Perché lo stagno nel mio cortile non è ghiacciato quando fuori è -15 ° C (5 ° F)?

Lacqua si scioglie a 0 ° C (32 ° F) ma il congelamento è una faccenda più complicata. È sicuro che lacqua acquisisce la capacità di congelare a 0 ° C, ma può diventare molto più fredda prima che lo faccia effettivamente, risultando in acqua super raffreddata. Acqua in questo lo stato può solidificarsi rapidamente quando vengono introdotti nuclei di ghiaccio adatti. Ad esempio, nelle nuvole convettive, lacqua liquida può essere osservata a temperature fino a -40 ° C. Tuttavia, lacqua nel tuo laghetto non è super raffreddata.

Dici che laria è di 5 ° F, ma qual è la temperatura dellacqua (probabilmente superiore a 0 ° C)? In definitiva è lacqua che deve essere sotto lo zero affinché si formi il ghiaccio. Quanto è profondo il laghetto nel tuo cortile? Lacqua, rispetto allaria, ha una capacità molto migliore di trattenere il calore e maggiore è il volume dacqua, maggiore è la riserva di calore che hai Il congelamento stesso è un processo esotermico e la formazione di ghiaccio riscalderà lacqua circostante.Il laghetto probabilmente non è acqua pura e piena di ioni (ad esempio sali) che ha raccolto dal terreno, il che abbassa il punto di fusione dellacqua. Tutti questi effetti rendono più difficile il congelamento dellacqua nel laghetto e potrebbero spiegare ciò che stai vedendo.

Di questi effetti, la capacità termica dellacqua e la temperatura del terreno sottostante lo stagno sono probabilmente i contributori primari Sotto lo stagno cè il terreno e anchesso è un serbatoio di calore B altri sono probabilmente più caldi del punto di fusione dellacqua anche se la temperatura dellaria è molto più fredda. Se un fluido viene raffreddato dallalto, il fluido freddo scende verso il basso. Se un fluido viene riscaldato dal basso, il fluido caldo sale. Solo uno di questi deve accadere per avviare la convezione, ma è probabile che il terreno sotto lo stagno sia più caldo dello stagno e sia il terreno caldo che laria fredda guideranno la convezione nello stagno. Questo, a sua volta, significa che il tuo laghetto è ben miscelato e dovrai estrarre abbastanza energia dal sistema per raffreddare tutta lacqua e raffreddare il terreno sotto lo stagno per dare al ghiaccio la possibilità di formarsi sulla superficie. Questo richiederà tempo (nellordine di giorni / settimane) di temperature dellaria sotto lo zero continue per ottenere. Ti divertirai molto più a congelare il tuo stagno che a un grande lago, ma non sarà comunque un processo notturno.

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• Sono un paio di piedi. Ho accettato questo bc. Mi piace quante possibilità porti nella tua risposta.
• -1 (se potessi), questa risposta sembra afferrare le cannucce. Uno stagno non sarà certamente super raffreddato; il sale nellacqua non porterà la temperatura di congelamento sotto i 5 ° F; e il vento aggiungerà così poca energia che ‘ non vale nemmeno la pena di menzionarlo.
• Lunica cosa che puoi fare adesso È afferrare le cannucce, ma resta il fatto che lo stagno non è ghiacciato. Non ‘ presumere che casey vada a recuperare un campione, vero?
• Sono effettivamente la capacità termica e la temperatura del suolo che sono i principali responsabili di questo. Durante il giorno, naturalmente, contribuisce anche lenergia aggiunta dalla luce solare. Se quello stagno si trova a 5 F per un giorno o due, la sua superficie quasi certamente si congelerà (anche se il ghiaccio probabilmente non ‘ sarebbe molto spesso a meno che non rimanga freddo molto più a lungo.) ‘ vale la pena notare che le temperature erano insolitamente alte il giorno prima che facesse questo freddo, quindi il suolo e lacqua erano ancora abbastanza caldi.
• Il vento può evita anche il congelamento come solido per qualche tempo interrompendo qualsiasi ” skin ” che si forma agitando. Pensa a un gelatiere: alla fine il liquido si congela ma può arrivare ben al di sotto del punto di congelamento degli ingredienti perché il movimento impedisce ai cristalli di ghiaccio di crescere molto. Potrebbero esserci piccoli frammenti che galleggiano intorno congelati, ma questi saranno più suscettibili alla distruzione con altri metodi.

Lacqua è una sostanza piuttosto strana. Con la maggior parte delle sostanze, la fase solida è più densa della fase liquida. Questo non è il caso dellacqua. Il ghiaccio è meno denso dellacqua liquida. Un effetto collaterale di questo effetto è che lacqua liquida molto vicino al punto di congelamento è meno densa dellacqua leggermente più calda. Quellacqua molto fredda affonda.

Lacqua dolce liquida raggiunge la sua densità massima a una temperatura di 4 ° C (40 ° F). Ciò significa che uno stagno o un lago non può congelare fino a quando lintero corpo dacqua non viene raffreddato a 4 ° C. Solo allora la superficie superiore dellacqua può raffreddarsi fino a una temperatura inferiore a 4 ° C, e poi eventualmente congelarsi.

Oltre allacqua stessa che deve essere raffreddata a 4 ° C prima che possa iniziare il congelamento, lacqua- Anche il terreno saturo sotto lo stagno deve essere raffreddato. Fino ad allora, quel terreno più caldo trasferirà calore allo stagno e gli impedirà di congelare.

Quanto tempo ci vuole prima che uno specchio dacqua inizi a congelare per la prima volta dipende da una serie di parametri. Questi includono le dimensioni e la profondità del corpo idrico, la natura del terreno al di sotto del corpo idrico, il tempo che porta al freddo e la ventosità. La domanda non menziona la profondità dello stagno, ma è stato solo sotto lo zero a O “Fallon, Missouri per circa 24 ore, e le temperature erano state piuttosto miti prima di allora. Quelle 24 ore di tempo sotto lo zero sono tempo più che sufficiente per congelare una piccola pozzanghera, ma certamente non un lago, e probabilmente nemmeno uno stagno.

La domanda dice anche che cè vento. Affinché un corpo dacqua si congeli, ha bisogno di uno strato dacqua più fresco sopra il termoclino a 4 ° C. I venti agiscono per mantenere lacqua ben miscelata.

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• Grazie. Accetterei questa risposta se potessi accettarne due!
• +1 questa è la risposta corretta. Il processo descritto nei primi due paragrafi si chiama convezione .
• Sicuramente lacqua prossima al punto di congelamento è meno densa e quindi sale verso lalto (in assenza di altri effetti)?
• ” acqua liquida molto vicino il punto di congelamento è meno denso che leggermente più caldo acqua. Quellacqua molto fredda affonda. ” Come osservato sopra, lacqua fredda (< 4C) sale non affonda. Questo isola quindi lacqua più calda sottostante dalleffetto rinfrescante del vento.
• @VinceO ‘ Sullivan – Non necessariamente. ‘ è un fenomeno nei laghi del nord chiamato turnover autunnale. Una volta che un lago si raffredda fino a raggiungere una temperatura di 4 ° C quasi uniforme, i venti possono far mescolare lintero lago. Questo è uno stagno, quindi il fatturato ha vinto ‘ t essere così alto, a meno che i venti non siano forti e sostenuti. Il fronte freddo che recentemente ha attraversato O ‘ fallon MO ha portato venti forti e sostenuti da nord-ovest, da mezzogiorno di sabato (quando la temperatura è scesa per la prima volta sotto lo zero) fino alle 16 di domenica.

A causa della convezione (lacqua fredda affonda mentre lacqua calda sale) , l intero stagno deve essere portato a temperature prossime allo zero prima che la superficie possa gelare. Con solo la parte superiore dello stagno a contatto con laria fredda, questo richiede molto tempo.

‍ ‍ Inoltre, il terreno (che non è raffreddato per convezione) impiegare ancora più tempo per raffreddarsi, il che significa che il terreno riscalderà il fondo dello stagno. Quellacqua calda salirà in superficie, allungando il processo di congelamento.

Ci vuole tempo prima che le cose si congelino. Le condizioni di cui sopra fanno congelare lentamente lo stagno, ma se laria dovesse rimanere sotto lo zero per sempre, alla fine lintero stagno si congelerebbe su (iniziando dallo strato superiore e procedendo verso il basso, quando la parte superiore diventa ghiaccio non affonda più perché il ghiaccio ha una densità inferiore a quella dellacqua ) .

Questo è il motivo per cui, se viaggi a nord verso il Minnesota dove la pesca sul ghiaccio è comune, ti diranno che il tempo deve essere (principalmente) sotto lo zero per settimane prima che il lago sia sicuro per camminare / guidare.

Lacqua in uno stagno è a contatto con il suolo e il terreno non è nemmeno vicino al congelamento anche se il la temperatura dellaria è di 27 ° sotto lo zero.

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• Molta scienza viene lanciata da queste parti, mentre la semplice risposta è che il terreno è ancora troppo caldo. Se il terreno è ghiacciato oltre il fondo dello stagno, allora possiamo entrare in tutto quel gergo dei nuclei di ghiaccio super raffreddati.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, tu ‘ è assolutamente corretto. Ho reso la mia risposta il più semplice possibile.

Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che laria si raffredda e si riscalda più velocemente dellacqua. Laria ha un calore specifico inferiore rispetto allacqua. Potrebbe volerci un po di tempo prima che lacqua si congeli.

Nessuno ha ancora menzionato il pesce. Hai pesci o altri animali nel tuo stagno? Non solo forniscono una piccola quantità di riscaldamento, ma il loro movimento aiuta a prevenire la formazione di ghiaccio.

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• Sì, contiene pesce! 🙂

La variabile che devi considerare per capire il problema è la profondità dello stagno. Scommetto che, a differenza del tuo laghetto, le pozzanghere poco profonde intorno si sono congelate.

Lacqua è più densa a 4 ° C, quindi per congelare la superficie devi raffreddare lintero laghetto a 4 ° C. Altrimenti , quando lacqua in superficie si raffredda fino a 4 ° C, affonderebbe e verrebbe sostituita da acqua più calda dal basso, quindi se quellacqua viene raffreddata fino a 4 ° C affonderà di nuovo e sarà sostituita da acqua più calda, e così via Solo una volta che lintero laghetto è a 4 ° C, lacqua in superficie può raffreddarsi al di sotto di quella temperatura ed essere ancora più leggera dellacqua sottostante, quindi rimarrebbe in superficie e può continuare a raffreddarsi fino a quando si congela producendo uno strato di ghiaccio superficiale.

La figura seguente tratta da questa domanda a “Domande scientifiche con risposte sorprendenti” mostra le differenze di stratificazione della temperatura di uno stagno caldo (figura estiva), e uno appena abbastanza freddo da iniziare la formazione di una crosta di ghiaccio superficiale (figura invernale).

Il tempo necessario per raffreddare lintero specchio dacqua è quindi proporzionale alla profondità. I corpi di acqua bassa si congeleranno più facilmente e quelli profondi richiederanno lunghi periodi di temperature sotto lo zero per iniziare a generare una crosta ghiacciata.

Oltre alla risposta accettata da Casey, è probabile che il sole riscaldi lo stagno nel corso di una giornata più di quanto riscaldi il termometro utilizzato per le letture di temperatura che stai citando, poiché i termometri sono tenuti allinterno di un Stevenson Screen .

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• Se il suolo riscalda lacqua, la condensa dovrebbe si alza dallacqua. Prendi una lettura della temperatura dallo stagno e aggiungila alla tua domanda.

Lacqua pura congela a 0 ° C (32 ° F) e la maggior parte delle volte lacqua pura si trova raramente in stagni e altri corpi dacqua aperti. Quando le impurità si mescolano nellacqua, il suo punto di congelamento scende.

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• gli stagni sono corpi dacqua dolce. Lacqua di mare salina si congela a circa -2 ° C, quindi leffetto sarà trascurabile per lacqua dolce.

Se e quanto tempo impiega uno stagno o un altro specchio dacqua per congelare dipende da diversi fattori. Pressione dellaria, TDS (solidi totali disciolti, o sali), movimento dellacqua stessa e temperatura dellambiente circostante.

Pressione dellaria – Principalmente una funzione dellaltitudine, la pressione dellaria influisce sulla pressione dellacqua, con acqua sotto pressione più alta che richiede temperature più basse per congelare. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – I solidi totali disciolti, principalmente sali e altri ioni, abbassano il punto di congelamento di acqua fino a un certo punto ea seconda delle sostanze chimiche specifiche e della concentrazione disciolta. Negli stagni di acqua dolce è improbabile che ciò significhi una differenza superiore a 1 o 2 gradi. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Movimento dellacqua. Lacqua in movimento tende a inibire la formazione di cristalli di ghiaccio e ritardare il congelamento. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatura dellambiente circostante. In generale con lacqua esterna come stagni e laghi, il terreno sotto il corpo idrico rimarrà vicino alla temperatura media annuale. Laria sopra lo stagno dovrà rimuovere abbastanza calore dallo stagno per superare tutti questi fattori.

Lacqua ha anche la proprietà unica (?) Di diminuire di densità quando si congela.Ciò significa che il ghiaccio, che si forma, si formerà sulla superficie dove lacqua tende ad essere più calda allinizio. Nella parte liquida dello stagno, la convezione porterà il calore dalla terra sotto lo stagno alla superficie, il che ritarda la formazione di ghiaccio. Lacqua fredda che scende fino al fondo è sottoposta a una pressione crescente, che ne abbassa il punto di congelamento, in modo che anche una volta che avrà ripreso il punto di congelamento in superficie, non si congelerà scendendo verso la terra calda.

Leffetto netto di tutto ciò è che lintero specchio dacqua deve raggiungere il punto di congelamento prima che il ghiaccio possa formarsi. Più profondo è lo stagno / lago, più tempo impiega e un corpo dacqua sufficientemente profondo non si congela mai completamente in condizioni normali del terreno. Quando lo strato di ghiaccio si forma sulla superficie, agisce isolando lacqua sottostante, riducendo la quantità di calore che laria può rimuovere, ma il ghiaccio non si forma sul fondo del laghetto, quindi continua a ricevere calore dalla terra. Quindi lo stagno non si congela mai completamente se è abbastanza profondo e linverno abbastanza breve.

Lacqua nel tuo stagno ha per abbassarsi al di sotto dello zero. Ci vuole tempo prima che il calore dellacqua si trasferisca nellambiente circostante. Il terreno sotto lacqua probabilmente non è sotto lo zero, quindi trasferirà calore allacqua allo stesso tempo. Guardando la cronologia delle temperature per il periodo in questione, le alte temperature per tutti i giorni intorno erano sopra lo zero e anche le temperature medie erano vicine o superiori allo zero . Ci vuole più di un giorno perché una grande quantità di acqua disperda tanto calore nellambiente quando è comunque vicina a quella temperatura.

Potresti fare il tuo esperimento ottenendo bottiglie dacqua di dimensioni diverse e vedendo come tempo impiega ciascuno a congelare nelle stesse condizioni. Ci vuole molta più perdita di energia per cambiare lo stato dellacqua da liquido a solido. 4200 J / litro / grado (C) per modificare la temperatura dellacqua, 333.000 J per cristallizzare un litro dacqua. Quindi, per congelare completamente lo stagno, lambiente circostante dovrebbe assorbire la stessa quantità di energia necessaria per abbassare la temperatura di quasi 80 gradi centigradi.

La temperatura dellaria è di 5 gradi. La temperatura dellacqua non lo è. Stessa ragione per cui una ciotola di zuppa o una tazza di caffè rimane più calda della temperatura ambiente per un po di tempo prima che si raffreddi a temperatura ambiente. Prendi quella ciotola o tazza ed espanderla fino alle dimensioni di un lago.

Pensa a quanto può diventare caldo un cumulo di compost (abbastanza caldo da prendere fuoco). Questo è fondamentalmente ciò che sta accadendo sul fondo dello stagno per un periodo di tempo più lungo mentre la materia in decomposizione dellestate si decompone come in un digestore di metano.

Inoltre, il il ghiaccio (e la neve) che si formano attorno ai bordi in alto agiscono da isolante. E poiché il ghiaccio galleggia, crea un ciclo di feedback negativo per quanto riguarda il raffreddamento, motivo per cui molti laghi si congelano sopra, ma rimangono liquidi sotto lo strato di ghiaccio (oltre alla produzione di calore biotico).