Waarom is de vijver in mijn achtertuin niet bevroren als hij -15 ° C (5 ° F) buiten staat?

Water smelt bij 0 ° C (32 ° F) maar bevriezen is een ingewikkelder aangelegenheid. Het is veilig om te zeggen dat water het vermogen krijgt om bij 0 ° C te bevriezen, maar het kan veel koeler worden voordat het dat daadwerkelijk doet, wat resulteert in onderkoeld water. Water hierin toestand kan snel stollen wanneer geschikte ijskernen worden geïntroduceerd. In convectieve wolken kan vloeibaar water bijvoorbeeld worden waargenomen bij temperaturen tot -40 ° C. Het water in uw vijver is echter niet onderkoeld.

U zegt dat de lucht 5 ° F is, maar wat is de temperatuur van het water (waarschijnlijk boven 0 ° C)? Uiteindelijk is het het water dat moet onder het vriespunt zijn om ijsvorming te laten optreden. Hoe diep is de vijver in uw achtertuin? Water heeft, in vergelijking met lucht, een veel beter vermogen om warmte vast te houden en hoe groter het watervolume, des te meer warmteaccumulator u heeft Bevriezing zelf is een exotherm proces en ijsvorming zal het omringende water verwarmen. De vijver is waarschijnlijk geen zuiver water en zit vol met ionen (bijv. zouten) die het uit de grond heeft opgepikt, waardoor het smeltpunt van water verlaagt. Al deze effecten maken het moeilijker voor water in uw vijver om daadwerkelijk te bevriezen en kunnen verklaren wat u ziet.

Van deze effecten zijn de warmtecapaciteit van het water en de temperatuur van de grond onder de vijver zijn waarschijnlijk de belangrijkste bijdragers Onder de vijver bevindt zich de grond en het is ook een warmtereservoir Beide zijn waarschijnlijk warmer dan het smeltpunt van water, ook al is de luchttemperatuur veel kouder. Als een vloeistof van bovenaf wordt gekoeld, zakt de koele vloeistof naar de bodem. Als een vloeistof van onderaf wordt opgewarmd, stijgt de warme vloeistof. Er hoeft maar één hiervan te gebeuren om convectie te starten, maar het is waarschijnlijk dat de grond onder de vijver warmer is dan de vijver en zowel de warme grond als de koele lucht zullen de convectie in de vijver stimuleren. Dit betekent op zijn beurt dat uw vijver goed gemengd is en dat u voldoende energie uit het systeem moet halen om al het water af te koelen en de grond onder de vijver af te koelen om ijs de kans te geven zich op het oppervlak te vormen. Dit kost tijd (in de orde van dagen / weken) van voortdurende temperaturen onder het vriespunt om te bereiken. Het bevriezen van uw vijver is veel gemakkelijker dan bij een groot meer, maar het is nog steeds geen proces van de ene op de andere dag.

Opmerkingen

• Het is een paar meter. Ik heb dit geaccepteerd. Ik vind het leuk hoeveel mogelijkheden je in je antwoord inbrengt.
• -1 (als ik kon), dit antwoord lijkt te grijpen naar strohalmen. Een vijver zal zeker niet onderkoeld raken; het zout in het water zal de vriestemperatuur niet onder de 5 brengen ° F; en de wind zal zo weinig energie toevoegen dat het ‘ niet eens het vermelden waard is.
• Het enige wat je nu kunt doen, IS naar rietjes grijpen, maar de feit blijft dat de vijver niet bevroren is. U ‘ niet aannemen dat het geval is om een monster te gaan halen, nietwaar?
• Het zijn inderdaad de warmtecapaciteit en de grondtemperatuur die hier grotendeels verantwoordelijk voor zijn. Overdag draagt natuurlijk ook energie uit zonlicht bij. Als die vijver een dag of twee op 5 F staat, zal het oppervlak vrijwel zeker bevriezen (hoewel het ijs waarschijnlijk niet ‘ niet erg dik zou zijn, tenzij het veel langer zo koud bleef.) Het ‘ is het vermelden waard dat de temperaturen ongebruikelijk hoog waren de dag voordat het zo koud werd, dus de grond en het water waren nog steeds behoorlijk warm.
• Wind kan voorkom ook dat een vaste stof enige tijd vastloopt door elke ” skin ” die zich vormt door te roeren te verstoren. Denk aan een ijsmachine – uiteindelijk bevriest de vloeistof, maar deze kan ver onder het vriespunt van de ingrediënten komen, omdat beweging voorkomt dat ijskristallen veel groeien. Er kunnen kleine stukjes bevroren rondzweven, maar deze zijn gevoeliger voor vernietiging door andere methoden.

Water is een nogal vreemde substantie. Bij de meeste stoffen is de vaste fase dichter dan de vloeibare fase. Dit is niet het geval met water. IJs is minder dicht dan vloeibaar water. Een neveneffect van dit effect is dat vloeibaar water vlakbij het vriespunt minder dicht is dan iets warmer water. Dat zeer koele water zinkt.

Vloeibaar zoet water bereikt zijn maximale dichtheid bij een temperatuur van 4 ° C (40 ° F). Dit betekent dat een vijver of meer pas kan bevriezen als het hele water is afgekoeld tot 4 ° C. Alleen dan kan het bovenoppervlak van het water afkoelen tot onder de 4 ° C en uiteindelijk bevriezen.

Naast dat het water zelf gekoeld moet worden tot 4 ° C voordat het bevriezen kan beginnen, kan het water- verzadigde grond onder de vijver moet ook worden gekoeld. Tot die tijd zal die warmere grond warmte aan de vijver overdragen en voorkomen dat deze bevriest.

Hoe lang het duurt voordat een waterlichaam voor het eerst begint te bevriezen, hangt af van een aantal parameters. Deze omvatten de grootte en diepte van het waterlichaam, de aard van de grond onder het waterlichaam, het weer dat tot het koude weer leidt en winderigheid. De vraag noemt de diepte van de vijver niet, maar het is pas ongeveer 24 uur onder het vriespunt geweest in Ofallon, Missouri, en de temperaturen waren daarvoor behoorlijk zwoel. Die 24 uur durende periode onder het vriespunt is meer dan genoeg tijd om een kleine plas te bevriezen, maar zeker geen meer, en waarschijnlijk zelfs geen vijver.

De vraag vermeldt ook dat het winderig is. Om een watermassa te laten bevriezen, heeft het een koelere laag water nodig bovenop de thermocline van 4 ° C. Winden zorgen ervoor dat het water goed gemengd blijft.

Reacties

• Bedankt. Ik zou dit antwoord accepteren als ik er twee zou kunnen accepteren!
• +1 dit is het juiste antwoord. Het proces dat in de eerste twee alineas wordt beschreven, wordt convectie genoemd.
• Het water in de buurt van het vriespunt is zeker minder dicht en daarom stijgt naar de top (bij afwezigheid van andere effecten)?
• ” vloeibaar water zeer dichtbij het vriespunt is minder dicht dan iets warmer water. Dat zeer koele water zinkt. ” Zoals hierboven opgemerkt, stijgt koel water (< 4C) niet. Dit isoleert dan het warmere water beneden tegen het verkoelende effect van de wind.
• @VinceO ‘ Sullivan – niet noodzakelijk. Er is ‘ een fenomeen in noordelijke meren dat herfstomzet wordt genoemd. Zodra een meer is afgekoeld tot een bijna uniforme temperatuur van 4 ° C, kan de wind ervoor zorgen dat het hele meer zich mengt. Dit is een vijver, dus de omzet is ‘ niet zo hoog – tenzij de winden sterk en aanhoudend zijn. Het koude front dat onlangs door O ‘ fallon MO waaide, bracht sterke, aanhoudende winden uit het noordwesten, van zaterdagmiddag (toen de temperatuur voor het eerst onder het vriespunt daalde) tot zondag 16.00 uur.

Vanwege convectie (het koude water zinkt terwijl het warme water stijgt) , de gehele vijver moet op bijna vriestemperaturen worden gebracht voordat het oppervlak kan bevriezen. Met alleen de bovenkant van de vijver in contact met de koude lucht, duurt dit lang.

‍ ‍ Bovendien zal de grond (die niet wordt gekoeld door convectie) duurt nog langer om af te koelen, wat betekent dat de grond de bodem van de vijver zal opwarmen. Dat warme water stijgt naar de top, waardoor het bevriezingsproces wordt verlengd.

Het duurt even voordat dingen bevriezen. De bovenstaande omstandigheden zorgen ervoor dat de vijver langzaam bevriest, maar als de lucht voor altijd onder het vriespunt zou blijven, zou uiteindelijk de hele vijver bevriezen boven (beginnend met de bovenste laag en werkend naar beneden – wanneer de bovenkant verandert in ijs het zinkt niet meer omdat ijs een lagere dichtheid heeft dan water ) .

Dit is waarom, als je naar het noorden naar Minnesota reist waar ijsvissen gebruikelijk is, zullen ze je vertellen dat het weer weken (meestal) onder het vriespunt moet zijn voordat het veilig is om over het meer te lopen / rijden.

Het water in een vijver staat in contact met de grond en de grond is zelfs niet bijna te vriezen, zelfs als de luchttemperatuur is 27 ° onder het vriespunt.

Opmerkingen

• Er wordt hier veel wetenschap rondgegooid, terwijl het simpele antwoord is dat de grond nog steeds te warm. Als de grond voorbij de bodem van de vijver bevroren is, dan kunnen we in al dat onderkoelde-ijs-kernen jargon terechtkomen.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, jij ‘ opnieuw absoluut correct. Ik heb mijn antwoord zo eenvoudig mogelijk gemaakt.

Dit kan zijn omdat de lucht sneller afkoelt en verwarmt dan water. Lucht heeft een lagere specifieke warmte dan water. Het kan even duren voordat het water bevriest.

Nog niemand heeft het over vis gehad. Heeft u vissen of andere dieren in uw vijver? Ze zorgen niet alleen voor een kleine hoeveelheid opwarming, hun beweging helpt ook ijsvorming te voorkomen.

Opmerkingen

• Ja, er zit vis in! 🙂

De variabele die je moet overwegen om het probleem te begrijpen, is de diepte van de vijver. Ik wed dat in tegenstelling tot je vijver, ondiepe plassen eromheen bevriezen.

Het water is dichter bij 4 ° C, dus om het oppervlak te bevriezen moet je de hele vijver afkoelen tot 4 ° C. Anders , als het water in het oppervlak afkoelt tot 4 ° C, zal het zinken en worden vervangen door warmer water van onderaf, en als dat water wordt afgekoeld tot 4 ° C zal het weer zinken en worden vervangen door warmer water, enzovoort Pas als de hele vijver op 4 ° C is, kan het water in het oppervlak onder die temperatuur afkoelen en nog steeds lichter zijn dan het water eronder, daarom blijft het in het oppervlak en kan het blijven afkoelen totdat het bevriest en een laag vormt van oppervlakte-ijs.

De volgende afbeelding van deze vraag bij “Wetenschappelijke vragen met verrassende antwoorden” toont de verschillen in temperatuurstratificatie van een warme vijver (zomercijfer), en een die net koud genoeg is om de vorming van een ijskorst aan het oppervlak te beginnen (winterfiguur).

De tijd die nodig is om het hele water af te koelen is dan evenredig met de diepte. Ondiepe waterlichamen zullen gemakkelijker bevriezen, en diepe waterlichamen zullen langere perioden van temperaturen onder het vriespunt nodig hebben om een bevroren korst te genereren.

Naast het geaccepteerde antwoord van Casey, is het waarschijnlijk dat de zon de vijver in de loop van een dag meer opwarmt dan de thermometer die wordt gebruikt voor de temperatuurmetingen die u aanhaalt, aangezien thermometers binnen een Stevenson Screen .

Opmerkingen

• Als de grond het water opwarmt, moet condensatie Meet de temperatuur van de vijver en voeg deze toe aan je vraag.

Zuiver water bevriest bij 0 ° C (32 ° F) en meestal wordt zuiver water zelden aangetroffen in vijvers en andere open waterlichamen. Wanneer onzuiverheden in water worden gemengd, daalt het vriespunt.

Opmerkingen

• vijvers zijn zoetwaterlichamen. Zout zeewater bevriest bij ongeveer -2 ° C, dus het effect zal verwaarloosbaar zijn voor zoet water.

Of en hoelang het duurt voordat een vijver of ander water bevriest, hangt af van verschillende factoren. Luchtdruk, TDS (totaal opgeloste vaste stoffen of zouten), beweging van het water zelf en de temperatuur van de omgeving.

Luchtdruk – Meestal een functie van de hoogte, de druk van de lucht beïnvloedt de druk van het water, waarbij water onder hogere druk lagere temperaturen nodig heeft om te bevriezen. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Totaal opgeloste vaste stoffen, voornamelijk zouten en andere ionen verlagen het vriespunt van water tot een punt en afhankelijk van de specifieke chemicaliën en concentratie opgelost. In zoetwatervijvers betekent dit waarschijnlijk niet meer dan 1 of 2 graden verschil. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Beweging van het water. Bewegend water remt de vorming van ijskristallen en vertraagt het bevriezen. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatuur van de omgeving. Over het algemeen zal met buitenwater zoals vijvers en meren de grond onder het water dicht bij de gemiddelde jaartemperatuur blijven. De lucht boven de vijver zal voldoende warmte uit de vijver moeten verwijderen om al deze factoren te overwinnen.

Water heeft ook de unieke (?) Eigenschap dat het in dichtheid afneemt als het vriest.Dit betekent dat ijs, dat zich vormt, zich zal vormen aan het oppervlak waar het water in het begin meestal warmer is. In het vloeibare deel van de vijver brengt convectie warmte van de aarde onder de vijver naar de oppervlakte, waardoor ijsvorming wordt vertraagd. Het koude water dat naar de bodem stroomt, wordt onderworpen aan toenemende druk, verlaagt het vriespunt, zodat het zelfs als het eenmaal het vriespunt aan het oppervlak bereikt, niet zal bevriezen als het naar de warme aarde beweegt.

Het netto-effect van dit alles is dat het hele water het vriespunt moet bereiken voordat er ijs kan ontstaan. Hoe dieper de vijver / het meer, hoe langer het duurt en een voldoende diep waterlichaam zal onder normale aardcondities nooit volledig bevriezen. Terwijl de ijslaag zich op het oppervlak vormt, werkt het om het water eronder te isoleren, waardoor de hoeveelheid warmte die de lucht kan verwijderen wordt verminderd, maar het ijs vormt zich niet op de vijverbodem, dus het blijft warmte van de aarde ontvangen. De vijver bevriest dus nooit volledig als hij diep genoeg is en de winter kort genoeg.

Het water in uw vijver heeft tot onder het vriespunt. Het duurt even voordat de warmte van het water naar de omgeving is overgebracht. De grond onder het water is waarschijnlijk ook niet onder het vriespunt, dus het zal tegelijkertijd warmte aan het water overdragen. Kijkend naar de temperatuurgeschiedenis voor de betreffende tijd, waren de hoge temperaturen gedurende alle dagen rond het vriespunt en waren de gemiddelde temperaturen dichtbij of hoger dan het vriespunt . Het duurt meer dan een dag voordat een grote hoeveelheid water zoveel warmte aan de omgeving verliest als het toch in de buurt van die temperatuur is.

Je zou je eigen experiment kunnen doen door flessen water van verschillende grootte te krijgen en te zien hoe het duurt lang voordat iedereen onder dezelfde omstandigheden bevriest. Er is veel meer energieverlies nodig om de toestand van water van vloeibaar naar vast te veranderen. 4200 J / liter / graad (C) om de temperatuur van water te veranderen, 333.000 J om een liter water te kristalliseren. Dus om de vijver volledig te bevriezen, zou de omgeving dezelfde hoeveelheid energie moeten opnemen als nodig is om de temperatuur met bijna 80 graden Celsius te verlagen.

De luchttemperatuur is 5 graden. De watertemperatuur is dat niet. Dezelfde reden waarom een kom soep of kop koffie een tijdje warmer blijft dan kamertemperatuur voordat het afkoelt tot kamertemperatuur. Neem die kom of beker en vergroot deze tot de grootte van een meer.

Bedenk hoe heet een composthoop kan worden (heet genoeg om in brand te vliegen.) Dat is eigenlijk wat er gedurende een langere periode op de bodem van de vijver gebeurt, aangezien de rottende materie van de zomer uiteenvalt zoals in een methaanvergister.

ijs (en sneeuw) dat zich vormt rond de randen aan de bovenkant, fungeert als een isolator. En aangezien ijs drijft, creëert het een negatieve feedbackcyclus met betrekking tot koeling, daarom bevriezen veel meren bovenaan, maar blijven ze hieronder vloeibaar. de ijslaag (naast de biotische warmteproductie).