Sur Terre, entourée de l’atmosphère et relativement proche du Soleil, l’eau peut exister stablement à l’état liquide partout à la surface de la planète. Mais dans l’espace, les conditions sont bien différentes : la température et la pression subissent des variations drastiques. Dans ce contexte et dans un tel milieu, l’eau se mettrait-elle donc à geler ou à bouillir ?
Contrairement à la surface de la Terre, l’espace est un environnement extrêmement froid, notamment lorsque l’on se trouve loin de toute étoile. En outre, la pression y est extrêmement faible. Tandis que la pression atmosphérique terrestre standard représente environ 6×1022 atomes d’hydrogène exerçant une pression sur chaque mètre carré de la surface planétaire, la pression de l’espace est plusieurs millions, voire plusieurs milliards de fois, inférieure à celle-ci.
Au-delà de l’atmosphère de la Terre, la température et la pression chutent donc relativement brutalement. Éloignée de toute source de chaleur stellaire, la seule température baignant l’espace est celle du fond diffus cosmologique, soit -270.45 °C. Cette température étant bien inférieure au point de congélation de l’eau, cette dernière devrait donc logiquement directement geler dans un tel environnement.
Toutefois, la température n’est pas la seule propriété physique à affecter l’état de la matière. La pression joue également un rôle essentiel. En effet, si la pression chute dans un environnement contenant de l’eau liquide, celle-ci va se mettre à bouillir. C’est un constat qui se fait aisément en haute altitude, où l’eau bout en dessous de 100 °C, car l’atmosphère y est amoindrie et donc la pression également. De la même manière, de l’eau liquide placée dans une chambre à vide se mettra à bouillir rapidement et intensément.
Une vidéo montrant la manière dont l’eau se met à bouillir une fois placée dans une chambre à vide :
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Dans l’espace intersidéral, où la température et la pression sont basses, l’eau gèle-t-elle ou bout-elle alors ? La réponse est : les deux. Premièrement, elle bout, et ensuite elle gèle.
Ce constat a été fait lorsque des astronautes en Sortie Extra-Véhiculaire (EVA) autour de la Station spatiale internationale ont uriné, et que cette urine a été éjectée dans l’espace : l’urine se met à bouillir violemment, puis la vapeur passe à l’état solide (un processus appelée sublimation inverse) pour finir en un nuage de cristaux d’urine.
La raison de ce phénomène tient à la capacité thermique de l’eau. En effet, l’eau est un composé retenant extrêmement bien la chaleur. En outre, en raison à la tension de surface, l’eau tend à adopter une forme sphérique dans l’espace, minimisant ainsi la surface d’échange thermique avec un environnement à température négative.
Le processus de congélation est donc très lent. Il serait pratiquement immédiat si chaque molécule d’eau était exposée individuellement au vide spatial. Au regard de la pression environnante extrêmement basse, l’eau se met donc immédiatement à bouillir, passant de l’état liquide à l’état gazeux. Mais une fois transformée en gaz, les molécules sont bien plus distantes les unes des autres. Cela signifie que la vapeur d’eau (à pression effectivement nulle) refroidit très rapidement.
En dessous des -63.5 °C, l’eau passe de l’état gazeux à l’état solide (la glace), peu importe la pression. Donc, dans l’espace, l’eau liquide commence tout d’abord à violemment bouillir puis à se vaporiser, refroidissant ensuite rapidement jusqu’à se solidifier, donnant finalement naissance à un réseau de fins cristaux de glace.