Voda vře i mrzne téměř současně. V laboratoři napodobili procesy z ledových měsíců velkých planet

Voda „u nás“ za běžného tlaku zkrátka při teplotě pod 0 °C mrzne a při teplotě nad 100 °C vře.

Oproti tomu za velmi nízkých tlaků a jistých velmi nízkých teplot, které odpovídají velmi tenkým a chladným atmosférám některých ledových měsíců velkých planet a podobných vesmírných těles, se může stát, že se voda někdy jakoby „neumí rozhodnout“, jestli zmrzne, nebo se naopak vypaří. Nízká teplota ji sice „nutí“ zmrznout a ztuhnout, avšak velmi nízký tlak až vakuum naopak podporují její bouřlivé vypařování, tedy var, a přeměnu v plyn (vodní páru).

Takové poměry skutečně panují či panovaly na řadě malých a zmrzlých těles Sluneční soustavy. U určitých z nich vědci zpozorovali náznaky rozsáhlých vodních rezervoárů v jejich nitru a někdy se mohlo stát, že se část vody různými puklinami vylila ven na jejich povrch. Podle vědců se voda takto u různých těles vylévala na povrch před desítkami, stovkami milionů a někdy až před miliardami let.

Zvláštní způsoby chování však může voda vykazovat i v prostředí Marsu, které je o něco méně extrémní.

Čeští geofyzici Petr Brož a Vojtěch Patočka spolu se třemi dalšími kolegy z Velké Británie se rozhodli v praxi vystavit v laboratoři větší objemy vody podobným „proti sobě působícím“ podmínkám, které panují či panovaly na povrchu řady malých ledových těles.

Následně zjistili, jaké bouřlivé, protikladné a složité procesy a interakce mezi vodou, ledem a vodní párou vznikají.

Dá se v podstatě říct, že tím napodobili tzv. výlevný vodní kryovulkanismus, kdy se z nitra malého zmrzlého tělesa na povrch vylévá kapalná voda, která se rychle mění v led, ale i prochází varem, a to skoro zároveň a v těsné blízkosti. Jejich výzkum byl zveřejněn 23. července v odborném časopise Earth and Planetary Science Letters.

Mezinárodní tým vedený Petrem Brožem z Geofyzikálního ústavu Akademie věd ČR během experimentů umístil až 17 litrů lehce osolené vody do speciální nízkotlakové komory na Open University ve Velké Británii, která na výzkumu spolupracovala. Jakmile se tlak v komoře snížil na úroveň blízkou vakuu, voda se při nízké teplotě začala vařit, prudce se odpařovala, avšak díky nízké teplotě skoro současně i mrzla, uvádí tisková zpráva Geofyzikálního ústavu AV ČR.

„Zjistili jsme, že proces tuhnutí vody v prostředí s velmi nízkým tlakem je složitější, než se dosud předpokládalo,“ říká hlavní autor studie Petr Brož.

„Za nízkého tlaku voda vře i při nízkých teplotách, protože není za daných podmínek v kapalném stavu stabilní. Její vypařování přitom způsobuje, že rychle chladne a následně mrzne. Ledová krusta, která se tvoří na její hladině, je ale opakovaně narušována bublinami vodní páry vznikající v důsledku jejího varu. Bubliny led nadzvedávají a lámou, čímž se celý proces mrznutí zpomaluje, komplikuje a výrazně prodlužuje,“ vysvětluje vědec.

„Vzniklá ledová vrstva je porézní, a tedy slabá. Celý proces vření, vypařování a mrznutí se tak může několikrát opakovat,“ doplňuje spoluautor studie Vojtěch Patočka z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze.

Vědci se domnívají, že jejich experimenty pomohou lépe rozpoznat známky výlevného kryovulkanismu nejen na ledových měsících, ale také na dalších tělesech Sluneční soustavy.

„Povrchové nerovnosti vznikající hromaděním vodní páry pod ledem by mohly být rozpoznatelné na radarových datech pořízených kosmickými sondami,“ dodává Vojtěch Patočka.

Pozorování by mohlo pomoci tento geologický proces lépe pochopit a získané poznatky využít při plánování budoucích misí k těmto vzdáleným světům. Návštěva pozůstatků výlevných kryovulkanických erupcí by totiž dovolila lépe prozkoumat, co se pod povrchem těchto světů nachází, a tím odhalit, jaké tam panují podmínky, uzavírá tisková zpráva tuzemského geofyzikálního ústavu.

Autoři článku dále uvádějí: „Pozorujeme, že podpovrchový var a s ním spojená tvorba bublin významně ovlivňují rychlost a způsob zmrazování. Stoupající pára deformuje led a způsobuje jeho praskání, což uvolňuje podpovrchový tlak. Jakmile je tlak uvolněn, podzemní kapalná voda je opět vystavena sníženému atmosférickému tlaku, což spustí nový cyklus intenzivního varu, tvorby bublin, deformace ledu a následného praskání. A tento cyklus se navíc mnohokrát opakuje. Tím se prodlužuje doba varu a zamrznutí.“

Dále podle svých slov pozorují, že lámání ledu a hromadění par pod vrstvou ledu vytváří nerovný povrch, charakterizovaný hrboly a prohlubněmi o výšce několika centimetrů. „To ukazuje, že tuhnutí ledu během kryovulkanických erupcí je pravděpodobně velmi složitý proces. Navíc bublinky páry v ledu často zamrzají… A ten je tak vlastně porézní! Bude tak mít úplně jiné radarové vlastnosti než led pozemský.“