient de rece pentru a îngheța hidrogenul solid, cu atât mai puțin apa. Deci, dacă duceți apa în spațiu, aceasta ar trebui să înghețe, nu-i așa?

Nu atât de repede! Pentru că dacă iei apă lichidă și scazi presiunea din mediul înconjurător, aceasta fierbe. S-ar putea să fiți familiarizați cu faptul că apa fierbe la o temperatură mai mică la altitudini mari; acest lucru se datorează faptului că există mai puțină atmosferă deasupra ta și, prin urmare, presiunea este mai mică. Cu toate acestea, putem găsi un exemplu și mai grav al acestui efect dacă punem apă lichidă într-o cameră de vid și apoi evacuăm rapid aerul. Ce se întâmplă cu apa?

Aceasta fierbe, și încă destul de violent! Motivul este că apa, în faza sa lichidă, necesită atât un anumit interval de presiune, cât și un anumit interval de temperaturi. Dacă începeți cu apă lichidă la o anumită temperatură fixă, o presiune suficient de scăzută va face ca apa să fiarbă imediat.

Dar, pe această primă mână, din nou, dacă pornești cu apă lichidă la o presiune dată, fixă, și scazi temperatura, asta va face ca apa să înghețe imediat! Când vorbim despre a pune apă lichidă în vidul din spațiu, vorbim despre a face ambele lucruri simultan: să luăm apa dintr-o combinație temperatură/presiune în care este în mod stabil un lichid și să o mutăm la o presiune mai mică, ceva care o face să vrea să fiarbă, și să o mutăm la o temperatură mai mică, ceva care o face să vrea să înghețe.

Puteți aduce apa lichidă în spațiu (la bordul, să zicem, al stației spațiale internaționale), unde poate fi menținută în condiții asemănătoare cu cele de pe Pământ: la o temperatură și o presiune stabile.

Dar atunci când puneți apa lichidă în spațiu – unde nu mai poate rămâne în stare lichidă – care dintre aceste două lucruri se întâmplă? Îngheață sau fierbe? Răspunsul surprinzător este că le face pe amândouă: mai întâi fierbe și apoi îngheață! Știm acest lucru pentru că așa se întâmpla atunci când astronauții simțeau chemarea naturii în spațiu. Potrivit astronauților care au văzut cu ochii lor:

Când astronauții fac o scurgere în timpul unei misiuni și expulzează rezultatul în spațiu, acesta fierbe violent. Vaporii trec apoi imediat în stare solidă (un proces cunoscut sub numele de desublimare) și se ajunge la un nor de cristale foarte fine de urină înghețată.

Există un motiv fizic convingător pentru acest lucru: căldura specifică ridicată a apei.

Este incredibil de dificil să schimbi rapid temperatura apei, deoarece, chiar dacă gradientul de temperatură este uriaș între apă și spațiul interstelar, apa reține incredibil de bine căldura. În plus, din cauza tensiunii superficiale, apa tinde să rămână în forme sferice în spațiu (așa cum ați văzut mai sus), ceea ce minimizează de fapt suprafața pe care o are la dispoziție pentru a face schimb de căldură cu mediul său sub zero grade. Prin urmare, procesul de înghețare ar fi incredibil de lent, cu excepția cazului în care ar exista o modalitate de a expune fiecare moleculă de apă în mod individual la vidul din spațiu. Dar nu există o astfel de constrângere asupra presiunii; aceasta este efectiv zero în exteriorul apei și, astfel, fierberea poate avea loc imediat, scufundând apa în faza sa gazoasă (vapori de apă)!

Dar atunci când apa fierbe, amintiți-vă cât de mult mai mult volum ocupă gazul decât lichidul și cât de mult se depărtează moleculele. Acest lucru înseamnă că imediat după ce apa fierbe, acești vapori de apă – acum la o presiune efectiv zero – se pot răci foarte rapid! Putem vedea acest lucru pe diagrama de fază pentru apă.

După ce cobori sub aproximativ 210 K, vei intra în faza solidă pentru apă – gheață – indiferent de presiunea pe care o ai. Deci, iată ce se întâmplă: mai întâi apa fierbe, iar apoi ceața foarte fină în care se desprinde prin fierbere îngheață, dând naștere unei rețele subțiri și fine de cristale de gheață. Credeți sau nu, avem o analogie pentru acest lucru aici, pe Pământ! Într-o zi foarte, foarte friguroasă (trebuie să fie aproximativ -30° sau mai puțin pentru ca acest lucru să funcționeze), luați o oală cu niște apă abia fiartă și aruncați-o în aer (departe de fața voastră).

Reducerea rapidă a presiunii (trecerea de la a avea apă deasupra la doar aer) va provoca o fierbere rapidă, iar apoi acțiunea rapidă a aerului extrem de rece asupra vaporilor de apă va determina formarea de cristale înghețate: zăpadă!

Așa că apa fierbe sau îngheață atunci când o duci în spațiu? Da. Da, o face.