Pourquoi létang de ma cour arrière nest-il pas gelé alors quil fait -15 ° C (5 ° F) à lextérieur?

Leau fond à 0 ° C (32 ° F) mais la congélation est une affaire plus compliquée. Il est sûr de dire que leau a la capacité de geler à 0 ° C, mais elle peut devenir beaucoup plus froide avant de le faire, ce qui entraîne une surfusion deau. létat peut se solidifier rapidement lorsque des noyaux de glace appropriés sont introduits. Par exemple, dans les nuages convectifs, de leau liquide peut être observée à des températures aussi basses que -40 ° C. Cependant, leau de votre étang nest pas surfondue.

Vous dites que lair est à 5 ° F, mais quelle est la température de leau (probablement au-dessus de 0 ° C)? En fin de compte, cest leau qui doit être sous le point de congélation pour que la glace se forme. Quelle est la profondeur de létang dans votre cour arrière? Leau, par rapport à lair, a une bien meilleure capacité à retenir la chaleur et plus le volume deau est grand, plus vous disposez dun réservoir de chaleur La congélation est un processus exothermique et la formation de glace chauffera leau environnante.Létang nest probablement pas de leau pure et plein dions (par exemple des sels) quil a ramassés dans le sol, ce qui abaisse le point de fusion de leau. Tous ces effets rendent plus difficile le gel de leau de votre étang et pourraient expliquer ce que vous voyez.

Parmi ces effets, la capacité thermique de leau et la température du sol sous-jacent de létang sont probablement les principaux contributeurs. Sous létang se trouve le sol et cest aussi un réservoir de chaleur. B Les deux sont probablement plus chauds que le point de fusion de leau, même si la température de lair est beaucoup plus froide. Si un fluide est refroidi par le haut, le fluide froid descend vers le bas. Si un fluide est réchauffé par le bas, le fluide chaud monte. Un seul dentre eux doit se produire pour démarrer la convection, mais il est probable que le sol sous létang soit plus chaud que létang et que le sol chaud et lair frais entraîneront la convection dans létang. Cela signifie à son tour que votre étang est bien mélangé et que vous devrez extraire suffisamment dénergie du système pour refroidir toute leau et refroidir le sol sous létang pour donner à la glace la chance de se former à la surface. Cela prendra du temps (de lordre de jours / semaines) de températures de lair sous-gel continuelles à accomplir. Vous aurez beaucoup plus de facilité à geler votre étang qu’un grand lac, mais ce ne sera toujours pas un processus du jour au lendemain.

Commentaires

• Cest quelques pieds. Jai accepté cela parce que jaime le nombre de possibilités que vous apportez dans votre réponse.
• -1 (si je pouvais), cette réponse semble saisir à la paille. Un étang ne sera certainement pas surfondu; le sel dans leau namènera pas la température de congélation en dessous de 5 ° F; et le vent ajoutera si peu dénergie quil ‘ ne vaut même pas la peine dêtre mentionné.
• La seule chose que vous pouvez faire pour le moment EST de saisir à la paille, mais le il reste que létang nest pas gelé. Vous ‘ ne présumez pas que vous allez récupérer un échantillon, nest-ce pas?
• Cest en effet la capacité thermique et la température du sol qui en sont les principales responsables. Pendant la journée, lénergie apportée par la lumière du soleil y contribue également, bien sûr. Si cet étang reste à 5 ° F pendant un jour ou deux, sa surface gèlera presque certainement (bien que la glace ne ‘ t être très épaisse que si elle est restée aussi froide plus longtemps.) Il est ‘ de noter que les températures étaient anormalement élevées la veille de ce froid, donc le sol et leau étaient encore assez chauds.
• Le vent peut évitez également de geler en tant que solide pendant un certain temps en perturbant toute  » skin  » qui se forme par agitation. Pensez à un fabricant de crème glacée – le liquide finit par geler, mais il peut descendre bien en dessous du point de congélation des ingrédients car le mouvement empêche les cristaux de glace de se développer beaucoup. Il peut y avoir de petits bits flottants gelés, mais ceux-ci seront plus susceptibles dêtre détruits par dautres méthodes.

Leau est une substance assez étrange. Avec la plupart des substances, la phase solide est plus dense que la phase liquide. Ce nest pas le cas de leau. La glace est moins dense que leau liquide. Un effet secondaire de cet effet est que leau liquide très proche du point de congélation est moins dense que leau légèrement plus chaude. Cette eau très fraîche coule.

Leau douce liquide atteint sa densité maximale à une température de 4 ° C (40 ° F). Cela signifie quun étang ou un lac ne peut pas geler tant que la masse deau nest pas refroidie à 4 ° C. Ce nest qualors que la surface supérieure de leau peut se refroidir en dessous de 4 ° C, puis finalement geler.

En plus de leau elle-même devant être refroidie à 4 ° C avant que la congélation puisse commencer, leau- le sol saturé sous létang doit également être refroidi. Jusque-là, ce sol plus chaud transférera la chaleur à létang et lempêchera de geler.

Le temps quil faut avant quun plan deau commence à geler dépend dun certain nombre de paramètres. Ceux-ci incluent la taille et la profondeur de la masse deau, la nature du sol sous la masse deau, le temps qui a conduit au temps froid et le vent. La question ne mentionne pas la profondeur de létang, mais il na été en dessous de zéro à O »fallon, Missouri que pendant environ 24 heures, et les températures étaient plutôt douces avant cela. Cette période de 24 heures de temps sous-gel est plus de temps quil nen faut pour geler une petite flaque deau, mais certainement pas un lac, et probablement même pas un étang.

La question mentionne également quil y a du vent. Pour quune masse deau gèle, elle a besoin dune couche deau plus froide au sommet de la thermocline à 4 ° C. Les vents agissent pour garder leau bien mélangée.

Commentaires

• Merci. Jaccepterais cette réponse si je pouvais en accepter deux!
• +1 cest la bonne réponse. Le processus décrit dans les deux premiers paragraphes est appelé convection .
• L’eau proche du point de congélation est certainement moins dense et donc monte vers le haut (en labsence dautres effets)?
•  » eau liquide très proche le point de congélation est moins dense que légèrement plus chaud leau. Cette eau très fraîche coule.  » Comme observé ci-dessus, leau fraîche (< 4C) monte et ne coule pas. Cela isole alors leau plus chaude en dessous de leffet de refroidissement du vent.
• @VinceO ‘ Sullivan – Pas nécessairement. Il y a ‘ un phénomène dans les lacs du nord appelé renouvellement automnal. Une fois quun lac sest refroidi à une température presque uniforme de 4 ° C, les vents peuvent provoquer le mélange de tout le lac. Cest un étang, donc le chiffre daffaires ne ‘ pas être si élevé – à moins que les vents ne soient forts et soutenus. Le front froid qui a récemment soufflé sur O ‘ fallon MO a apporté des vents forts et soutenus du nord-ouest, de midi samedi (lorsque la température est tombée sous le point de congélation) jusquà 16 heures dimanche.

En raison de convection (leau froide coule pendant que leau chaude monte) , le bassin entier doit être porté à des températures proches de zéro avant que la surface ne gèle. Avec seulement le haut de létang en contact avec lair froid, cela prend beaucoup de temps.

‍ ‍ De plus, le sol (qui nest pas refroidi par convection) va prendre encore plus de temps pour se refroidir, ce qui signifie que le sol réchauffera le fond de létang. Cette eau chaude montera vers le haut, prolongeant le processus de congélation.

Les choses mettent du temps à geler. Les conditions ci-dessus font que létang gèle lentement, mais si lair devait rester sous le point de congélation pour toujours, létang entier finirait par geler sur (en commençant par la couche supérieure et en descendant – lorsque le sommet se transforme en glace il ne coule plus car la glace a une densité inférieure à celle de leau ) .

Cest pourquoi, si vous voyagez vers le nord jusquau Minnesota là où la pêche sur glace est courante, ils vous diront que le temps doit être (principalement) sous le point de congélation pendant des semaines avant que le lac ne soit sûr pour marcher / conduire.

Leau dun étang est en contact avec le sol et le sol nest même pas près de geler même si le la température de lair est 27 ° sous le point de congélation.

Commentaires

• Beaucoup de science est lancée ici, alors que la réponse simple est que le sol lest toujours aussi chaleureux. Si le sol est gelé au-delà du fond de létang, alors nous pouvons entrer dans tout ce jargon des noyaux de glace super-refroidis.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, vous ‘ est absolument correct. Jai rendu ma réponse aussi simple que possible.

Cela pourrait être dû au fait que lair se refroidit et se réchauffe plus rapidement que leau. Lair a une chaleur spécifique inférieure à celle de leau. Leau peut mettre un certain temps à geler.

Personne na encore mentionné le poisson. Avez-vous des poissons ou dautres animaux dans votre étang? Non seulement ils fournissent une petite quantité de réchauffement, mais leur mouvement aidera à empêcher la formation de glace.

Commentaires

• Oui, il contient du poisson! 🙂

La variable dont vous avez besoin pour comprendre le problème est la profondeur de létang. Je parie que contrairement à votre étang, des flaques deau peu profondes ont gelé.

Leau est plus dense à 4 ° C, donc pour geler la surface, vous devez refroidir tout létang à 4 ° C. Sinon , lorsque leau de la surface refroidit à 4 ° C, elle coulerait et serait remplacée par de leau plus chaude par le bas, puis si cette eau est refroidie à 4 ° C, elle coulera à nouveau et sera remplacée par de leau plus chaude, et ainsi de suite . Une fois que tout létang est à 4 ° C, leau de la surface peut refroidir en dessous de cette température et être encore plus légère que leau du dessous, elle resterait donc en surface et pourrait continuer à refroidir jusquà ce quelle gèle, produisant une couche de glace de surface.

La figure suivante tirée de cette question de « Questions scientifiques avec des réponses surprenantes » montre les différences de stratification de température dun étang chaud (chiffre dété), et une juste assez froide pour commencer la formation dune croûte de glace de surface (figure dhiver).

Le temps nécessaire pour refroidir lensemble du plan deau est alors proportionnel à la profondeur. Les plans deau peu profonds gèleront plus facilement, et ceux profonds nécessiteront de longues périodes de températures inférieures à zéro pour commencer à générer une croûte gelée.

En plus de la réponse acceptée de Casey, il est probable que le soleil réchauffe létang au cours dune journée plus quil ne réchauffe le thermomètre utilisé pour les lectures de température que vous citez, car les thermomètres sont conservés à lintérieur dun Écran Stevenson .

Commentaires

• Si le sol réchauffe leau, la condensation devrait être en train de monter de leau. Prenez une lecture de la température de létang et ajoutez-la à votre question.

Leau pure gèle à 0 ° C (32 ° F) et la plupart du temps, leau pure se trouve rarement dans les étangs et autres plans deau ouverts. Lorsque les impuretés se mélangent à leau, son point de congélation diminue.

Commentaires

• les étangs sont des plans deau douce. Leau de mer saline gèle à environ -2 ° C, donc leffet sera négligeable pour leau douce.

La question de savoir si et combien de temps il faut à un étang ou à un autre plan deau pour geler dépend de plusieurs facteurs. Pression atmosphérique, TDS (solides dissous totaux ou sels), mouvement de leau elle-même et température de lenvironnement environnant.

Pression atmosphérique – Principalement en fonction de laltitude, la pression de lair affecte la pression de leau, avec de leau sous pression plus élevée nécessitant des températures plus basses pour geler. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Le total des solides dissous, principalement des sels et dautres ions abaisse le point de congélation deau jusquà un certain point et en fonction des produits chimiques spécifiques et de la concentration dissoute. Dans les étangs deau douce, il est peu probable que cela signifie plus de 1 ou 2 degrés de différence. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Mouvement de leau. Leau en mouvement a tendance à empêcher la formation de cristaux de glace et à retarder la congélation. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Température du milieu environnant. En général, avec leau extérieure comme les étangs et les lacs, le sol sous la masse deau restera proche de la température annuelle moyenne. Lair au-dessus de létang devra retirer suffisamment de chaleur de létang pour surmonter tous ces facteurs.

Leau a également la propriété unique (?) De diminuer sa densité lorsquelle gèle.Cela signifie que la glace, qui se forme, se formera à la surface, là où leau a tendance à être plus chaude au départ. Dans la partie liquide de létang, la convection amènera la chaleur de la terre sous létang à la surface, ce qui retardera la formation de glace. Leau froide descendant vers le bas est soumise à une pression croissante, abaissant son point de congélation, de sorte que même une fois quelle remet le point de congélation à la surface, elle ne gèlera pas lorsquelle descend vers la terre chaude.

Leffet net de tout cela est que toute la masse deau doit atteindre le point de congélation avant que la glace puisse se former. Plus létang / lac est profond, plus il faut de temps et une masse deau suffisamment profonde ne gèlera jamais complètement dans des conditions terrestres normales. Au fur et à mesure que la couche de glace se forme à la surface, elle agit pour isoler leau en dessous, réduisant la quantité de chaleur que lair peut éliminer, mais la glace ne se forme pas sur le fond de létang, elle continue donc à recevoir la chaleur de la terre. Ainsi, létang ne gèle jamais complètement sil est assez profond et lhiver assez court.

Leau de votre étang a Il faut du temps pour que la chaleur de leau se transfère aux environs. Le sol sous leau nest probablement pas en dessous de zéro non plus, donc il transférera la chaleur à leau en même temps. En regardant l historique des températures pour la période en question, les températures élevées pour tous les jours étaient au-dessus du point de congélation et les températures moyennes étaient proches ou supérieures au point de congélation également . Il faut plus dune journée pour quune grande quantité deau perde autant de chaleur dans lenvironnement lorsquelle est de toute façon proche de cette température.

Vous pouvez faire votre propre expérience en obtenant des bouteilles deau de différentes tailles et voir comment il en faut longtemps à chacun pour geler dans les mêmes conditions. Il faut beaucoup plus de perte dénergie pour changer létat de leau de liquide à solide. 4200 J / litre / degré (C) pour changer la température de leau, 333 000 J pour cristalliser un litre deau. Donc, pour geler complètement létang, son environnement devrait absorber la même quantité dénergie quil faudrait pour abaisser la température de près de 80 degrés Celsius.

La température de lair est de 5 degrés. La température de leau ne lest pas. Même raison pour laquelle un bol de soupe ou une tasse de café reste plus chaude que la température ambiante pendant un certain temps avant de revenir à la température ambiante. Prenez ce bol ou cette tasse et agrandissez-le à la taille dun lac.

Pensez à la chaleur dun tas de compost (assez chaud pour prendre feu). Cest essentiellement ce qui se passe au fond de létang pendant une période plus longue lorsque la matière en décomposition de lété se décompose comme dans un digesteur de méthane.

De plus, le la glace (et la neige) se formant sur les bords en haut agissent comme un isolant. Et comme la glace flotte, elle crée un cycle de rétroaction négative en ce qui concerne le refroidissement, cest pourquoi de nombreux lacs gèlent sur le dessus, mais restent liquides en dessous la couche de glace (en plus de la production de chaleur biotique).