为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(1)

地球上的水和水的一些常识

据我们目前所知,地球在宇宙中是一个另类的存在,不说宇宙,我们现实一点,综观整个太阳系,没有一颗星球像我们地球母亲这样平静和蔼可亲!虽然它有时也发发脾气,你说哪个母亲还不教育孩子呢!哈哈。在我们地球上水可以以液体的形式稳定的存在,我们一出生就生活在这颗蓝宝石上,水对我们来说习以为常,以至于我们都不去考虑液态水这种物质在宇宙中是多么的稀有。

那我们地球上有多少水呢?我们看几个形象的数据。如果你把地球上水打包称一下,它的重量将超过10^18吨,这个包裹的大小比有史以来最大的小行星还要大,和冥王星的大卫星卡戎相当。总的来说,这是很多很多水,足够填满一个直径1385千米的球体!

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(2)

即使在地球上液态水也只能在符合标准情况下存在,假如,你把一杯温水放到海拔高的地方,它就可能沸腾,变为气体,高度越高沸点越低。那么为什么大气压变低水的沸点也会降低呢?

因为在地球正常的大气温度下,水分子具有一定的动能,并以一定的平均速度运动。而平均速度下就有一些比较活跃的分子具有很高的动能,它就有足够的能量逃离液相变成气体;这时大气压就会提供一个反作用力把这些调皮捣蛋的水分子按在水里。所以增加大气压,水就更难以气体的形式逸出;降低大气压,水就沸腾了。引申到我们生活中这就是为什么高压锅里的水,沸点更高,但是在高海拔地区,还没烧呢水就开了。(如果想多了解关于热力学分子运动可以戳链接细说麦克斯韦妖的诞生和消亡史,它为人类带来两个深刻物理学意义)

另一方面,水在低温下也不能成为液体。你可以从下图中看到如果你从液态水开始,可以通过降低压强把水变成气体,也可以通过降低温度把它变成固体。

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(3)

我们已经了解水的三种状态关系了。所以问题来了:

如果你把一杯水带到外层空间,这杯水会有怎样的结局:

回答这个问题需要了解外层空间。一提到外层空间,我们脑海里第一印象就是:寒冷、黑暗、空荡荡。

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(4)

宇宙空间的温度,是大爆炸138亿年以后冷却剩下的辐射余温。这就是我们常说的宇宙微波背景辐射,整个宇宙的温度只有2.7开尔文。如果你在太空不让自己受太阳、地球和周围所有其他热源的辐射,那么外空就是这么刺激凉爽!

这个温度仅比绝对零度高不到3度,也就是零下455华氏度,零下270.45摄氏度。所以当我们把人类送上太空时,就必须保持合适的温度和压力。但在国际空间站这样的封闭环境中,水的行为除了失重外与地球上的非常相似。

但是,如果你把一杯水水放到温度极低压强为零外太空,会发生什么?水是在低温下结冰,还是在没有压力的情况下沸腾?

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(5)

事实证明,压力真空会导致水的相位立刻发生转变,水几乎是立即沸腾变为气态,而相对于温度来说则需要相当长的时间才能下降到让水转变为固态的温度。换句话说,沸腾的效果比冷冻的效果快。

那么还有个问题,沸腾的水分子去哪了?水在太空中沸腾,就有一些孤立的水分子处于气态,但在一个非常非常冷的环境下!这些微小的水蒸气会立即冻结,并变成冰晶。

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(6)

其实宇航员经常能看到这种现象:当宇航员将飞船内的尿排到太空时,水会剧烈沸腾。然后蒸发立即进入固态,最终形成一团非常细小的冰冻尿液晶体。

泼水成冰的科学原理

为什么太空物体会结冰(太空中的水会发生什么)(7)

通过描述有没有想体验下这种神奇的现象。其实在东北的冬天有很多人都干过同样的事,(虽然有些人不成功,倒是泼了自己一身水)如果你拿着一杯开水,在一个非常非常寒冷的日子,把它洒向空中,会发生什么?

由于用力洒出去的一瞬间,水的表面积急剧增加,导致水分子高速运动,这时水就立刻沸腾为蒸汽。由于外界温度特别低,然后蒸汽又立即凝结形成冰晶。我们就看到了上图中美丽的景象!这也是太空中水所发生的现象。

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