Proč rybník na mém dvorku není zamrzlý, když je venku -15 ° C (5 ° F)?

Voda se taje při 0 ° C (32 ° F), ale zmrazení je složitější záležitostí. Dá se říci, že voda získá schopnost zmrazit při teplotě 0 ° C, ale může se ochladit mnohem dříve, než tak skutečně učiní, což má za následek podchlazenou vodu. stav se může rychle ztuhnout, když se zavedou vhodná ledová jádra. Například v konvekčních oblacích lze kapalnou vodu pozorovat při teplotách až -40 ° C. Voda ve vašem rybníku však není podchlazená.

Říkáte, že vzduch má 5 ° F, ale jaká je teplota vody (pravděpodobně nad 0 ° C)? Nakonec je to voda, která je musí být pod bodem mrazu, aby mohlo dojít k tvorbě ledu. Jak hluboký je rybník ve vaší zahradě? Voda má ve srovnání se vzduchem mnohem lepší schopnost zadržovat teplo a čím větší je objem vody, tím více tepelného zásobníku máte samotné zmrazení je exotermický proces a tvorba ledu zahřeje okolní vodu. Rybník pravděpodobně není čistá voda a plný iontů (např. solí), které zachytil ze země, což snižuje teplotu tání vody. Všechny tyto účinky znesnadňují zmrazení vody ve vašem rybníku a mohou vysvětlit, co vidíte.

Z těchto účinků je tepelná kapacita vody a teplota půdy pod rybníkem. pravděpodobně jsou hlavními přispěvateli. Pod rybníkem je země a také je to zásobník tepla. B jsou pravděpodobně teplejší než teplota tání vody, i když je teplota vzduchu mnohem nižší. Pokud je kapalina ochlazována shora, chladná kapalina klesá směrem dolů. Pokud se kapalina ohřívá zespodu, teplá kapalina stoupá. K zahájení konvekce je třeba pouze jedna z nich, je však pravděpodobné, že půda pod rybníkem je teplejší než rybník a jak teplá země, tak chladný vzduch budou v jezírku řídit konvekci. To zase znamená, že váš rybník je dobře promíchaný a budete muset ze systému extrahovat dostatek energie na ochlazení veškeré vody a ochlazení půdy pod rybníkem, aby se na povrchu mohla vytvořit led. Bude to trvat nějakou dobu (řádově dnů / týdnů) neustálých teplot pod bodem mrazu. Při zamrzání rybníka budete mít mnohem snazší čas než velké jezero, ale stále to nebude proces přes noc.

Komentáře

• Je to pár stop. Přijal jsem to, protože se mi líbí, kolik možností ve své odpovědi přinášíte.
• -1 (pokud mohu), zdá se, že tato odpověď je uchopitelná za brčka. Rybník určitě nebude podchlazený; sůl ve vodě nedosáhne teploty mrazu pod 5 ° F; a vítr přidá tak málo energie, že ‚ to ani nestojí za zmínku.
• Jediná věc, kterou teď můžete udělat, je uchopit brčka, ale faktem zůstává, že rybník není zamrzlý. Nepředpokládáte ‚ že Casey půjde získat vzorek, že?
• Za to je většinou odpovědná tepelná kapacita a teplota země. Během dne samozřejmě také přispívá energie přidaná ze slunečního záření. Pokud tento rybník sedí den nebo dva na 5 F, jeho povrch téměř jistě zamrzne (ačkoli led by pravděpodobně nebyl ‚ velmi silný, pokud by tak dlouho nezůstal tak chladný.) Stojí za zmínku ‚, že den před tím, než se ochladilo, byly teploty nepřiměřeně vysoké, takže půda a voda byly stále docela teplé.
• Vítr může také na nějakou dobu zabráníte zmrazení jako pevné látky narušením jakékoli “ kůže „, která se vytvoří mícháním. Přemýšlejte o výrobníku zmrzliny – kapalina nakonec zmrzne, ale může se dostat hluboko pod bod mrazu ingrediencí, protože pohyb brání tomu, aby ledové krystaly hodně rostly. Může se stát, že kolem zamrznou malé kousky, ale budou náchylnější ke zničení jinými metodami.

Voda je dost zvláštní látka. U většiny látek je pevná fáze hustší než kapalná fáze. U vody tomu tak není. Led je méně hustý než kapalná voda. Vedlejším účinkem tohoto efektu je, že kapalná voda velmi blízko bodu mrazu je méně hustá než mírně teplejší voda. Tato velmi chladná voda klesá.

Tekutá sladká voda dosahuje maximální hustoty při teplotě 4 ° C (40 ° F). To znamená, že rybník nebo jezero nemohou zamrznout, dokud není celá vodní plocha ochlazena na 4 ° C. Teprve potom může horní povrch vody vychladnout na méně než 4 ° C a nakonec zamrznout.

Kromě samotné vody, která musí být před zahájením zamrzání ochlazena na 4 ° C, může voda nasycená půda pod rybníkem musí být také ochlazena. Do té doby bude tato teplejší půda přenášet teplo do rybníka a zabrání mu zamrznutí.

Jak dlouho trvá, než vodní útvar poprvé začne mrznout, závisí na řadě parametrů. Patří mezi ně velikost a hloubka vodního útvaru, povaha půdy pod vodním útvarem, počasí vedoucí ke chladnému počasí a větrnost. Tato otázka nezmiňuje hloubku rybníka, ale v Olonském Fallonu v Missouri byla pod bodem mrazu pouze asi 24 hodin a před tím byly teploty docela mírné. To 24hodinové rozpětí pod bodem mrazu je více než dost času na zmrazení malé louže, ale určitě ne jezera a pravděpodobně ani rybníka.

Otázka také zmiňuje, že je větrno. Aby voda zamrzla, potřebuje chladnější vrstvu vody nahoře na 4 ° C thermocline. Větry působí tak, aby voda byla dobře promíchaná.

Komentáře

• Děkuji. Přijal bych tuto odpověď, kdybych mohl přijmout dvě!
• +1, toto je správná odpověď. Proces popsaný v prvních dvou odstavcích se nazývá konvekce .
• Voda v blízkosti bodu mrazu je určitě méně hustá, a proto stoupá na vrchol (při absenci dalších účinků)?
• “ kapalná voda velmi blízko bod mrazu je méně hustý než mírně teplejší voda. Tato velmi studená voda klesá. “ Jak bylo uvedeno výše, studená voda (< 4C) stoupá, nikoli klesá. To pak izoluje teplejší vodu z níže od chladicího účinku větru.
• @VinceO ‚ Sullivan – ne nutně. ‚ V severních jezerech se vyskytuje jev zvaný pokles obratu. Jakmile se jezero po celou dobu ochladí na téměř rovnoměrnou teplotu 4 ° C, mohou větry způsobit promíchání celého jezera. Toto je rybník, takže obrat nebude ‚ tak vysoký – pokud nebude silný a trvalý vítr. Studená fronta, která nedávno profoukla O ‚ fallon MO, přinesla silný a trvalý vítr od severozápadu, od sobotního poledne (kdy teplota poprvé klesla pod bod mrazu) až do neděle 16:00.

Kvůli konvekci (studená voda klesá, zatímco teplá voda stoupá) , celý rybník je třeba před zamrznutím hladiny zahřát na téměř bod mrazu. Pokud je se studeným vzduchem ve styku pouze horní část rybníka, trvá to dlouho.

‍ ‍ Navíc zem (která není ochlazována konvekcí) ochlazení trvá ještě déle, což znamená, že země zahřeje dno rybníka. Tato teplá voda vystoupá na vrchol a prodlouží proces zmrazování.

Trvá to, než věci zamrznou. Výše uvedené podmínky způsobují, že rybník pomalu mrzne, ale pokud by vzduch měl zůstat pod bodem mrazu navždy, nakonec by celý rybník zamrzl nad (počínaje horní vrstvou a postupující dolů – když se vrchol změní na led už se nepotopí, protože led má nižší hustotu než voda ) .

Proto, pokud cestujete na sever do Minnesoty tam, kde je běžný rybolov na ledě, řeknou vám, že počasí musí být (většinou) pod bodem mrazu po celé týdny, než bude možné bezpečně kráčet / jet po jezeře.

Voda v jezírku je v kontaktu se zemí a půda ani zdaleka nemrzne, i když teplota vzduchu je 27 ° pod bodem mrazu.

Komentáře

• Zde se hází spousta věd, ale jednoduchá odpověď je, že země je stále příliš teplý. Pokud je země zamrzlá kolem dna rybníka, pak můžeme se dostat do všech těch žargonů superchladených ledových jader.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, vy ‚ jsou naprosto správné. Odpověď jsem učinil co nejjednodušší.

Může to být proto, že se vzduch rychleji ochladí a ohřeje než voda. Vzduch má nižší měrné teplo než voda. Může trvat nějakou dobu, než voda zamrzne.

Nikdo ještě nezmínil ryby. Máte ve svém rybníku ryby nebo jiná zvířata? Nejen, že poskytují malé množství tepla, ale jejich pohyb pomůže zabránit tvorbě ledu.

Komentáře

• Ano, obsahuje ryby! 🙂

Proměnná, kterou musíte vzít v úvahu, abyste pochopili problém, je hloubka rybníka. Vsadím se, že na rozdíl od vašeho rybníka zamrzly mělké kaluže kolem.

Voda je hustší při 4 ° C, takže k zamrznutí povrchu musíte celý rybník ochladit na 4 ° C. Jinak , když se voda v povrchu ochladí na 4 ° C, potopila by se a nahradila by ji teplejší voda zespodu, pak pokud by se tato voda ochladila na 4 ° C, potopila by se znovu a byla by nahrazena teplejší vodou atd. Pouze jednou, když má celý rybník teplotu 4 ° C, voda v povrchu se může ochladit pod tuto teplotu a stále bude lehčí než voda pod ním, proto by zůstala v hladině a mohla by se ochladit, dokud nezmrzne a nevytvoří vrstvu povrchového ledu.

Následující obrázek z této otázky v části „Vědecké otázky s překvapivými odpověďmi“ ukazuje rozdíly teplotní stratifikace teplého rybníka (letní postava), a jeden dostatečně chladný, aby zahájil tvorbu povrchové ledové kůry (zimní obrázek).

Čas potřebný k ochlazení celého množství vody je pak úměrný hloubce. Mělké vodní útvary snadněji zamrznou a hluboké budou vyžadovat delší období pod bodem mrazu, aby se začala vytvářet zmrzlá kůra.

Kromě přijaté odpovědi od Casey je pravděpodobné, že slunce ohřívá rybník v průběhu dne více, než zahřívá teploměr použitý pro odečty teploty, které citujete, protože teploměry jsou uchovávány uvnitř Stevensonova obrazovka .

Komentáře

• Pokud země ohřívá vodu, měla by dojít ke kondenzaci stoupat z vody. Změřte teplotu z rybníka a přidejte ji ke své otázce.

Čistá voda zmrzne při 0 ° C (32 ° F) a čistá voda se většinou zřídka vyskytuje v rybnících a jiných otevřených vodních plochách. Když se nečistoty smísí s vodou, jejich bod tuhnutí klesá.

Komentáře

• rybníky jsou sladkovodní útvary. Slaná mořská voda zmrzne asi při -2 ° C, takže u sladké vody bude účinek zanedbatelný.

Zda a jak dlouho trvá zamrznutí rybníka nebo jiného vodního útvaru, závisí na několika faktorech. Tlak vzduchu, TDS (celkový obsah rozpuštěných pevných látek nebo solí), pohyb samotné vody a teplota okolního prostředí.

Tlak vzduchu – většinou funkce nadmořské výšky, tlak vzduchu ovlivňuje tlak vody, přičemž voda pod vyšším tlakem vyžaduje zamrznutí nižších teplot. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – celkový obsah rozpuštěných pevných látek, většinou solí a jiných iontů, snižuje bod tuhnutí vody až do bodu a v závislosti na konkrétních chemikáliích a rozpuštěné koncentraci. Ve sladkovodních rybnících je nepravděpodobné, že by to znamenalo rozdíl větší než 1 nebo 2 stupně. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Pohyb vody. Pohybující se voda má tendenci bránit tvorbě ledových krystalů a zpožďovat zmrazení. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Teplota okolního prostředí. Obecně u venkovní vody, jako jsou rybníky a jezera, zůstane půda pod vodním útvarem blízko průměrné roční teplotě. Vzduch nad rybníkem bude muset z rybníka odvádět dostatek tepla, aby všechny tyto faktory překonal.

Voda má také jedinečnou (?) Vlastnost, že při zamrzání klesá hustota.To znamená, že led, který se tvoří, se vytvoří na povrchu, kde má voda zpravidla teplejší teplotu. V kapalné části rybníka proudí konvekce teplo ze země pod rybníkem na povrch, což zpomaluje tvorbu ledu. Studená voda pohybující se dolů ke dnu je vystavena zvyšujícímu se tlaku, snižujícímu bod mrazu, takže i když se znovu dotkne bodu mrazu na povrchu, nezamrzne, jak se pohybuje dolů směrem k teplé zemi.

Čistým účinkem toho všeho je, že celá vodní plocha musí dosáhnout bodu mrazu, než se bude moci tvořit led. Čím hlouběji rybník / jezero, tím déle to trvá a dostatečně hluboká vodní plocha za normálních pozemských podmínek nikdy úplně nezmrzne. Když se vrstva ledu vytvoří na povrchu, působí tak, že izoluje vodu pod ní, čímž snižuje množství tepla, které může vzduch odvádět, ale led se netvoří na dně rybníka, takže nadále přijímá teplo ze Země. Takže rybník nikdy úplně nezamrzne, pokud je dostatečně hluboký a zima dostatečně krátká.

Voda ve vašem rybníku má snížit až pod bod mrazu. Trvá čas, než se teplo z vody přenese do okolí. Země pod vodou pravděpodobně také není pod bodem mrazu, takže bude teplo přenášet do vody současně. Při pohledu na historii teplot v daném čase byly vysoké teploty po celé dny nad bodem mrazu a průměrné teploty byly také blízké nebo vyšší než bod mrazu . Trvá více než den, než velké množství vody ztratí tolik tepla pro životní prostředí, když je stejně blízko této teplotě.

Můžete si udělat vlastní experiment, jak získat různé velikosti lahví vody a zjistit, jak každému trvá zmrazení za stejných podmínek. Změna stavu vody z kapalné na pevnou vyžaduje mnohem více ztrát energie. 4200 J / litr / stupeň (C) ke změně teploty vody, 333 000 J ke krystalizaci litru vody. Aby bylo možné rybníček úplně zmrazit, jeho okolí by muselo absorbovat stejné množství energie, jaké by trvalo snížení teploty o téměř 80 stupňů Celsia.

Teplota vzduchu je 5 stupňů. Teplota vody není. Ze stejného důvodu zůstává mísa polévky nebo šálek kávy po určitou dobu teplejší než pokojová teplota, než vychladne na pokojovou teplotu. Vezměte misku nebo šálek a rozbalte je na velikost jezera.

Přemýšlejte o tom, jak horká může být hromada kompostu (dostatečně horké na to, aby vzplanulo). To se v podstatě děje na dně rybníka po delší dobu, protože rozpadající se hmota z léta se rozkládá jako v metanovém digestoru.

Také led (a sníh) tvořící se na okrajích nahoře působí jako izolátor. A protože led plave, vytváří negativní zpětnovazební cyklus, pokud jde o chlazení, což je důvod, proč mnoho jezer nahoře zamrzá, ale pod nimi zůstává tekuté ledová vrstva (kromě výroby biotického tepla).