Hvorfor er dammen i min baghave ikke frossen, når den er -15 ° C (5 ° F) udenfor?

Vand smelter ved 0 ° C (32 ° F), men frysning er en mere kompliceret affære. Det er sikkert at sige, at vand får mulighed for at fryse ved 0 ° C, men det kan blive meget køligere, før det rent faktisk gør det, hvilket resulterer i superkølet vand. tilstand hurtigt kan størkne, når egnede iskerner introduceres. For eksempel i konvektive skyer kan flydende vand observeres ved temperaturer så lave som -40 ° C. Vandet i din dam er dog ikke underkølet.

Du siger, at luften er 5 ° F, men hvad er vandets temperatur (sandsynligvis over 0 ° C)? I sidste ende er det vandet, som skal være under frysepunktet for at isdannelse skal forekomme. Hvor dybt er dammen i din baghave? Vand sammenlignet med luft har en meget bedre evne til at tilbageholde varmen, og jo større volumen vand, jo mere af et varmebeholder har du at fryse i sig selv er en eksoterm proces, og isdannelse vil opvarme det omgivende vand. Dammen er sandsynligvis ikke rent vand og fuld af ioner (f.eks. salte), den har hentet fra jorden, hvilket sænker smeltepunktet for vand. Alle disse virkninger gør det vanskeligere for vand i din dam at faktisk fryse og kunne forklare, hvad du ser.

Af disse effekter er vandets varmekapacitet og temperaturen på jorden bagved dammen er sandsynligvis de primære bidragydere. Under dammen er jorden, og den er også et varmebeholder oth er sandsynligvis varmere end smeltepunktet for vand, selvom lufttemperaturen er meget koldere. Hvis en væske afkøles ovenfra, synker den kølige væske mod bunden. Hvis en væske opvarmes nedenfra, stiger den varme væske. Kun en af disse skal ske for at starte konvektion, men det er sandsynligt, at jorden under dammen er varmere end dammen, og både den varme jord og den kølige luft vil føre konvektion i dammen. Dette betyder igen, at din dam er godt blandet, og du bliver nødt til at udvinde nok energi fra systemet til at afkøle alt vand og afkøle jorden under dammen for at give is chancen for at dannes på overfladen. Dette vil tage tid (i størrelsesordenen dage / uger) med kontinuerlige temperaturer under frysepunktet. Du har meget lettere tid med at fryse din dam end en stor sø, men det vil stadig ikke være en proces natten over.

Kommentarer

• Det er et par meter. Jeg accepterede denne bc. Jeg kan godt lide, hvor mange muligheder du bringer til dit svar.
• -1 (hvis jeg kunne), dette svar ser ud til at gribe fat i sugerør. En dam vil bestemt ikke blive underkølet; saltet i vandet vil ikke bringe frysetemperaturen under 5 ° F; og vinden vil tilføje så lidt energi, at den ‘ ikke engang er værd at nævne.
• Det eneste du kan gøre lige nu er at forstå fat i sugerør, men Faktum er, at dammen ikke er frossen. Du antager ikke ‘ at casey går og henter en prøve, gør du?
• Det er faktisk varmekapacitet og jordtemperatur, der mest er ansvarlige for dette. I løbet af dagen bidrager naturligvis også energi tilsat sollys. Hvis dammen sidder ved 5 F i en dag eller to, vil dens overflade næsten helt sikkert fryse (skønt isen sandsynligvis ikke ville ‘ ikke være meget tyk, medmindre den blev så kold meget længere.) Det er ‘ værd at bemærke, at temperaturerne var usædvanligt høje dagen før det blev koldt, så jorden og vandet stadig var ret varmt.
• Vindkande forhindrer også frysning som et fast stof i nogen tid ved at forstyrre enhver ” hud “, der dannes ved omrøring. Tænk på en ismaskine – til sidst fryser væsken, men den kan komme langt under ingrediensernes frysepunkt, fordi bevægelse holder iskrystaller i at vokse meget. Der kan være små bits, der flyder rundt frosne, men disse vil være mere modtagelige for ødelæggelse ved andre metoder.

Vand er et ret mærkeligt stof. Med de fleste stoffer er den faste fase tættere end den flydende fase. Dette er ikke tilfældet med vand. Is er mindre tæt end flydende vand. En bivirkning af denne effekt er, at flydende vand meget tæt på frysepunktet er mindre tæt end lidt varmere vand. Det meget kølige vand synker.

Flydende ferskvand opnår sin maksimale tæthed ved en temperatur på 4 ° C (40 ° F). Dette betyder, at en dam eller en sø ikke kan fryse, før hele vandmassen er afkølet til 4 ° C. Først da kan den øverste overflade af vandet køle af til under 4 ° C og derefter eventuelt fryse.

Ud over at selve vandet skal afkøles til 4 ° C, før frysningen kan begynde, kan vandet mættet jord under dammen skal også afkøles. Indtil da vil den varmere jord overføre varmen til dammen og forhindre den i at fryse.

Hvor lang tid det tager, før en vandmasse først begynder at fryse, afhænger af et antal parametre. Disse inkluderer størrelsen og dybden af vandmassen, jordens natur under vandmasserne, vejret op til det kolde vejr og blæsende. Spørgsmålet nævner ikke dybden af dammen, men den har kun været under frysepunktet i O “fallon, Missouri i omkring 24 timer, og temperaturerne havde været ret bløde før det. Det 24 timers tidsrum med underfryst vejr er mere end nok tid til at fryse en lille pyt, men bestemt ikke en sø og sandsynligvis ikke engang en dam.

Spørgsmålet nævner også, at det blæser. For at en vandmasse kan fryse, har den brug for et køligere lag vand oven på 4 ° C termoklinen. Vind fungerer for at holde vandet godt blandet.

Kommentarer

• Tak. Jeg ville acceptere dette svar, hvis jeg kunne acceptere to!
• +1 dette er det rigtige svar. Processen beskrevet i de første to afsnit kaldes konvektion .
• Vandet tæt på frysepunktet er helt sikkert mindre tæt og derfor stiger til toppen (i mangel af andre effekter)?
• ” flydende vand meget tæt, frysepunktet er mindre tæt, end det er lidt varmere vand. Det meget kølige vand synker. ” Som observeret ovenfor stiger koldt vand (< 4C) ikke synker. Dette isolerer derefter det varmere vand nedenunder fra vindens køleeffekt.
• @VinceO ‘ Sullivan – Ikke nødvendigvis. Der ‘ er et fænomen i nordlige søer kaldet faldomsætning. Når en sø afkøles til en næsten ensartet 4C temperatur igennem, kan vinde få hele søen til at blande sig. Dette er en dam, så omsætningen vandt ‘ ikke så højt – medmindre vinden er stærk og vedvarende. Koldfronten, der for nylig blæste gennem O ‘ fallon MO bragte stærke, vedvarende vinde fra nordvest fra middag lørdag (da temperaturen først faldt under frysepunktet) indtil kl. 16 søndag.

På grund af konvektion (det kolde vand synker, mens det varme vand stiger) , hele dammen skal bringes til næsten frysende temperaturer, før overfladen kan fryse. Med kun toppen af dammen i kontakt med den kolde luft tager det lang tid.

‍ ‍Derudover vil jorden (som ikke afkøles ved konvektion) det tager endnu længere tid at køle ned, hvilket betyder at jorden vil opvarme bunden af dammen. Det varme vand vil stige til toppen og forlænge fryseprocessen.

Det tager tid for tingene at fryse. Ovennævnte betingelser får dammen til at fryse langsomt, men hvis luften skulle forblive under frysepunktet for evigt, til sidst ville hele dammen fryse over (starter med det øverste lag og arbejder sig ned – når toppen bliver til is det synker ikke længere, fordi is har lavere tæthed end vand ) .

Dette er grunden til, hvis du rejser nordpå til Minnesota hvor isfiskeri er almindeligt, fortæller de dig, at vejret skal være (for det meste) under frysepunktet i flere uger, før søen er sikker at gå / køre på.

Vandet i en dam er i kontakt med jorden, og jorden er ikke engang tæt på at fryse, selvom lufttemperaturen er 27 ° under frysepunktet.

Kommentarer

• Masser af videnskab kastes rundt her, mens det enkle svar er, at jorden stadig er for varm. Hvis jorden er frossen forbi bunden af dammen, så kan vi komme ind i alt det superkølede iskernerjargon.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, du ‘ er helt korrekt. Jeg gjorde mit svar så simpelt som muligt.

Dette kan skyldes, at luften køler ned og varmes hurtigere op end vand. Luft har en lavere Specifik varme end vand. Det kan tage lidt tid for vandet at fryse.

Ingen har nævnt fisk endnu. Har du fisk eller andre dyr i din dam? Ikke kun giver de en lille smule opvarmning, deres bevægelse hjælper med at forhindre dannelse af is.

Kommentarer

• Ja, den indeholder fisk! 🙂

Den variabel, du skal overveje for at forstå problemet, er damens dybde. Jeg vedder på, at i modsætning til din dam frysede lavvandede pytter rundt.

Vandet er tættere ved 4 ° C, så for at fryse overfladen skal du køle hele dammen ned til 4 ° C. Ellers , når vand i overfladen køler ned til 4 ° C, vil det synke og erstattes af varmere vand nedenfra, så hvis vandet køles ned til 4 ° C, vil det synke igen og erstattes af varmere vand osv. Først når hele dammen er ved 4 ° C, kan vandet i overfladen køle ned under den temperatur og stadig være lettere end vandet under, derfor vil det forblive i overfladen og kan fortsætte med at køle ned, indtil det fryser og producere et lag af overfladeis.

Følgende figur fra dette spørgsmål ved “Videnskabsspørgsmål med overraskende svar” viser temperaturstratifikationsforskellene i en varm dam (sommerfigur), og en lige kold nok til at starte dannelsen af en isskorpe på overfladen (vinterfigur).

Den tid, det tager at afkøle hele vandmassen, er derefter proportional med dybden. Lavvandede vandområder fryser lettere, og dybe vil kræve længere perioder under frysende temperaturer for at begynde at danne en frossen skorpe.

Ud over det accepterede svar fra Casey er det sandsynligt, at solen varmer dammen i løbet af en dag mere, end den varmer det termometer, der bruges til de temperaturmålinger, du citerer, da termometre holdes inde i en Stevenson-skærm .

Kommentarer

• Hvis jorden varmer vandet, bør kondens stiger op fra vandet. Tag en temperaturaflæsning fra dammen og føj den til dit spørgsmål.

Rent vand fryser ved 0 ° C (32 ° F), og det meste af tiden findes rent vand sjældent i damme og andre åbne vandområder. Når urenheder blandes i vand, falder frysepunktet.

Kommentarer

• damme er ferskvandområder. Saltvand med saltvand fryser ved ca. -2C, så effekten bliver ubetydelig for ferskvand.

Hvorvidt og hvor lang tid det tager en dam eller andet vand at fryse, afhænger af flere faktorer. Lufttryk, TDS (totalt opløste faste stoffer eller salte), bevægelse af selve vandet og temperaturen i det omgivende miljø.

Lufttryk – For det meste en funktion af højde, luftens tryk påvirker trykket af vandet med vand under højere tryk, der kræver lavere temperaturer at fryse. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Totalt opløste faste stoffer, for det meste salte og andre ioner sænker frysepunktet vand op til et punkt og afhængigt af de specifikke kemikalier og koncentration opløst. I ferskvandsdamme betyder det næppe mere end 1 eller 2 graders forskel. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Vandets bevægelse. Bevægeligt vand har en tendens til at hæmme dannelsen af iskrystaller og forsinke frysningen. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatur i det omgivende miljø. Generelt med udendørs vand som damme og søer, vil jorden under vandmassen forblive tæt på den gennemsnitlige årstemperatur. Luften over dammen bliver nødt til at fjerne nok varme fra dammen til at overvinde alle disse faktorer.

Vand har også den unikke (?) Egenskab at falde i densitet, når den fryser.Dette betyder, at der dannes is ved overfladen, hvor vandet til at begynde med er varmere. I den flydende del af dammen vil konvektion bringe varme fra jorden under dammen til overfladen, hvilket forsinker dannelsen af is. Det kolde vand, der bevæger sig ned til bunden, udsættes for et stigende tryk, sænker dets frysepunkt, så det fryser ikke, når det bevæger sig ned mod den varme jord, selv når det først genfryser frysepunktet på overfladen.

Nettovirkningen af alt dette er, at hele vandmassen skal nå frysepunktet, før der kan dannes is. Jo dybere dammen / søen, jo længere tid tager det, og en dyb nok vandmasse fryser aldrig helt under normale jordforhold. Da islaget dannes på overfladen, virker det til at isolere vandet under det og reducere den mængde varme, som luften kan fjerne, men isen dannes ikke på dambunden, så den fortsætter med at modtage varme fra jorden. Så dammen fryser aldrig helt, hvis den er dyb nok og vinteren kort nok.

Vandet i din dam har at sænke sig til under frysepunktet. Det tager tid for varmen fra vandet at overføre til omgivelserne. Jorden under vandet ligger sandsynligvis ikke under frysepunktet, så det overfører varme til vandet på samme tid. Ser vi på temperaturhistorik for den pågældende periode, var de høje temperaturer i alle dage omkring frysepunktet, og de gennemsnitlige temperaturer var også nær eller højere end frysepunktet . Det tager mere end en dag for en stor mængde vand at miste så meget varme til miljøet, når det alligevel er nær denne temperatur.

Du kan gøre dit eget eksperiment med at få flasker i forskellige størrelser og se hvordan lang tid tager det hver at fryse under de samme forhold. Det tager meget mere energitab at ændre vandtilstanden fra væske til faststof. 4200 J / liter / grad (C) for at ændre temperaturen på vandet, 333.000 J for at krystallisere en liter vand. Så for helt at fryse dammen, ville dens omgivelser skulle absorbere den samme mængde energi, som det ville tage at sænke temperaturen næsten 80 grader celsius.

Lufttemperaturen er 5 grader. Vandtemperaturen er ikke. Samme årsag forbliver en skål suppe eller en kop kaffe varmere end stuetemperatur i nogen tid, før den køler ned til stuetemperatur. den skål eller kop og udvid den til størrelsen af en sø.

Tænk på, hvor varmt en kompostbunke kan blive (varmt nok til at tage ild). Det er dybest set det, der sker i bunden af dammen over en længere periode, da det rådnende stof fra sommeren nedbrydes som i en metandøger.

Også is (og sne), der dannes rundt om kanterne øverst, fungerer som isolator. Og da is flyder, skaber det en negativ tilbagekoblingscyklus med hensyn til køling, hvorfor mange søer fryser ovenpå, men forbliver flydende under islaget (ud over den biotiske varmeproduktion).