Nächtliches Gefrieren von Wasser: Berechnung der Strahlung durch die Atmosphäre?

Ich bin kürzlich auf einen Artikel in Wikipedia gestoßen , in dem behauptet wird, dass mittelalterliche Zivilisationen in klaren und ruhigen Nächten Wasser über Nacht in einem isolierten Topf stehen ließen, was dazu führte, dass das Wasser seine Wärme abstrahlte und zu Eis gefror. Beachten Sie, dass diese Methode nicht erfordert, dass die atmosphärische Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt.

Das bringt mich zu meiner Frage: Wie ist das möglich, und was ist die niedrigste Temperatur, die man erwarten kann, um ein gut isoliertes Objekt während der Nacht zu kühlen? Nehmen wir zum Beispiel an, dass es eine ruhige Nacht ist, in der die Umgebungstemperatur der Atmosphäre 15 ° C beträgt. Während das Objekt seine Wärme in den Weltraum abstrahlt, strahlt auch die Atmosphäre Wärme in das Objekt (da wir hoffen, das Objekt unter die Umgebungstemperatur zu kühlen). Wie kann dies berechnet werden, dh was ist die „Strahlungs“-Temperatur des Nachthimmels anstelle der Umgebungstemperatur?

Beachten Sie, dass diese Methode nicht erfordert, dass die atmosphärische Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Das tut es: Wärme fließt IMMER von heiß nach kalt. STETS. Ein Objekt strahlt nicht nur, es empfängt auch Strahlung.
Bei niedriger Luftfeuchtigkeit kann Verdunstung zur Abkühlung beitragen. Ich könnte mir vorstellen, dass die niedrigstmögliche Temperatur von der Höhe abhängt – verdünntere Luft strahlt vermutlich weniger.
verdünntere Luft strahlt vermutlich weniger Das Einzige, was die Endtemperatur beeinflusst, ist die Temperatur der Luft.
@Gert Sie übersehen die Tatsache, dass die Dinge keinen physischen Kontakt haben müssen, um in thermischem Kontakt zu sein.
@Ben51 Das übersehe ich überhaupt nicht.
@Gert oh, mein Fehler. Sie erkennen dann, dass unter der Annahme, dass Luft für IR zumindest etwas transparent ist, die Temperatur des Weltraums (~ 3 K) eine Rolle spielt. Also nicht nur die Temperatur der Luft.
@Ben51 Die Idee, dass Wasser gefroren werden kann (0∘C oder darunter) mit Luft ÜBER dieser Temperatur (egal wie ... ähm ... "verdünnt") ist reiner Unsinn, egal wie Sie versuchen, es zu drehen. Ich schlage vor, Sie versuchen es tatsächlich.
@Gert Vielleicht hast du Recht. Aber auf den ersten Blick ist es physikalisch nicht unmöglich. Wasser kann durch die Sonne viel heißer als die Umgebung erwärmt werden. Kann durch Abstrahlung in den Weltraum auch niedriger als die Umgebung abkühlen.
@ Ben51 Wie ich schon sagte: Probieren Sie es aus. Es geht nichts über ein bisschen Empirie, um so etwas ins Bett zu bringen. Was die Sonne betrifft, so war sie beim letzten Mal viel heißer als sogar kochendes Wasser.
@Gert genau. Und der Weltraum ist viel kälter als eiskaltes Wasser.
Die Frage scheint hier wieder aufgegriffen zu werden: Nächtliches Eismachen: ist das möglich und durch welchen Mechanismus?

Antworten (2)

Lassen Sie uns dies als thermodynamisches System mit drei Komponenten modellieren: dem Wasser, der Luft und dem Weltraum (eine vierte Komponente wäre der Boden, aber wir gehen davon aus, dass die Isolierung zwischen dem Wasser und dem Boden darunter sehr gut ist, und gehen es aus). Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Luft für die Infrarotfrequenzen, bei denen das Wasser emittiert, vollkommen transparent ist (das ist sie nicht – wenn es so wäre, gäbe es keinen „Treibhauseffekt“ – aber wenn die Luftfeuchtigkeit niedrig ist, ist die Luft es transparent genug, dass davon ausgegangen werden kann, dass Wasser in größerer Höhe, wo es kälter ist, in thermischem Strahlungskontakt mit der Atmosphäre steht). Wir werden auch den mit der Verdunstung verbundenen latenten Wärmefluss ignorieren.

In diesem Modell erhält das Wasser Wärme aus der Luft durch Leitung (als „fühlbarer Wärmefluss“ bezeichnet) und gibt Wärme durch Strahlung an den Weltraum ab. Das Gleichgewicht ist erreicht, wenn sich diese beiden Flüsse ausgleichen. Der Strahlungsfluss kann abgeschätzt werden, indem das Wasser als schwarzer Körper behandelt wird: σ T w A T e R 4 . Der fühlbare Wärmefluss ist proportional zur Luft-Wasser-Temperaturdifferenz, hängt aber auch von der Windgeschwindigkeit ab und ist ziemlich empirisch. Aber nehmen wir an, für die Bedingungen in einer bestimmten Nacht können wir sagen, dass der fühlbare Wärmefluss in das Wasser ist C ( T A ich R − T w A T e R ) , Wo C ist eine Konstante. Dann können wir die beiden Flüsse gleichsetzen und auflösen T w A T e R .

In die gleiche Richtung dachte ich auch. Aber was mich davon abgehalten hat, eine Antwort zu schreiben, ist, dass die Schwarzkörperstrahlung bei 0 ° C bei einer Wellenlänge von ~ 10 µm ihren Höhepunkt erreicht. Sowohl das Wasser als auch die Luft strahlen also bei dieser Wellenlänge, aber das Wasser hat dort starke Absorptionsbanden . Es scheint mir also, dass das Wasser insgesamt mehr Energie aus der Strahlung gewinnen würde, als es verliert.

Das bringt mich zu meiner Frage: Wie ist das möglich, und was ist die niedrigste Temperatur, die man erwarten kann, um ein gut isoliertes Objekt während der Nacht zu kühlen?

Möglich wird dies durch die sogenannte strahlende Himmelskühlung. https://www.popularmechanics.com/technology/infrastructure/a29036147/radiative-sky-cooling/

Um aus dem Link zu zitieren:

„Dieser Effekt tritt natürlich ständig auf, besonders in klaren Nächten“, sagt Studienautor Aaswath Raman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik an der UCLA Samueli School of Engineering, in einer Presseerklärung. „Das Ergebnis ist, dass das Objekt, das die Wärme abgibt, sei es ein Auto, der Boden oder ein Gebäude, etwas kühler als die Umgebungstemperatur ist .“

Die Aussage stimmt mit der folgenden Aussage aus dem Wikipedia-Artikel überein:

"Vorausgesetzt, die Luft war ruhig und nicht zu weit über dem Gefrierpunkt , war der Wärmegewinn aus der Umgebungsluft durch Konvektion gering genug, um das Wasser gefrieren zu lassen."

Man muss bedenken, dass das Wasser in das Vakuum des Weltraums (mehrere Grad K) strahlt, nicht nur in die über dem Gefrierpunkt liegende atmosphärische Luft.

Hier sind noch ein paar relevante Links:

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5087281

https://www.osti.gov/pages/servlets/purl/1424949

Hoffe das hilft.

Nächtliches Gefrieren von Wasser: Berechnung der Strahlung durch die Atmosphäre?
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