Voda ve vakuu při nízké teplotě vře i mrzne. Nový objev pomůže při zkoumání Sluneční soustavy

Chování vody na Zemi je dobře známé – za běžného tlaku při teplotě pod 0 °C mrzne a při teplotě nad 100 °C vře. Vědce zajímalo, co se s vodou stane na povrchu světů s extrémně nízkým atmosférickým tlakem nebo dokonce vakuem, jako jsou třeba ledové měsíce Europa nebo Enceladus. Přestože voda v kapalném stavu na povrchu těchto těles dosud přímo pozorována nebyla, vědci se domnívají, že se tam občas může dostat, a to konkrétně během procesu známého jako výlevný kryovulkanismus. Jde o jev, kdy z nitra těchto světů uniká voda či jiné těkavé látky.

Tým vedený dr. Petrem Brožem z Geofyzikálního ústavu Akademie věd ČR během experimentů umístil několik litrů vody do speciální nízkotlakové komory na Open University ve Velké Británii, jejíž vědci na výzkumu také spolupracovali. Jakmile se tlak v komoře snížil na úroveň podobnou vakuu, voda se při nízké teplotě vařila, prudce se odpařovala a mrzla současně.

Schematický model znázorňující hlavní části fázového přechodu vody za sníženého atmosférického tlaku (zdroj: Petr Brož a kol. 2025)

„Zjistili jsme, že proces tuhnutí vody v prostředí s velmi nízkým tlakem je složitější, než se dosud předpokládalo,“ říká hlavní autor studie dr. 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 vznikajícími v důsledku jejího varu. Bubliny led nadzvedávají a lámou, čímž se celý proces mrznutí zpomaluje, komplikuje a výrazně prodlužuje,“ vysvětluje dr. Brož.

Výsledky vědci popsali ve studii, která právě vyšla v časopise Earth and Planetary Science Letters.

Jak by se chovala voda na Marsu?

Tento fenomén může mít zásadní důsledky pro pochopení výlevného kryovulkanismu nejen na povrchu těles, jako jsou Europa, Enceladus, Ceres nebo Pluto, ale i jinde. Podobné podmínky totiž panují také na Marsu. A právě zde by mohla nová studie pomoci vysvětlit, jak by se chovala voda, pokud by se na povrchu planety v nedávné geologické minulosti ocitla.

„Vzniklá ledová vrstva je porézní, a tedy slabá. Pára, která se pod ní hromadí, dokáže kůru rozpraskat. Jakmile se v ledu objeví praskliny, voda pod trhlinou se zase intenzivně vaří, vlivem čehož se led znovu zvedá a praská. Proces vzniku ledové krusty je tak cyklicky narušován,“ doplňuje spoluautor studie dr. Vojtěch Patočka z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. „Povrchové nerovnosti vznikající hromaděním vodní páry pod ledem by mohly být rozpoznatelné na radarových datech pořízených kosmickými sondami,“ dodává dr. 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.

Výzkum financovala Grantová agentura České republiky.

Publikace:
Brož, P., Patočka, V., Butcher, F., Sylvest, M., Patel, M. (2025). The complexity of water freezing under reduced atmospheric pressure. Earth and Planetary Science Letters, 668, 119531. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119531.

Kontakty pro média:
Mgr. Petr Brož, Ph.D. (petr.broz@ig.cas.cz)
RNDr. Vojtěch Patočka, Ph.D. (vojtech.patocka@matfyz.cuni.cz)

Tisková zpráva