Vatten i rymden: Fryser eller kokar det?
Vattendroppar kan existera i den trycksatta miljön på den internationella rymdstationen, men… skicka dem utanför kabinen till rymdens vakuum och de kan inte längre vara flytande. Bild: ESA/NASA, av Andre Kuipers.
Om du förde in flytande vatten i rymden, skulle det frysa eller koka? Vakuumet i rymden är väldigt annorlunda än vad vi är vana vid här på jorden. Där du står nu, omgiven av vår atmosfär och relativt nära solen, är förhållandena precis rätt för att flytande vatten ska kunna existera stabilt nästan överallt på vår planets yta, oavsett om det är dag eller natt.
Den gravitationella dragningskraften på gaserna i vår atmosfär orsakar ett betydande yttryck, vilket ger… upphov till flytande oceaner. Bild: NASA Goddard Space Flight Center Bild av Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS-instrumentet.
Men rymden är annorlunda på två extremt viktiga sätt: den är kall (särskilt om du inte befinner dig i direkt solljus, eller om du befinner dig längre bort från vår stjärna), och den är det bästa trycklösa vakuum vi känner till. Medan det normala atmosfäriska trycket på jorden motsvarar ungefär 6 × 10^22 väteatomer som trycker ner på varje kvadratmeter på jordens yta, och medan de bästa jordiska vakuumkammare kan komma ner till ungefär en triljondel av detta, har det interstellära rymden ett tryck som är miljontals eller till och med miljarder gånger mindre än så!
Från flera hundra mils höjd är det atmosfäriska trycket ungefär 10^18 gånger mindre än på jordens… yta. Ännu längre bort sjunker trycket ytterligare. Image credit: NASA.
Med andra ord är det en otrolig minskning av både temperatur och tryck när det gäller djupet av yttre rymden jämfört med vad vi har här på jorden. Och ändå är det just det som gör den här frågan ännu mer besvärlig. Om man tar flytande vatten och placerar det i en miljö där temperaturen kyls ner till under fryspunkten kommer det att bilda iskristaller på mycket, mycket kort tid.
Bildningen och tillväxten av en snöflinga, en särskild konfiguration av iskristaller. Bild:… Vyacheslav Ivanov, från hans video på Vimeo: http://vimeo.com/87342468.
Ja, rymden är verkligen, verkligen kall. Om vi talar om att vi befinner oss i den interstellära rymden, långt bort (eller i skugga) från alla stjärnor, kommer den enda temperaturen från den kvarvarande glöden från Big Bang: den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Temperaturen i detta hav av strålning är endast 2,7 Kelvin, vilket är tillräckligt kallt för att frysa fast väte, och än mindre vatten. Så om man tar med sig vatten ut i rymden borde det frysa, eller hur?
Is-kristaller som bildas i naturen på jordens yta. Image credit: Public domain photo by … user ChristopherPluta.
Not so fast! För om du tar flytande vatten och sänker trycket i miljön runt omkring det, kokar det. Du kanske känner till att vatten kokar vid en lägre temperatur på hög höjd; detta beror på att det finns mindre atmosfär ovanför dig, och därmed är trycket lägre. Vi kan dock hitta ett ännu allvarligare exempel på denna effekt om vi placerar flytande vatten i en vakuumkammare och sedan snabbt evakuerar luften. Vad händer med vattnet?
Det kokar, och det kokar ganska våldsamt dessutom! Orsaken till detta är att vatten i sin flytande fas kräver både ett visst tryckintervall och ett visst temperaturintervall. Om man börjar med flytande vatten vid en given fast temperatur kommer ett tillräckligt lågt tryck att få vattnet att omedelbart koka.
I vätskefasen kan en betydande sänkning av trycket resultera i en fast substans (is) eller en gas (vatten… ånga), beroende på vilken temperatur som råder och hur snabbt övergången sker. Image credit: wikimedia commons user Matthieumarechal.
Men på den första sidan, återigen, om du börjar med flytande vatten vid ett givet, fast tryck, och du sänker temperaturen, kommer det att få vattnet att omedelbart frysa! När vi talar om att placera flytande vatten i rymdens vakuum talar vi om att göra båda sakerna samtidigt: ta vatten från en temperatur/tryckkombination där det stabilt är en vätska och flytta det till ett lägre tryck, något som gör att det vill koka, och flytta det till en lägre temperatur, något som gör att det vill frysa.
Du kan ta med dig flytande vatten till rymden (till exempel ombord på den internationella rymdstationen) där det kan förvaras under jordlika förhållanden: vid en stabil temperatur och ett stabilt tryck.
Men när du placerar flytande vatten i rymden – där det inte längre kan förbli flytande – vilken av dessa två saker händer då? Fryser det eller kokar det? Det överraskande svaret är att det gör både och: först kokar det och sedan fryser det! Vi vet detta eftersom det är vad som brukade hända när astronauter kände sig kallade av naturen när de befann sig i rymden. Enligt astronauterna som själva har sett det:
När astronauterna läcker under ett uppdrag och släpper ut resultatet i rymden kokar det våldsamt. Ångan övergår sedan omedelbart till fast tillstånd (en process som kallas desublimering), och man får ett moln av mycket fina kristaller av frusen urin.
Det finns en övertygande fysikalisk orsak till detta: vattnets höga specifika värme.
Den specifika värmen för olika material, grundämnen och föreningar. Observera att flytande vatten har en av… de högsta värmekapaciteterna av alla. Bildkredit: skärmdump från Wikipedias sida för värmekapacitet, via https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
Det är otroligt svårt att snabbt ändra vattnets temperatur, för även om temperaturgradienten är enorm mellan vattnet och den interstellära rymden så håller vatten värmen otroligt bra. Dessutom tenderar vatten på grund av ytspänningen att hålla sig i sfäriska former i rymden (som du såg ovan), vilket faktiskt minimerar den mängd yta som det har för att utbyta värme med sin minusgraderade omgivning. Så frysningsprocessen skulle vara otroligt långsam, om det inte fanns något sätt att utsätta varje vattenmolekyl individuellt för rymdens vakuum. Men det finns ingen sådan begränsning av trycket; det är i praktiken noll utanför vattnet, och därför kan kokningen äga rum omedelbart, vilket gör att vattnet hamnar i gasform (vattenånga)!
Men när vattnet kokar, kom ihåg hur mycket mer volym gas tar upp än vätska, och hur mycket längre molekylerna kommer ifrån varandra. Detta innebär att omedelbart efter det att vattnet kokar kan denna vattenånga – som nu befinner sig vid praktiskt taget nolltryck – svalna mycket snabbt! Vi kan se detta i fasdiagrammet för vatten.
Ett detaljerat fasdiagram för vatten, som visar de olika tillstånden i fast form (is), flytande form och… ångform (gas), och de förhållanden under vilka de uppstår. Bild: Wikimedia commons user Cmglee.
När du kommer under cirka 210 K kommer du in i vattnets fasta fas – is – oavsett vilket tryck du har. Så det är vad som händer: först kokar vattnet, och sedan fryser den mycket fina dimma som det kokar bort till och ger upphov till ett tunt, fint nätverk av iskristaller. Tro det eller ej, men vi har en analogi för detta här på jorden! En mycket, mycket kall dag (det måste vara cirka -30° eller lägre för att detta ska fungera), ta en kruka med lite precis kokande vatten och kasta upp det (bort från ditt ansikte) i luften.
Den snabba tryckminskningen (från att ha vatten ovanpå till att bara vara luft) kommer att orsaka en snabb kokning, och sedan kommer den extremt kalla luftens snabba verkan på vattenångan att leda till bildandet av frusna kristaller: snö!
Vid kastning av kokande vatten i luften på jordens yta, när det är tillräckligt kallt, kommer det att resultera i… skapandet av snö, eftersom exponeringen av många små ytor (droppar och droppar) för minusgrader resulterar i snabb bildning av små iskristaller. Bild: Mark Whetu, i Sibirien.
Så kokar eller fryser vatten när man tar med det till rymden? Ja. Ja, det gör det.