Warum ist der Teich in meinem Garten nicht gefroren, wenn er draußen -15 ° C (5 ° F) ist?

Wasser schmilzt bei 0 ° C (32 ° F) aber Einfrieren ist eine kompliziertere Angelegenheit. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Wasser bei 0 ° C gefrieren kann, aber es kann viel kühler werden, bevor es tatsächlich zu unterkühltem Wasser führt. Wasser in diesem Der Zustand kann sich schnell verfestigen, wenn geeignete Eiskeime eingeführt werden. Beispielsweise kann in konvektiven Wolken flüssiges Wasser bei Temperaturen von nur -40 ° C beobachtet werden. Das Wasser in Ihrem Teich ist jedoch nicht unterkühlt.

Sie sagen, die Luft hat 5 ° F, aber wie hoch ist die Wassertemperatur (wahrscheinlich über 0 ° C)? Letztendlich ist es das Wasser, das muss unter dem Gefrierpunkt liegen, damit sich Eis bildet. Wie tief ist der Teich in Ihrem Garten? Wasser hat im Vergleich zu Luft eine viel bessere Wärmespeicherfähigkeit und je größer das Wasservolumen, desto mehr Wärmespeicher haben Sie Das Einfrieren selbst ist ein exothermer Prozess und die Eisbildung erwärmt das umgebende Wasser. Der Teich ist wahrscheinlich kein reines Wasser und voller Ionen (z. B. Salze), die er vom Boden aufgenommen hat, was den Schmelzpunkt des Wassers senkt. All diese Effekte erschweren das tatsächliche Gefrieren des Wassers in Ihrem Teich und können erklären, was Sie sehen.

Von diesen Effekten sind die Wärmekapazität des Wassers und die Temperatur des Bodens unter dem Teich sind wahrscheinlich die Hauptverursacher. Unter dem Teich befindet sich der Boden und es ist auch ein Wärmespeicher. B. andere sind wahrscheinlich wärmer als der Schmelzpunkt von Wasser, obwohl die Lufttemperatur viel kälter ist. Wenn eine Flüssigkeit von oben gekühlt wird, sinkt die kühle Flüssigkeit nach unten. Wenn eine Flüssigkeit von unten erwärmt wird, steigt die warme Flüssigkeit auf. Nur eines davon muss geschehen, um die Konvektion zu starten, aber es ist wahrscheinlich, dass der Boden unter dem Teich wärmer als der Teich ist und sowohl der warme Boden als auch die kühle Luft die Konvektion im Teich antreiben. Dies bedeutet wiederum, dass Ihr Teich gut gemischt ist und Sie dem System genügend Energie entziehen müssen, um das gesamte Wasser abzukühlen und den Boden unter dem Teich abzukühlen, damit sich Eis auf der Oberfläche bilden kann. Dies wird einige Zeit (in der Größenordnung von Tagen / Wochen) dauern, bis die Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Sie werden es viel einfacher haben, Ihren Teich einzufrieren als einen großen See, aber es wird immer noch kein Prozess über Nacht sein.

Kommentare

• Es ist ein paar Meter. Ich habe das akzeptiert, weil mir gefällt, wie viele Möglichkeiten Sie in Ihre Antwort einbringen.
• -1 (wenn ich könnte), diese Antwort scheint nach Strohhalmen zu greifen. Ein Teich wird sicherlich nicht unterkühlt; Das Salz im Wasser wird die Gefriertemperatur nicht unter 5 ° F bringen. und der Wind wird so wenig Energie hinzufügen, dass ‚ nicht einmal erwähnenswert ist.
• Das einzige, was Sie jetzt tun können, ist, nach Strohhalmen zu greifen, aber die Tatsache bleibt, dass der Teich nicht gefroren ist. Sie

Wasser ist eine ziemlich seltsame Substanz. Bei den meisten Substanzen ist die feste Phase dichter als die flüssige Phase. Dies ist bei Wasser nicht der Fall. Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser. Ein Nebeneffekt dieses Effekts ist, dass flüssiges Wasser sehr nahe am Gefrierpunkt weniger dicht ist als etwas wärmeres Wasser. Das sehr kühle Wasser sinkt.

Flüssiges Süßwasser erreicht seine maximale Dichte bei einer Temperatur von 4 ° C (40 ° F). Dies bedeutet, dass ein Teich oder See erst dann gefrieren kann, wenn das gesamte Gewässer auf 4 ° C abgekühlt ist. Nur dann kann die Oberseite des Wassers auf unter 4 ° C abkühlen und schließlich gefrieren.

Zusätzlich zum Wasser selbst, das vor Beginn des Gefrierens auf 4 ° C abgekühlt werden muss, kann das Wasser- gesättigter Boden unter dem Teich muss ebenfalls gekühlt werden. Bis dahin überträgt dieser wärmere Boden Wärme auf den Teich und verhindert, dass er gefriert.

Wie lange es dauert, bis ein Gewässer zum ersten Mal mit dem Gefrieren beginnt, hängt von einer Reihe von Parametern ab. Dazu gehören die Größe und Tiefe des Gewässers, die Beschaffenheit des Bodens unter dem Gewässer, das Wetter, das zum kalten Wetter führt, und Wind. Die Frage erwähnt nicht die Tiefe des Teiches, aber es ist nur etwa 24 Stunden lang unter dem Gefrierpunkt in O Fallon, Missouri, und die Temperaturen waren vorher ziemlich mild. Diese 24-Stunden-Zeitspanne unter dem Gefrierpunkt ist mehr als genug Zeit, um eine kleine Pfütze einzufrieren, aber sicherlich keinen See und wahrscheinlich nicht einmal einen Teich.

Die Frage erwähnt auch, dass es windig ist. Damit ein Gewässer gefriert, benötigt es eine kühlere Wasserschicht auf der 4 ° C-Thermokline. Winde sorgen dafür, dass das Wasser gut gemischt bleibt.

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• Danke. Ich würde diese Antwort akzeptieren, wenn ich zwei akzeptieren könnte!
• +1 Dies ist die richtige Antwort. Der in den ersten beiden Absätzen beschriebene Prozess wird als Konvektion bezeichnet.
• Sicherlich ist das Wasser nahe dem Gefrierpunkt weniger dicht und daher steigt nach oben (ohne andere Effekte)?
• “ flüssiges Wasser sehr nahe am Gefrierpunkt ist weniger dicht als etwas wärmer Wasser. Das sehr kühle Wasser sinkt. “ Wie oben beobachtet, steigt kaltes Wasser (< 4C) nicht unter. Dies isoliert dann das wärmere Wasser unten von der kühlenden Wirkung des Windes.
• @VinceO ‚ Sullivan – Nicht unbedingt. Es gibt ‚ ein Phänomen in nördlichen Seen, das als Herbstumsatz bezeichnet wird. Sobald ein See durchgehend auf eine nahezu gleichmäßige Temperatur von 4 ° C abgekühlt ist, können Winde dazu führen, dass sich der gesamte See vermischt. Dies ist ein Teich, daher wird der Umsatz ‚ nicht so hoch sein – es sei denn, der Wind ist stark und anhaltend. Die Kaltfront, die kürzlich durch O ‚ fallon MO wehte, brachte vom Samstagmittag (als die Temperatur zum ersten Mal unter den Gefrierpunkt fiel) bis Sonntag, 16.00 Uhr, starke, anhaltende Winde aus Nordwesten.

Aufgrund der Konvektion (das kalte Wasser sinkt, während das warme Wasser steigt) , der gesamte Teich muss auf Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt gebracht werden, bevor die Oberfläche gefrieren kann. Wenn nur die Oberseite des Teichs mit der kalten Luft in Kontakt kommt, dauert dies lange.

‍ ‍ Zusätzlich wird der Boden (der nicht durch Konvektion gekühlt wird) Das Abkühlen dauert noch länger, was bedeutet, dass der Boden den Teichboden erwärmt. Das warme Wasser steigt nach oben und verlängert den Gefrierprozess.

Es dauert einige Zeit, bis die Dinge gefrieren. Die oben genannten Bedingungen führen dazu, dass der Teich langsam gefriert. Wenn die Luft jedoch für immer unter dem Gefrierpunkt bleibt, gefriert schließlich der gesamte Teich über (beginnend mit der obersten Schicht und nach unten arbeitend – wenn sich die Oberseite in Eis verwandelt es sinkt nicht mehr, weil Eis eine geringere Dichte als Wasser hat )

Dies ist der Grund, warum Sie nach Norden nach Minnesota reisen Wo Eisfischen üblich ist, wird Ihnen mitgeteilt, dass das Wetter wochenlang (meistens) unter dem Gefrierpunkt liegen muss, bevor der See sicher begehbar ist.

Das Wasser in einem Teich hat Bodenkontakt und der Boden ist nicht einmal fast gefroren, selbst wenn der Die Lufttemperatur liegt 27 ° unter dem Gefrierpunkt.

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• Hier wird viel Wissenschaft herumgeworfen, während die einfache Antwort lautet, dass der Boden immer noch zu groß ist warm. Wenn der Boden hinter dem Boden des Teiches gefroren ist, dann können wir in all diesen Jargon der unterkühlten Eiskeime gelangen.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, you ‚ ist absolut korrekt. Ich habe meine Antwort so einfach wie möglich gemacht.

Dies könnte daran liegen, dass die Luft schneller abkühlt und sich erwärmt als Wasser. Luft hat eine niedrigere spezifische Wärme als Wasser. Es kann einige Zeit dauern, bis das Wasser gefriert.

Bisher hat noch niemand Fisch erwähnt. Haben Sie Fische oder andere Tiere in Ihrem Teich? Sie sorgen nicht nur für eine geringe Erwärmung, ihre Bewegung verhindert auch die Eisbildung.

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• Ja, es enthält Fisch! 🙂

Die Variable, die Sie berücksichtigen müssen, um das Problem zu verstehen, ist die Tiefe des Teichs. Ich wette, dass im Gegensatz zu Ihrem Teich flache Pfützen gefroren sind.

Das Wasser ist bei 4 ° C dichter. Um die Oberfläche einzufrieren, müssen Sie den gesamten Teich auf 4 ° C abkühlen. Andernfalls Wenn das Wasser in der Oberfläche auf 4 ° C abkühlt, sinkt es und wird von unten durch wärmeres Wasser ersetzt. Wenn dieses Wasser auf 4 ° C abgekühlt wird, sinkt es wieder und wird durch wärmeres Wasser ersetzt und so weiter Erst wenn der gesamte Teich 4 ° C hat, kann sich das Wasser in der Oberfläche unter diese Temperatur abkühlen und ist immer noch leichter als das Wasser darunter. Daher bleibt es in der Oberfläche und kann weiter abkühlen, bis es gefriert und eine Schicht bildet

Die folgende Abbildung aus dieser Frage unter „Wissenschaftliche Fragen mit überraschenden Antworten“ zeigt die Temperaturschichtungsunterschiede eines warmen Teichs (Sommerfigur), und eine, die gerade kalt genug ist, um die Bildung einer Oberflächeneiskruste zu beginnen (Winterfigur).

Die zum Abkühlen des gesamten Gewässers erforderliche Zeit ist dann proportional zur Tiefe. Flache Gewässer gefrieren leichter und tiefe Gewässer erfordern längere Zeiträume unter dem Gefrierpunkt, um eine gefrorene Kruste zu erzeugen.

Zusätzlich zu der akzeptierten Antwort von Casey ist es wahrscheinlich, dass die Sonne den Teich im Laufe eines Tages mehr erwärmt als das Thermometer, das für die von Ihnen angegebenen Temperaturwerte verwendet wird, erwärmt, da die Thermometer in einem Stevenson Screen .

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• Wenn der Boden das Wasser erwärmt, sollte Kondensation auftreten Steigen Sie aus dem Wasser auf. Nehmen Sie eine Temperaturmessung vom Teich vor und fügen Sie sie Ihrer Frage hinzu.

Reines Wasser gefriert bei 0 ° C und meistens wird reines Wasser in Teichen und anderen offenen Gewässern selten gefunden. Wenn Verunreinigungen in Wasser gemischt werden, sinkt der Gefrierpunkt.

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• Teiche sind Süßwasserkörper. Salzhaltiges Meerwasser gefriert bei etwa -2 ° C, sodass der Effekt für Süßwasser vernachlässigbar ist.

Ob und wie lange es dauert, bis ein Teich oder ein anderes Gewässer gefriert, hängt von mehreren Faktoren ab. Luftdruck, TDS (insgesamt gelöste Feststoffe oder Salze), Bewegung des Wassers selbst und die Temperatur der Umgebung.

Luftdruck – Meistens eine Funktion der Höhe, der Luftdruck beeinflusst den Druck des Wassers, wobei Wasser unter höherem Druck niedrigere Temperaturen zum Gefrieren benötigt. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Insgesamt gelöste Feststoffe, hauptsächlich Salze und andere Ionen, senken den Gefrierpunkt von Wasser bis zu einem gewissen Punkt und abhängig von den spezifischen Chemikalien und der gelösten Konzentration. In Süßwasserteichen ist es unwahrscheinlich, dass dies einen Unterschied von mehr als 1 oder 2 Grad bedeutet. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Bewegung des Wassers. Bewegliches Wasser neigt dazu, die Bildung von Eiskristallen zu hemmen und das Einfrieren zu verzögern. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Umgebungstemperatur. Bei Gewässern im Freien wie Teichen und Seen bleibt der Boden unter dem Gewässer im Allgemeinen nahe an der durchschnittlichen Jahrestemperatur. Die Luft über dem Teich muss dem Teich genügend Wärme entziehen, um all diese Faktoren zu überwinden.

Wasser hat auch die einzigartige (?) Eigenschaft, dass die Dichte beim Gefrieren abnimmt.Dies bedeutet, dass sich Eis, das sich bildet, an der Oberfläche bildet, an der das Wasser zunächst wärmer ist. Im flüssigen Teil des Teichs bringt die Konvektion Wärme von der Erde unter dem Teich an die Oberfläche, was die Eisbildung verzögert. Das kalte Wasser, das sich nach unten bewegt, wird einem zunehmenden Druck ausgesetzt und senkt seinen Gefrierpunkt, so dass es selbst dann nicht gefriert, wenn es den Gefrierpunkt an der Oberfläche erreicht, wenn es sich in Richtung der warmen Erde bewegt.

Der Nettoeffekt all dessen ist, dass das gesamte Gewässer den Gefrierpunkt erreichen muss, bevor sich Eis bilden kann. Je tiefer der Teich / See ist, desto länger dauert es und ein ausreichend tiefes Gewässer wird unter normalen Erdbedingungen niemals vollständig gefrieren. Wenn sich die Eisschicht auf der Oberfläche bildet, isoliert sie das darunter liegende Wasser und verringert so die Wärmemenge, die die Luft abführen kann. Das Eis bildet sich jedoch nicht auf dem Teichboden, sodass es weiterhin Wärme von der Erde erhält. Der Teich gefriert also nie vollständig, wenn er tief genug und der Winter kurz genug ist.

Das Wasser in Ihrem Teich hat Es dauert einige Zeit, bis die Wärme des Wassers an die Umgebung abgegeben wird. Der Boden unter dem Wasser befindet sich wahrscheinlich auch nicht unter dem Gefrierpunkt, sodass gleichzeitig Wärme an das Wasser übertragen wird. Betrachtet man den Temperaturverlauf für die betreffende Zeit, so lagen die hohen Temperaturen an allen Tagen über dem Gefrierpunkt und die Durchschnittstemperaturen nahe oder höher als der Gefrierpunkt . Es dauert mehr als einen Tag, bis eine große Menge Wasser so viel Wärme an die Umgebung abgibt, wenn sie sich sowieso dieser Temperatur nähert.

Sie können Ihr eigenes Experiment durchführen, um Flaschen Wasser unterschiedlicher Größe zu erhalten und zu sehen, wie Es dauert lange, bis jeder unter den gleichen Bedingungen gefriert. Es braucht viel mehr Energieverlust, um den Zustand des Wassers von flüssig zu fest zu ändern. 4200 J / Liter / Grad (C), um die Wassertemperatur zu ändern, 333.000 J, um einen Liter Wasser zu kristallisieren. Um den Teich vollständig einzufrieren, müsste seine Umgebung dieselbe Energiemenge absorbieren, die erforderlich wäre, um die Temperatur um fast 80 Grad Celsius zu senken.

Die Lufttemperatur beträgt 5 Grad. Die Wassertemperatur nicht. Aus demselben Grund bleibt eine Schüssel Suppe oder eine Tasse Kaffee einige Zeit heißer als Raumtemperatur, bevor sie auf Raumtemperatur abkühlt diese Schüssel oder Tasse und erweitern Sie sie auf die Größe eines Sees.

Überlegen Sie, wie heiß ein Komposthaufen werden kann (heiß genug, um Feuer zu fangen). Das ist im Grunde das, was am Boden des Teiches über einen längeren Zeitraum geschieht, wenn sich die verfallende Materie aus dem Sommer wie in einem Methan-Fermenter zersetzt.

Auch die Eis (und Schnee), die sich oben an den Rändern bilden, wirken als Isolator. Da Eis schwimmt, entsteht ein negativer Rückkopplungszyklus in Bezug auf die Abkühlung, weshalb viele Seen oben gefrieren, unten jedoch flüssig bleiben die Eisschicht (zusätzlich zur biotischen Wärmeerzeugung).