Dlaczego staw na moim podwórku nie jest zamarznięty, gdy na zewnątrz jest -15 ° C (5 ° F)?

Woda topi się w temperaturze 0 ° C (32 ° F), ale zamarzanie to bardziej skomplikowana sprawa. Można śmiało powiedzieć, że woda ma zdolność zamarzania w temperaturze 0 ° C, ale może być znacznie chłodniejsza, zanim faktycznie to zrobi, co spowoduje przechłodzenie wody. Woda w tym stan może szybko zestalić się po wprowadzeniu odpowiednich jąder lodu. Na przykład w chmurach konwekcyjnych wodę w stanie ciekłym można obserwować nawet w temperaturze -40 ° C. Jednak woda w twoim stawie nie jest przechłodzona.

Mówisz, że powietrze ma 5 ° F, ale jaka jest temperatura wody (prawdopodobnie powyżej 0 ° C)? Ostatecznie to woda musi być poniżej zera, aby doszło do tworzenia się lodu. Jak głęboki jest staw na Twoim podwórku? Woda w porównaniu z powietrzem ma znacznie lepszą zdolność zatrzymywania ciepła, a im większa objętość wody, tym większy masz zbiornik ciepła Samo zamarzanie jest procesem egzotermicznym, a oblodzenie ogrzewa otaczającą wodę. Staw prawdopodobnie nie jest czystą wodą i jest pełen jonów (np. soli), które zebrał z ziemi, co obniża temperaturę topnienia wody. Wszystkie te efekty utrudniają zamarznięcie wody w stawie i mogą wyjaśniać to, co widzisz.

Spośród tych efektów pojemność cieplna wody i temperatura gruntu pod stawem są prawdopodobnie głównymi przyczynami. Pod stawem znajduje się grunt, który również jest zbiornikiem ciepła inne są prawdopodobnie cieplejsze niż temperatura topnienia wody, mimo że temperatura powietrza jest znacznie niższa. Jeśli płyn zostanie schłodzony z góry, chłodny płyn opada w kierunku dna. Jeśli płyn zostanie podgrzany od dołu, ciepły płyn unosi się. Aby rozpocząć konwekcję, musi nastąpić tylko jedno z nich, ale jest prawdopodobne, że grunt pod stawem jest cieplejszy niż staw, a zarówno ciepła ziemia, jak i chłodne powietrze będą napędzać konwekcję w stawie. To z kolei oznacza, że twój staw jest dobrze wymieszany i będziesz musiał wydobyć z systemu wystarczającą ilość energii, aby schłodzić całą wodę i schłodzić ziemię poniżej stawu, aby lód mógł tworzyć się na powierzchni. To zajmie trochę czasu (rzędu dni / tygodni) ciągłego mroźnego powietrza, aby osiągnąć. Zamrożenie stawu będzie o wiele łatwiejsze niż w przypadku dużego jeziora, ale nadal nie będzie to proces z dnia na dzień.

Komentarze

• To jest kilka stóp. Zaakceptowałem to, bo podoba mi się, ile możliwości wnosisz do swojej odpowiedzi.
• -1 (jeśli mógłbym), ta odpowiedź wydaje się chwytać brzydki. Staw z pewnością nie będzie przechłodzony; sól w wodzie nie obniży temperatury zamarzania poniżej 5 ° F; a wiatr doda tak mało energii, że ' nawet nie warto o tym wspominać.
• Jedyną rzeczą, jaką możesz teraz zrobić, jest chwytanie brzytwy, ale Faktem jest, że staw nie jest zamarznięty. Nie ' nie zakładasz, że Casey pójdzie po próbkę, prawda?
• To właśnie pojemność cieplna i temperatura gruntu są za to głównie odpowiedzialne. Oczywiście w ciągu dnia do tego przyczynia się również energia słoneczna. Jeśli ten staw będzie utrzymywał się na 5 F przez dzień lub dwa, jego powierzchnia prawie na pewno zamarznie (chociaż lód prawdopodobnie nie ' nie byłby zbyt gruby, gdyby nie pozostawał tak zimny znacznie dłużej.) ' warto zauważyć, że dzień przed tym jak zrobiło się tak zimno, temperatury były wyjątkowo wysokie, więc ziemia i woda były nadal dość ciepłe.
• Wiatr może zapobiegaj również zamarzaniu w postaci ciała stałego przez pewien czas, niszcząc każdą ” skórę „, która tworzy się podczas mieszania. Pomyśl o maszynie do lodów – w końcu płyn zamarza, ale może spaść znacznie poniżej punktu zamarzania składników, ponieważ ruch zapobiega znacznemu wzrostowi kryształków lodu. Wokół zamrożonych mogą unosić się małe kawałki, ale będą one bardziej podatne na zniszczenie innymi metodami.

Woda to dość dziwna substancja. W przypadku większości substancji faza stała jest gęstsza niż faza ciekła. Nie dotyczy to wody. Lód jest mniej gęsty niż woda w stanie ciekłym. Efektem ubocznym tego efektu jest to, że woda w stanie ciekłym bardzo blisko punktu zamarzania jest mniej gęsta niż woda nieco cieplejsza. Ta bardzo zimna woda tonie.

Ciekła słodka woda osiąga swoją maksymalną gęstość w temperaturze 4 ° C (40 ° F). Oznacza to, że staw lub jezioro nie może zamarznąć, dopóki cała woda nie zostanie schłodzona do 4 ° C. Dopiero wtedy górna powierzchnia wody może ostygnąć do poniżej 4 ° C, a następnie w końcu zamarznąć.

Oprócz samej wody, która wymaga schłodzenia do 4 ° C przed rozpoczęciem zamrażania, woda- należy również schłodzić nasycony grunt pod stawem. Do tego czasu cieplejszy grunt będzie przekazywał ciepło do stawu i zapobiegał jego zamarzaniu.

To, jak długo woda zacznie zamarzać, zależy od wielu parametrów. Obejmują one rozmiar i głębokość akwenu, rodzaj gruntu pod zbiornikiem wodnym, pogodę prowadzącą do zimna i wietrzność. W pytaniu nie ma wzmianki o głębokości stawu, ale temperatura spadła poniżej zera dopiero w O ”Fallon w stanie Missouri przez około 24 godziny, a temperatury były wcześniej dość łagodne. 24-godzinna temperatura poniżej zera to więcej niż wystarczająco dużo czasu, aby zamrozić małą kałużę, ale na pewno nie jezioro, a prawdopodobnie nawet staw.

W pytaniu wspomina się również, że jest wietrznie. Aby woda mogła zamarznąć, potrzebuje chłodniejszej warstwy wody na szczycie termokliny o temperaturze 4 ° C. Wiatry działają tak, aby woda była dobrze wymieszana.

Komentarze

• Dziękujemy. Przyjąłbym tę odpowiedź, gdybym mógł zaakceptować dwie!
• +1 to jest poprawna odpowiedź. Proces opisany w pierwszych dwóch akapitach nazywa się konwekcją .
• Z pewnością woda blisko punktu zamarzania jest mniej gęsta i dlatego unosi się w górę (przy braku innych efektów)?
• ” woda w stanie ciekłym bardzo blisko temperatura zamarzania jest mniej gęsta niż nieco cieplejsza woda. Ta bardzo zimna woda tonie. ” Jak zauważono powyżej, zimna woda (< 4C) unosi się, a nie tonie. To z kolei izoluje cieplejszą wodę poniżej przed chłodzącym działaniem wiatru.
• @VinceO ' Sullivan – niekoniecznie. W jeziorach północnych występuje ' zjawisko zwane obrotem jesiennym. Gdy jezioro ostygnie do prawie jednakowej temperatury 4 ° C, wiatry mogą spowodować wymieszanie całego jeziora. To jest staw, więc obrót wygrał ' nie był tak wysoki – chyba że wiatry są silne i trwałe. Zimny front, który niedawno przeleciał przez O ' jesień MO, przyniósł silne, długotrwałe wiatry z północnego zachodu, od południa w sobotę (kiedy temperatura spadła poniżej zera) do 16:00 w niedzielę. li>

Ze względu na konwekcję (zimna woda opada, a ciepła woda podnosi się) , cały staw musi zostać doprowadzony do temperatur bliskich zera, zanim powierzchnia zacznie zamarzać. Gdy tylko wierzch stawu styka się z zimnym powietrzem, zajmuje to dużo czasu.

‍ ‍Dodatkowo ziemia (która nie jest chłodzona konwekcyjnie) będzie ochłodzenie trwa jeszcze dłużej, co oznacza, że ziemia ogrzeje dno stawu. Ta ciepła woda podniesie się do góry, wydłużając proces zamrażania.

Zanim coś zamarznie, potrzeba czasu. Powyższe warunki powodują powolne zamarzanie stawu, ale gdyby powietrze pozostawało poniżej zera na zawsze, w końcu cały staw zamarzłby (zaczynając od górnej warstwy i schodząc w dół – kiedy wierzch zamienia się w lód nie tonie już, ponieważ lód ma mniejszą gęstość niż woda ). .

Dlatego jeśli podróżujesz na północ do Minnesoty tam, gdzie łowienie pod lodem jest powszechne, powiedzą ci, że pogoda musi być (głównie) poniżej zera przez kilka tygodni, zanim po jeziorze będzie można bezpiecznie chodzić / jeździć po jeziorze.

Woda w stawie ma kontakt z ziemią, a ziemia nie jest nawet bliska zamarzania, nawet jeśli temperatura powietrza wynosi 27 ° poniżej zera.

Komentarze

• Toczy się tu dużo nauki, a prosta odpowiedź jest taka, że grunt jest nadal zbyt ciepło. Jeśli ziemia jest zamarznięta za dnem stawu, wtedy możemy zagłębić się w ten żargon o super-schłodzonych jądrach lodu.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, ty ' są absolutnie poprawne. Uczyniłem moją odpowiedź tak prostą, jak to tylko możliwe.

Może to być spowodowane tym, że powietrze ochładza się i nagrzewa szybciej niż woda. Powietrze ma niższe ciepło właściwe niż woda. Zanim woda zamarznie, może minąć trochę czasu.

Nikt jeszcze nie wspomniał o rybach. Czy masz w stawie ryby lub inne zwierzęta? Nie tylko zapewniają niewielką ilość ciepła, ale ich ruch pomaga zapobiegać tworzeniu się lodu.

Komentarze

• Tak, zawiera ryby! 🙂

Zmienną, którą należy wziąć pod uwagę, aby zrozumieć problem, jest głębokość stawu. Założę się, że w przeciwieństwie do twojego stawu, płytkie kałuże wokół zamarzły.

Woda jest gęstsza przy 4 ° C, więc aby zamarznąć powierzchnię, musisz schłodzić cały staw do 4 ° C. W przeciwnym razie , gdy woda w powierzchni ostygnie do 4 ° C, opadnie i zostanie zastąpiona cieplejszą wodą od dołu, to jeśli ta woda zostanie schłodzona do 4 ° C, ponownie opadnie i zostanie zastąpiona cieplejszą wodą itd. . Dopiero gdy cały staw osiągnie 4 ° C, woda na powierzchni może ostygnąć poniżej tej temperatury i nadal być lżejsza od wody poniżej, dlatego pozostanie na powierzchni i może się ochładzać, aż zamarznie, tworząc warstwę lodu powierzchniowego.

Poniższy rysunek z tego pytania w „Pytania naukowe z zaskakującymi odpowiedziami” pokazuje różnice w uwarstwieniu temperatury ciepłego stawu (postać letnia), a jeden wystarczająco zimny, aby rozpocząć tworzenie się powierzchniowej skorupy lodowej (rysunek zimowy).

Czas potrzebny do ochłodzenia całego zbiornika wodnego jest wtedy proporcjonalny do głębokości. Płytkie wody będą zamarzać łatwiej, a głębokie będą wymagały dłuższych okresów poniżej zera, aby zacząć tworzyć zamarzniętą skorupę.

Oprócz akceptowanej odpowiedzi od Casey, jest prawdopodobne, że słońce ogrzewa staw w ciągu dnia bardziej niż ogrzewa termometr używany do odczytów temperatury, które podajesz, ponieważ termometry są przechowywane w Stevenson Screen .

Komentarze

• Jeśli ziemia ogrzewa wodę, kondensacja powinna unosić się z wody. Zbierz odczyt temperatury ze stawu i dodaj go do swojego pytania.

Czysta woda zamarza w temperaturze 0 ° C (32 ° F) i przez większość czasu czysta woda rzadko występuje w stawach i innych otwartych zbiornikach wodnych. Kiedy zanieczyszczenia mieszają się z wodą, jej temperatura zamarzania spada.

Komentarze

• stawy to zbiorniki słodkowodne. Słona woda morska zamarza w temperaturze około -2 ° C, więc efekt będzie nieistotny w przypadku wody słodkiej.

To, czy i jak długo zamarznie staw lub inny zbiornik wodny, zależy od kilku czynników. Ciśnienie powietrza, TDS (całkowite rozpuszczone ciała stałe lub sole), ruch samej wody i temperatura otaczającego środowiska.

Ciśnienie powietrza – głównie funkcja wysokości, ciśnienie powietrza wpływa na ciśnienie wody, przy czym woda pod wyższym ciśnieniem wymaga niższych temperatur do zamarznięcia. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Całkowite rozpuszczone ciała stałe, głównie sole i inne jony, obniżają temperaturę krzepnięcia wody do pewnego stopnia i w zależności od określonych chemikaliów i stężenia rozpuszczonych. W stawach słodkowodnych jest mało prawdopodobne, aby oznaczało to więcej niż 1 lub 2 stopnie różnicy. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Ruch wody. Ruchoma woda ma tendencję do hamowania tworzenia się kryształków lodu i opóźniania zamarzania. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatura otaczającego środowiska. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku wody na zewnątrz, takiej jak stawy i jeziora, grunt pod zbiornikiem wodnym pozostanie zbliżony do średniej rocznej temperatury. Powietrze nad stawem będzie musiało usuwać wystarczającą ilość ciepła ze stawu, aby przezwyciężyć wszystkie te czynniki.

Woda ma również wyjątkową (?) Właściwość polegającą na zmniejszaniu się gęstości podczas zamarzania.Oznacza to, że lód, który się formuje, będzie tworzył się na powierzchni, na której woda jest cieplejsza na początku. W płynnej części stawu konwekcja wyniesie ciepło z ziemi pod stawem na powierzchnię, co opóźni tworzenie się lodu. Zimna woda spływająca na dno jest poddawana zwiększonemu ciśnieniu, obniżając jej punkt zamarzania, tak że nawet gdy osiągnie punkt zamarzania na powierzchni, nie zamarznie, opadając w kierunku ciepłej ziemi.

Efektem netto tego wszystkiego jest to, że cała woda musi osiągnąć punkt zamarzania, zanim lód będzie mógł się formować. Im głębszy staw / jezioro, tym dłużej to trwa, a wystarczająco głęboki zbiornik wodny nigdy nie zamarznie całkowicie w normalnych warunkach ziemnych. Ponieważ warstwa lodu tworzy się na powierzchni, izoluje wodę pod nią, zmniejszając ilość ciepła, które powietrze może usunąć, ale lód nie tworzy się na dnie stawu, więc nadal odbiera ciepło z ziemi. Więc staw nigdy nie zamarza całkowicie, jeśli jest wystarczająco głęboki, a zima wystarczająco krótka.

Woda w twoim stawie ma aby obniżyć się do poniżej zera. Ciepło wody potrzebuje czasu, zanim przeniknie do otoczenia. Ziemia pod wodą prawdopodobnie również nie jest poniżej zera, więc będzie przenosić ciepło do wody w tym samym czasie. Patrząc na historię temperatur dla danego okresu, wysokie temperatury we wszystkich okolicznych dniach były powyżej zera, a średnie temperatury również były bliskie lub wyższe od zera . Potrzeba więcej niż jednego dnia, zanim duża ilość wody straci tyle ciepła do otoczenia, gdy i tak jest blisko tej temperatury.

Możesz przeprowadzić własny eksperyment, uzyskując butelki wody o różnych rozmiarach i sprawdzając, jak długo trwa zamrożenie każdego z nich w tych samych warunkach. Zmiana stanu wody z ciekłej na stałą wymaga znacznie większej straty energii. 4200 J / litr / stopień (C), aby zmienić temperaturę wody, 333000 J, aby skrystalizować litr wody. Aby całkowicie zamrozić staw, jego otoczenie musiałoby pochłonąć taką samą ilość energii, jaka byłaby potrzebna do obniżenia temperatury o prawie 80 stopni Celsjusza.

Temperatura powietrza wynosi 5 stopni. Temperatura wody jest inna. Z tego samego powodu miska zupy lub filiżanka kawy przez jakiś czas pozostaje cieplejsza niż temperatura pokojowa, zanim ostygnie do temperatury pokojowej. tę miskę lub filiżankę i powiększ ją do rozmiaru jeziora.

Pomyśl o tym, jak gorący może być stos kompostu (wystarczająco gorąca, aby się zapalić). To właśnie dzieje się na dnie stawu przez dłuższy czas, ponieważ rozkładająca się materia z lata rozkłada się jak w komorze fermentacyjnej metanu.

Ponadto lód (i śnieg) formujący się wokół krawędzi u góry działa jak izolator. A ponieważ lód pływa, tworzy cykl ujemnego sprzężenia zwrotnego w odniesieniu do chłodzenia, dlatego wiele jezior zamarza na górze, ale pozostaje płynne poniżej warstwa lodu (oprócz biotycznej produkcji ciepła).