Por que o lago em meu quintal não está congelado quando está -15 ° C (5 ° F) do lado de fora?

A água derrete a 0 ° C (32 ° F), mas congelar é uma questão mais complicada. É seguro dizer que a água ganha a capacidade de congelar a 0 ° C, mas pode esfriar muito antes de realmente fazer isso, resultando em água super-resfriada. Água neste estado pode solidificar rapidamente quando núcleos de gelo adequados são introduzidos. Por exemplo, em nuvens convectivas, água líquida pode ser observada em temperaturas tão baixas quanto -40 ° C. No entanto, a água em sua lagoa não é super-resfriada.

Você diz que o ar tem 5 ° F, mas qual é a temperatura da água (provavelmente acima de 0 ° C)? Em última análise, é a água que precisa estar abaixo de zero para que ocorra a formação de gelo. Qual é a profundidade do lago no seu quintal? A água, em comparação com o ar, tem uma capacidade muito melhor de reter calor e quanto maior o volume de água, mais reservatório de calor você tem para lidar com. O próprio congelamento é um processo exotérmico e a formação de gelo aquece a água circundante. O lago provavelmente não é água pura e está cheio de íons (por exemplo, sais) que coletou do solo, o que diminui o ponto de derretimento da água. Todos esses efeitos tornam mais difícil para a água em sua lagoa congelar e podem explicar o que você está vendo.

Desses efeitos, a capacidade de calor da água e a temperatura do solo sob a lagoa são provavelmente os contribuintes principais. Debaixo do tanque está o solo e também é um reservatório de calor. B ambos são provavelmente mais quentes do que o ponto de fusão da água, embora a temperatura do ar seja muito mais fria. Se um fluido é resfriado de cima, ele afunda em direção ao fundo. Se um fluido é aquecido por baixo, o fluido quente sobe. Apenas um destes precisa estar acontecendo para iniciar a convecção, mas é provável que o solo abaixo do tanque esteja mais quente do que o tanque e tanto o solo quente quanto o ar frio irão impulsionar a convecção no tanque. Isso, por sua vez, significa que seu tanque está bem misturado e você precisará extrair energia suficiente do sistema para resfriar toda a água e resfriar o solo abaixo do tanque para dar a chance de gelo se formar na superfície. Isso levará tempo (na ordem de dias / semanas) de temperaturas de ar subcongelantes contínuas para ser realizado. Você terá muito mais facilidade para congelar seu lago do que um grande lago, mas ainda assim não será um processo noturno.

Comentários

• É um par de pés. Aceitei isso bc gosto de quantas possibilidades você traz para sua resposta.
• -1 (se pudesse), esta resposta parece estar se agarrando a qualquer coisa. Um lago certamente não será super-resfriado; o sal na água não vai trazer a temperatura de congelamento abaixo de 5 ° F; e o vento adicionará tão pouca energia que ‘ nem vale a pena mencionar.
• A única coisa que você pode fazer agora É agarrar-se a palhinhas, mas o O fato é que a lagoa não está congelada. Você não ‘ t presume que Casey vai e recupera uma amostra, não é?
• Na verdade, é a capacidade de calor e a temperatura do solo os principais responsáveis por isso. Durante o dia, a energia adicionada da luz solar também contribui, é claro. Se esse lago ficar a 5 F por um ou dois dias, sua superfície quase certamente congelará (embora o gelo provavelmente não ‘ seja muito espesso, a menos que permaneça assim por muito mais tempo.) ‘ É importante notar que as temperaturas estavam excepcionalmente altas na véspera de ficar frio, então o solo e a água ainda estavam bastante quentes.
• O vento pode também evita o congelamento como um sólido por algum tempo interrompendo qualquer ” skin ” que se forme por meio de agitação. Pense em um fabricante de sorvete – eventualmente o líquido congela, mas pode ficar bem abaixo do ponto de congelamento dos ingredientes porque o movimento impede que os cristais de gelo cresçam muito. Pode haver pequenos pedaços flutuando congelados, mas eles serão mais suscetíveis à destruição por outros métodos.

A água é uma substância bastante estranha. Com a maioria das substâncias, a fase sólida é mais densa do que a fase líquida. Este não é o caso da água. O gelo é menos denso que a água líquida. Um efeito colateral desse efeito é que a água líquida muito próxima do ponto de congelamento é menos densa do que a água ligeiramente mais quente. Essa água muito fria afunda.

A água doce líquida atinge sua densidade máxima a uma temperatura de 4 ° C (40 ° F). Isso significa que uma lagoa ou lago não pode congelar até que todo o corpo de água seja resfriado a 4 ° C. Só então a superfície superior da água pode resfriar abaixo de 4 ° C e, eventualmente, congelar.

Além da própria água precisar ser resfriada a 4 ° C antes de começar o congelamento, a água- solo saturado sob o tanque também deve ser resfriado. Até então, esse solo mais quente transferirá calor para o tanque e evitará que ele congele.

Quanto tempo leva para que um corpo dágua comece a congelar depende de vários parâmetros. Isso inclui o tamanho e a profundidade do corpo dágua, a natureza do solo sob o corpo dágua, o clima que leva ao frio e a ventania. A pergunta não menciona a profundidade da lagoa, mas só esteve abaixo de zero em O “fallon, Missouri, por cerca de 24 horas, e as temperaturas eram bastante amenas antes disso. Esse período de 24 horas de clima abaixo de zero é tempo mais do que suficiente para congelar uma pequena poça, mas certamente não um lago e provavelmente nem mesmo um lago.

A pergunta também menciona que está ventando muito. Para que um corpo dágua congele, ele precisa de uma camada mais fria de água sobre a termoclina de 4 ° C. Os ventos agem para manter a água bem misturada.

Comentários

• Obrigado. Eu aceitaria esta resposta se pudesse aceitar duas!
• +1 esta é a resposta correta. O processo descrito nos dois primeiros parágrafos é chamado de convecção .
• Certamente a água próxima ao ponto de congelamento é menos densa e, portanto, sobe para o topo (na ausência de outros efeitos)?
• ” água líquida muito perto do ponto de congelamento é menos densa do que ligeiramente mais quente agua. Essa água muito fria afunda. ” Conforme observado acima, a água fria (< 4C) sobe, não afunda. Isso então isola a água mais quente abaixo do efeito de resfriamento do vento.
• @VinceO ‘ Sullivan – Não necessariamente. Há ‘ um fenômeno nos lagos do norte chamado turnover no outono. Uma vez que um lago esfria a uma temperatura quase uniforme de 4 ° C, os ventos podem fazer com que todo o lago se misture. Este é um lago, então a rotatividade ‘ t ser tão alta – a menos que os ventos sejam fortes e sustentados. A frente fria que recentemente soprou em O ‘ fallon MO trouxe ventos fortes e sustentados do noroeste, do meio-dia de sábado (quando a temperatura caiu abaixo de zero) até as 16h de domingo.

Devido à convecção (a água fria afunda enquanto a água quente sobe) , a lagoa inteira precisa ser levada a temperaturas quase congelantes antes que a superfície possa congelar. Com apenas o topo da lagoa em contato com o ar frio, isso leva muito tempo.

‍ ‍Além disso, o solo (que não é resfriado por convecção) irá leve ainda mais tempo para esfriar, o que significa que o solo aquecerá o fundo do tanque. Essa água quente vai subir até o topo, prolongando o processo de congelamento.

Leva tempo para as coisas congelarem. As condições acima fazem com que o lago congele lentamente, mas se o ar permanecesse abaixo de zero para sempre, eventualmente todo o lago congelaria (começando com a camada superior e descendo – quando o topo se transforma em gelo ele não afunda mais porque o gelo tem densidade mais baixa do que a água ) .

É por isso que, se você viajar para o norte de Minnesota onde a pesca no gelo é comum, eles “dirão que o tempo precisa estar (principalmente) abaixo de zero por semanas antes que o lago seja seguro para caminhar / dirigir.

A água de uma lagoa está em contato com o solo e o solo não está nem perto de congelar, mesmo que o a temperatura do ar está 27 ° abaixo de zero.

Comentários

• Muita ciência sendo jogada por aqui, enquanto a resposta simples é que o solo ainda é muito caloroso. Se o solo estiver congelado além do fundo do lago, então podemos entrar em todo aquele jargão de núcleos de gelo super-resfriado.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, você ‘ estão absolutamente corretos. Tornei minha resposta o mais simples possível.

Isso pode ser porque o ar esfria e esquenta mais rápido do que água. O ar tem um Calor específico inferior ao da água. A água pode levar algum tempo para congelar.

Ninguém mencionou peixes ainda. Você tem peixes ou outros animais em sua lagoa? Eles não apenas fornecem uma pequena quantidade de aquecimento, mas seu movimento ajuda a prevenir a formação de gelo.

Comentários

• Sim, contém peixes! 🙂

A variável que você precisa considerar para entender o problema é a profundidade do lago. Aposto que, ao contrário do seu lago, poças rasas ao redor congelaram.

A água é mais densa a 4 ° C, então para congelar a superfície você precisa resfriar todo o lago a 4 ° C. Caso contrário , quando a água na superfície resfria a 4 ° C, ela afunda e é substituída por água mais quente de baixo, então se essa água é resfriada a 4 ° C ela afunda novamente e é substituída por água mais quente, e assim por diante . Somente quando todo o tanque está a 4 ° C, a água na superfície pode resfriar abaixo dessa temperatura e ainda ser mais leve que a água abaixo, portanto, ficaria na superfície e poderia continuar resfriando até congelar, produzindo uma camada da superfície do gelo.

A figura a seguir de esta pergunta em “Questões científicas com respostas surpreendentes” mostra as diferenças de estratificação de temperatura de um lago quente (figura de verão), e um frio o suficiente para iniciar a formação de uma crosta de gelo na superfície (figura do inverno).

O tempo necessário para resfriar todo o corpo dágua é proporcional à profundidade. Corpos de água rasos congelarão mais facilmente, e os profundos exigirão longos períodos de temperaturas abaixo de zero para começar a gerar uma crosta congelada.

Além da resposta aceita de Casey, é provável que o sol esteja aquecendo a lagoa ao longo de um dia mais do que aquece o termômetro usado para as leituras de temperatura que você está citando, já que os termômetros são mantidos dentro de um Stevenson Screen .

Comentários

• Se o solo está aquecendo a água, a condensação deve estar subindo da água. Faça uma leitura da temperatura do lago e adicione-a à sua pergunta.

A água pura congela a 0 ° C (32 ° F) e, na maioria das vezes, a água pura raramente é encontrada em lagoas e outros corpos dágua abertos. Quando as impurezas se misturam na água, seu ponto de congelamento cai.

Comentários

• lagoas são corpos de água doce. A água salgada salina congela a cerca de -2 ° C, então o efeito será insignificante para água doce.

Se e quanto tempo leva para um lago ou outro corpo de água congelar depende de vários fatores. Pressão do Ar, TDS (total de sólidos dissolvidos ou sais), movimento da própria água e a temperatura do ambiente circundante.

Pressão do Ar – Principalmente em função da altitude, a pressão do ar afeta a pressão da água, com água sob pressão mais alta exigindo temperaturas mais baixas para congelar. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Total de sólidos dissolvidos, principalmente sais e outros íons, reduzem o ponto de congelamento de água até certo ponto e dependendo dos produtos químicos específicos e da concentração dissolvida. Em tanques de água doce, é improvável que isso signifique mais do que 1 ou 2 graus de diferença. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Movimento da água. A água em movimento tende a inibir a formação de cristais de gelo e retardar o congelamento. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatura do ambiente circundante. Em geral, com águas externas, como lagoas e lagos, o solo sob o corpo dágua permanecerá próximo à temperatura média anual. O ar acima do tanque terá que remover calor suficiente do tanque para superar todos esses fatores.

A água também tem a propriedade única (?) De diminuir a densidade à medida que congela.Isso significa que o gelo, que se forma, se formará na superfície onde a água tende a ser mais quente para começar. Na porção líquida do tanque, a convecção trará o calor da terra sob o tanque para a superfície, o que retarda a formação de gelo. A água fria descendo até o fundo está sujeita a uma pressão crescente, diminuindo seu ponto de congelamento, de modo que, mesmo depois de recuperar o ponto de congelamento na superfície, não congele enquanto desce em direção à terra quente.

O efeito líquido de tudo isso é que todo o corpo de água deve atingir o ponto de congelamento antes que o gelo possa se formar. Quanto mais profundo a lagoa / lago, mais tempo leva e um corpo de água profundo o suficiente nunca congelará completamente em condições normais de terra. Conforme a camada de gelo se forma na superfície, ela age para isolar a água abaixo dela, reduzindo a quantidade de calor que o ar pode remover, mas o gelo não se forma no fundo do lago, então continua a receber calor da terra. Portanto, o lago nunca congela totalmente se for profundo o suficiente e o inverno curto o suficiente.

A água em seu lago para baixar para abaixo de zero. Leva tempo para o calor da água se transferir para o ambiente. O solo sob a água provavelmente não está abaixo de zero também, então ele transferirá calor para a água ao mesmo tempo. Olhando para o histórico de temperatura para a época em questão, as altas temperaturas para todos os dias ao redor estavam acima de zero e as temperaturas médias estavam próximas ou mais altas do que o de zero também . Demora mais de um dia para uma grande quantidade de água perder tanto calor para o ambiente quando está perto dessa temperatura de qualquer maneira.

Você poderia fazer seu próprio experimento obtendo garrafas de água de diferentes tamanhos e ver como tempo que cada um leva para congelar nas mesmas condições. É preciso muito mais perda de energia para mudar o estado da água de líquido para sólido. 4200 J / litro / grau (C) para mudar a temperatura da água, 333.000 J para cristalizar um litro de água. Portanto, para congelar completamente o lago, seus arredores teriam que absorver a mesma quantidade de energia necessária para baixar a temperatura em quase 80 graus Celsius.

A temperatura do ar é de 5 graus. A temperatura da água não. Pelo mesmo motivo que uma tigela de sopa ou xícara de café fica mais quente do que a temperatura ambiente por algum tempo antes de esfriar até a temperatura ambiente. Tome aquela tigela ou copo e expanda-o até o tamanho de um lago.

Pense em como uma pilha de composto pode ficar quente (quente o suficiente para pegar fogo). Isso é basicamente o que está acontecendo no fundo da lagoa durante um longo período de tempo, à medida que a matéria em decomposição do verão se decompõe como em um digestor de metano.

Além disso, o o gelo (e a neve) formando-se em torno das bordas na parte superior atuam como isolantes. E, como o gelo flutua, cria um ciclo de feedback negativo em relação ao resfriamento, motivo pelo qual muitos lagos congelam na parte superior, mas permanecem líquidos abaixo a camada de gelo (além da produção de calor biótico).