太空中飞船排出尿液,为什么会变成雪?

不仅仅只是简单地变成“雪”,而是先“烧”开了。这样的问题其实并不复杂,并且可以在地球上实验证明。我们会有这样的问题主要是因为我们平常都生活在一个“天然气罐”里(一个标准大气压下,101kPa),我们把“气罐”里经常发生的事情称作常识,例如:水烧开需要达到100摄氏度,因此会惯性的得到水放在太空中会结冰,因为水放在冰箱里会结冰,而太空我们并没有去过,太多数看到听到的都是“寒冷的太空”。

不平凡的地球与特殊的水

经过几十年我们对宇宙的探索,我们发现与地球情况相同的星球在宇宙中并不多见。我们发现水是生命之源,苦苦的寻找液态行星,然而至今都没有找到一颗可以与地球媲美的行星。

图:太阳系宜居带

首先它所处的位置需要在星系中的宜居带上,通俗的说就是不能离星系中的恒星太远或太近,太远温度太低水会结冰,太近温度太高水会被“烤”干。如果把太阳系比作一个足球场,宜居带的宽度就像我们用刻刀在球场刻上一条线那么窄。即使行星处于宜居带中也并不代表会有液态水。金星处于宜居带,然而却是一个炼狱,天空中下着硫酸雨。火星处于宜居带,但却一片荒芜,就像地球上的沙漠。

因此,地球上我们所认为的常识,放到宇宙中并不适用。好在科学家发现了一条公理,这条公理和我们上述所说的存在一定的矛盾,但又不矛盾。天文学第一性原理:人类和地球在宇宙中一点都不特殊。

不特殊源于宇宙的浩瀚,哥白尼发现宇宙并非地球的中心,地球在宇宙中连一粒尘埃都算不上,尘埃又何以特殊呢。而后来开普勒的三大定律,牛顿的万有引力都一次次告诉了人类,地球的确不特殊,因为我们在地球上发现的一切物理性质在宇宙中都适用,或者说宇宙中的任意一个角落物理性质都是相同的。

水在宇宙中同样会通过相同的物理过程结冰成固体,会变成气体,不同的是条件不同,变化的窗口期不同。而之所说地球特殊在宇宙中并不容易找,是因为水的状态很特殊,水分子H2O的物质在宇宙中非常多,但是成为水窗口期非常小。

温度与压强

图:参宿七耀眼的蓝光

宇宙中得最高温度为恒星参宿七蓝色超巨星的1.13万度,最低温度则是布莫让星云的零下272度。区间跨度如此之大,在想想地球上50多度,到零下80几度区间,就是在这个微小的区间下,水也是不一样的,因为压强也会影响水的状态。

如果我们烧壶开水,放到保温瓶中,保证水短时间内能保持在72度以上,当你把水瓶带到珠穆朗玛峰峰顶,在拧开水壶的一瞬间,你会感受有一股力想把瓶盖推开,并且水会沸腾。

图:水分子不同压强下与不同温度下的状态关系

弹开盖子的力是因为珠穆朗玛峰海拔高,空气稀薄,气压较低,密闭的保温瓶内压强大,沸腾同样是因为压强低,水分子受更容易挣脱压力得束缚,所以我们经常说青藏高原煮饭会煮不熟,最好是用高压锅来做饭。理解了这些,太空中的问题就好理解了。

答案与实验

我们知道太空是寒冷的,更关键的是太空还是接近于真空的,简单理解就是如果珠穆朗玛峰压强很低,那么太空中就是无限低。那么水究竟会因为压强低沸腾,还是因为温度低而结冰呢?答案是两个都会发生,只不过先后顺序不一样。

图:液态水分子运动

当宇航员掏出一杯水(忽略掏出过程),当这杯水置于太空中的第一时间会立刻剧烈沸腾,因为真空情况下没有任何压力能把水分子聚集在一起,结合成水。而温度的传导需要一定时间,虽然这个时间也极短,但是远没有水本身水分子感受到分子间碰撞来得快。

当水沸腾后,就会分散开来,形成孤立的、气态的水分子。面对这个超级寒冷的的环境,它们会立即冰冻,更准确的说是去升华,转变为冰晶。

图:美国宇航局在轨道上测试水动力航天器

因此,飞船中的尿液排到太空中,发现尿液瞬间沸腾,然后变成一团小小的固态的冰晶是一个真实的故事。

这个过程并非只能像一系列太空实验一样远观,我们在地球上就可以体会这个过程。在冬天,寒冷的地方,我们可以将一壶水烧开,然后泼到空中,你就能体会到你自己制造的“雪”。这就是在太空中的水会先沸腾成水蒸气,然后结成冰晶的答案。