Varför är dammen i min bakgård inte frusen när den är -15 ° C (5 ° F) utanför?

Vatten smälter vid 0 ° C (32 ° F) men frysning är en mer komplicerad affär. Det är säkert att säga att vatten får frysning vid 0 ° C, men det kan bli mycket svalare innan det faktiskt gör det, vilket resulterar i underkylt vatten. kan snabbt stelna när lämpliga iskärnor införs. I konvektiva moln kan till exempel flytande vatten observeras vid temperaturer så låga som -40 ° C. Vattnet i din damm är dock inte underkyldt.

Du säger att luften är 5 ° F, men vad är temperaturen på vattnet (förmodligen över 0 ° C)? I slutändan är det vattnet som måste ligga under fryspunkten för att isbildning ska inträffa. Hur djup är dammen i din trädgård? Vatten jämfört med luft har en mycket bättre förmåga att behålla värme och ju större vattenvolym, desto mer värmebehållare har du Att frysa i sig är en exoterm process och isbildning kommer att värma det omgivande vattnet. Dammen är förmodligen inte rent vatten och full av joner (t.ex. salter) som den har plockat upp från marken, vilket sänker vattnets smältpunkt. Alla dessa effekter gör det svårare för vattnet i din damm att frysa och kan förklara vad du ser.

Av dessa effekter är vattnets värmekapacitet och markens temperatur under dammen. är förmodligen de främsta bidragsgivarna. Under dammen är marken och den är också en värmebehållare andra är förmodligen varmare än smältpunkten för vatten även om lufttemperaturen är mycket kallare. Om en vätska kyls uppifrån sjunker den svala vätskan mot botten. Om en vätska värms uppifrån stiger den varma vätskan. Endast en av dessa behöver hända för att starta konvektion men det är troligt att marken under dammen är varmare än dammen och både den varma marken och den svala luften kommer att driva konvektion i dammen. Detta innebär i sin tur att din damm är väl blandad och du måste ta ut tillräckligt med energi från systemet för att kyla ner allt vatten och kyla marken under dammen för att ge is chansen att bildas på ytan. Detta kommer att ta tid (i storleksordningen dagar / veckor) för kontinuerliga frysningstemperaturer. Du kommer att ha mycket lättare att frysa din damm än en stor sjö, men det kommer ändå inte att vara en process över natten.

Kommentarer

• Det är ett par meter. Jag accepterade denna bc. Jag gillar hur många möjligheter du tar med dig i ditt svar.
• -1 (om jag kunde), det här svaret verkar vara att ta tag i sugrör. En damm kommer verkligen inte att bli superkyld; saltet i vattnet kommer inte att frysa temperaturen under 5 ° F; och vinden kommer att lägga till så lite energi att det ’ inte ens är värt att nämna.
• Det enda du kan göra just nu är att ta tag i sugrör, men faktum kvarstår att dammen inte är frusen. Du ’ antar inte att casey går och hämtar ett prov, eller hur?
• Det är verkligen värmekapaciteten och marktemperaturen som mest ansvarar för detta. Under dagen bidrar naturligtvis också tillförd energi från solljus. Om den dammen sitter vid 5 F under en dag eller två kommer ytan nästan säkert att frysa (även om isen sannolikt inte skulle vara ’ t mycket tjock om den inte stannade så kallt mycket längre.) Det är ’ värt att notera att temperaturerna var otroligt höga dagen innan det blev så kallt, så marken och vattnet var fortfarande ganska varma.
• Vindburken förhindra också frysning som ett fast ämne under en längre tid genom att störa alla ” hud ” som bildas genom omrörning. Tänk på en glasstillverkare – så småningom fryser vätskan men den kan komma långt under ingrediensernas fryspunkt eftersom rörelse hindrar iskristaller från att växa mycket. Det kan finnas små bitar som flyter runt frusna, men dessa kommer att vara mer mottagliga för förstörelse med andra metoder.

Vatten är en ganska konstig substans. För de flesta ämnen är den fasta fasen tätare än den flytande fasen. Detta är inte fallet med vatten. Is är mindre tät än flytande vatten. En bieffekt av denna effekt är att flytande vatten mycket nära fryspunkten är mindre tätt än något varmare vatten. Det mycket svala vattnet sjunker.

Flytande färskvatten uppnår sin maximala densitet vid en temperatur på 4 ° C (40 ° F). Detta innebär att en damm eller sjö inte kan frysa förrän hela vattnet har kylts till 4 ° C. Först då kan den övre ytan av vattnet svalna till under 4 ° C och sedan så småningom frysa.

Förutom att vattnet i sig behöver kylas till 4 ° C innan frysningen kan börja, kan vattnet mättad mark under dammen måste också kylas. Fram till dess kommer den varmare marken att överföra värmen till dammen och förhindra att den fryser.

Hur lång tid det tar innan en vattenmassa först börjar frysa beror på ett antal parametrar. Dessa inkluderar storleken och djupet på vattnet, markens natur under vattnet, vädret som leder fram till det kalla vädret och blåsighet. Frågan nämner inte dammens djup, men den har bara varit under fryspunkten i O ”fallon, Missouri i ungefär 24 timmar, och temperaturerna hade varit ganska mjuka innan det. Det 24-timmarsintervallet av underfryst väder är mer än tillräckligt med tid för att frysa en liten pöl, men absolut inte en sjö, och förmodligen inte ens en damm.

Frågan nämner också att det är blåsigt. För att en vattenkropp ska frysa behöver den ett kallare lager vatten ovanpå 4 ° C termoklin. Vindar verkar för att hålla vattnet väl blandat.

Kommentarer

• Tack. Jag skulle acceptera detta svar om jag kunde acceptera två!
• +1 det här är rätt svar. Processen som beskrivs i de två första styckena kallas konvektion .
• Visst är vattnet nära fryspunkten mindre tätt och därför stiger till toppen (i avsaknad av andra effekter)?
• ” flytande vatten mycket nära fryspunkten är mindre tät än något varmare vatten. Det väldigt svala vattnet sjunker. ” Som observerats ovan stiger svalt vatten (< 4C) inte sjunker. Detta isolerar sedan det varmare vattnet nedan från vindens kylande effekt.
• @VinceO ’ Sullivan – Inte nödvändigtvis. Det finns ’ ett fenomen i norra sjöar som kallas fallomsättning. När en sjö svalnat till en nästan enhetlig 4C temperatur hela tiden kan vindar få hela sjön att blanda. Det här är en damm, så omsättningen vann ’ inte så högt – om inte vindarna är starka och ihållande. Kallfronten som nyligen blåste igenom O ’ fallon MO förde starka, långvariga vindar från nordväst, från lördag 12.00 (då temperaturen först sjönk under fryspunkten) fram till 16 söndag. li>

På grund av konvektion (kallt vatten sjunker medan det varma vattnet stiger) , hela dammen måste bringas till nästan frysande temperaturer innan ytan kan frysa. Med bara toppen av dammen i kontakt med den kalla luften tar det lång tid.

‍ ‍ Dessutom kommer marken (som inte kyls av konvektion) ta ännu längre tid att svalna, vilket innebär att marken kommer att värma dammens botten. Det varma vattnet kommer att stiga till toppen och förlänga frysprocessen.

Det tar tid för saker att frysa. Ovanstående förhållanden får dammen att frysa långsamt, men om luften skulle förbli under frysning för alltid, så småningom skulle hela dammen frysa över (börjar med det övre lagret och arbetar sig ner – när toppen blir till is det sjunker inte längre eftersom is har lägre densitet än vatten ) .

Det är därför du reser norrut till Minnesota där isfiske är vanligt berättar de att vädret måste vara (mestadels) under fryspunkten i flera veckor innan sjön är säker att gå / köra på.

Vattnet i en damm är i kontakt med marken och marken är inte ens nära frysning även om lufttemperaturen är 27 ° under fryspunkten.

Kommentarer

• Mycket vetenskap kastas runt här, medan det enkla svaret är att marken fortfarande är för värma. Om marken är frusen förbi dammens botten, då , kan vi komma in i allt det superkylda iskärnans jargong.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, du ’ är helt korrekt. Jag gjorde mitt svar så enkelt som möjligt.

Det kan bero på att luften svalnar och värms snabbare än vatten. Luft har en lägre Specifik värme än vatten. Det kan ta lite tid för vattnet att frysa.

Ingen har nämnt fisk ännu. Har du fisk eller andra djur i din damm? De ger inte bara lite uppvärmning, deras rörelse hjälper till att förhindra isbildning.

Kommentarer

• Ja, det innehåller fisk! 🙂

Variabeln du behöver tänka på för att förstå problemet är dammens djup. Jag slår vad om att i motsats till din damm fryser grunda pölar runt.

Vattnet är tätare vid 4 ° C, så för att frysa ytan måste du svalna hela dammen till 4 ° C. Annars , när vattnet i ytan svalnar till 4 ° C, skulle det sjunka och ersättas med varmare vatten underifrån, om det vattnet kyls ner till 4 ° C sjunker det igen och ersätts med varmare vatten, och så vidare Först när hela dammen är vid 4 ° C kan vattnet i ytan svalna under den temperaturen och ändå vara lättare än vattnet under, därför skulle det stanna kvar i ytan och kan fortsätta svalna tills det fryser och producerar ett lager av ytis.

Följande figur från denna fråga vid ”Vetenskapliga frågor med överraskande svar” visar temperaturskiktningsskillnaderna i en varm damm (sommarfigur), och en precis tillräckligt kall för att starta bildandet av en ytskorpa (vinterfigur).

Den tid som krävs för att kyla ner hela vattnet är då proportionell mot djupet. Grunt vattendrag kommer att frysa lättare och djupa kommer att kräva längre perioder under temperaturer för att börja generera en frusen skorpa.

Förutom det accepterade svaret från Casey är det troligt att solen värmer dammen under en dag mer än det värmer termometern som används för temperaturavläsningarna du citerar, eftersom termometrar hålls inne i en Stevenson-skärm .

Kommentarer

• Om marken värmer vattnet bör kondens stiga upp från vattnet. Ta en temperaturavläsning från dammen och lägg till den i din fråga.

Rent vatten fryser vid 0 ° C (32 ° F) och oftast finns rent vatten sällan i dammar och andra öppna vattendrag. När föroreningar blandas i vatten sjunker fryspunkten.

Kommentarer

• dammar är sötvattenförekomster. Saltvatten fryser vid cirka -2 ° C, så effekten blir försumbar för färskvatten.

Huruvida och hur lång tid det tar att en damm eller annan vattenmängd fryser beror på flera faktorer. Lufttryck, TDS (totalt upplösta fasta ämnen eller salter), rörelsen av själva vattnet och temperaturen i den omgivande miljön.

Lufttryck – Mestadels en funktion av höjd, luftens tryck påverkar trycket av vattnet, med vatten under högre tryck som kräver lägre temperaturer att frysa. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Totalt upplösta fasta ämnen, mestadels salter och andra joner sänker fryspunkten vatten upp till en punkt och beroende på de specifika kemikalierna och koncentrationen upplöst. I färskvattendammar är det osannolikt att det betyder mer än 1 eller 2 graders skillnad. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Vattens rörelse. Rörande vatten tenderar att hämma iskristallbildning och fördröja frysning. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperaturen i den omgivande miljön. I allmänhet med utomhusvatten som dammar och sjöar kommer marken under vattnet att ligga nära den genomsnittliga årstemperaturen. Luften ovanför dammen måste ta bort tillräckligt med värme från dammen för att övervinna alla dessa faktorer.

Vatten har också den unika (?) Egenskapen att minska i densitet när det fryser.Det betyder att is, som bildas, kommer att bildas vid ytan där vattnet till att börja med tenderar att vara varmare. I den flytande delen av dammen kommer konvektion att föra värme från jorden under dammen till ytan, vilket fördröjer isbildning. Det kalla vattnet som rör sig ned till botten utsätts för ökat tryck, sänker dess fryspunkt, så att det inte fryser när det rör sig ner mot den varma jorden, även om det en gång når tillbaka fryspunkten vid ytan.

Nettoeffekten av allt detta är att hela vattendraget måste nå fryspunkten innan is kan bildas. Ju djupare dammen / sjön desto längre tid tar det och en tillräckligt djup vattenmassa fryser aldrig helt under normala jordförhållanden. När isskiktet bildas på ytan verkar det för att isolera vattnet under det, vilket minskar mängden värme som luften kan ta bort, men isen bildas inte på dammens botten så den fortsätter att ta emot värme från jorden. Så dammen fryser aldrig helt om den är tillräckligt djup och vintern tillräckligt kort.

Vattnet i din damm har att sänka till under fryspunkten. Det tar tid för vattnet att överföras till omgivningen. Marken under vattnet ligger antagligen inte heller under fryspunkten, så det kommer att överföra värme till vattnet samtidigt. Tittar vi på temperaturhistorik för den aktuella tiden var de höga temperaturerna under alla dagar runt fryspunkten och medeltemperaturerna var nära eller högre än frysning också . Det tar mer än en dag för en stor mängd vatten att förlora så mycket värme till miljön när det ändå är nära den temperaturen.

Du kan göra ditt eget experiment för att få flaskor av olika storlek och se hur det tar var och en att frysa under samma förhållanden. Det tar mycket mer energiförlust för att ändra tillståndet för vatten från flytande till fast ämne. 4200 J / liter / grad (C) för att ändra temperaturen på vattnet, 333.000 J för att kristallisera en liter vatten. Så för att helt frysa dammen måste omgivningen absorbera samma mängd energi som det skulle ta att sänka temperaturen nästan 80 grader celsius.

Lufttemperaturen är 5 grader. Vattentemperaturen är inte. Samma anledning är att en skål soppa eller kopp kaffe håller sig varmare än rumstemperaturen en stund innan den svalnar till rumstemperatur. den skålen eller koppen och expandera den till storleken på en sjö.

Tänk på hur varmt en komposthög kan bli (tillräckligt varmt för att fånga eld). Det är i grund och botten vad som händer längst ner i dammen under en längre tidsperiod, eftersom den förfallna substansen från sommaren sönderdelas som i en metan-kokare.

Dessutom is (och snö) som bildas runt kanterna längst upp fungerar som en isolator. Och eftersom is flyter, skapar det en negativ återkopplingscykel när det gäller kylning, varför många sjöar fryser på toppen, men förblir flytande under isskiktet (förutom den biotiska värmeproduktionen).