Muss ein einst warmer See irgendwann durchgehend 4°C warm sein, bevor er zuzufrieren beginnt?

Dies ist ein Problem, über das ich gerade angefangen habe zu rätseln, und ich dachte, dies wäre ein gutes Forum, um meine Argumentation zu überprüfen. Hier sind also die relevanten Beobachtungen, gefolgt von meiner Frage:

Wasser erreicht seine maximale Dichte bei etwa 4°C. Das heißt, Wasser (einschließlich Eis) ist bei allen anderen Temperaturen unter oder über 4 °C weniger dicht. Da die Materie durch zunehmende Dichte von oben nach unten geordnet ist, befindet sich jedes 4 ° C warme Wasser in einem See am Boden.

Temperatur ist eine kontinuierliche Eigenschaft, und daher muss auch das Wasser in einem See nach Temperatur geordnet werden. Das heißt, es kann keine Wasserregionen mit einer Temperatur von 4° und 6° geben, es sei denn, es gibt zwischen ihnen eine Region mit einer Temperatur von 5°.

So entstand meine anfängliche Verwirrung, als ich versuchte, mir die Temperaturverteilung von Wasser mit Temperaturen von 3° bis 5° vorzustellen. Wenn 4°-Wasser am dichtesten ist, muss es sich auf dem Grund des Sees befinden, und sowohl das 3°- als auch das 5°-Wasser müssen darüber liegen. Wenn die Temperatur jedoch konstant ist, muss es 4° Wasser zwischen 3° und 5° Wasser geben. Es gibt also keine Möglichkeit, dass diese drei Wassertemperaturen koexistieren, ohne entweder die Reihenfolge der Dichten oder die kontinuierliche Temperaturverteilung zu verletzen.

Ich vermute, dass die Koexistenz dieser Temperaturen im Wasser höchstwahrscheinlich möglich ist, aber nur von kurzer Dauer ist. Ich stelle mir eine Art Konvektionsströmung vor, bei der das Wasser schließlich bei 4 ° C sein Gleichgewicht erreicht, aber das Bild davon ist für mich ziemlich verschwommen.

Folgt daraus also, dass, damit ein relativ warmer See (Temperaturen von 10-20 ° C) zu gefrieren beginnt, das gesamte Wasser 4 ° C erreichen muss, bevor eine Temperatur von unter 4 ° C erreicht wird? Andernfalls würde es eine Situation geben, in der 3-5° Wasser gleichzeitig vorhanden sind. Recht?

EDIT:
Hier ist eine Erweiterung dieses Gedankens, die nach einigen Tests verlangt. Da die Anordnung der Dichten aufgrund von Auftriebskräften erfolgt, die in einem Gravitationsfeld auftreten, frage ich mich, ob das Temperaturprofil von Kühl- / Gefrierwasser in der Antigravitation signifikant anders ist. Aufgrund der obigen Beobachtungen würde ich erwarten, dass die Temperaturbarriere bei 4 °C nicht eingehalten wird. Wow!

Das ist eine interessante Beobachtung! Der See dreht sich um 4 Grad, und dann gefriert die Oberseite ohne Advektion, nur Leitung. Ich frage mich, ob die Temperatur am Grund eines gefrorenen Sees 4 Grad beträgt.
@RonMaimon ja ist es. Gefrorene Seen sind thermisch geschichtet mit dem dichtesten (4d) Wasser am Grund und zunehmend kälterem Wasser, wenn Sie zum Eis aufsteigen (was offensichtlich 0d sein wird). Dies kann nur unter Eis passieren, da der Dichtegradient relativ schwach ist, sodass jede Windenergie es mischen wird.
off topic Sie sollten sehen, was passiert, wenn jemand bei Stack Overflow die Seite ein FORUM nennt ...

Antworten (2)

Sie haben die wichtigste Erklärung für die ungewöhnliche thermische Stabilität oberflächengefrorener Seen gefunden. Die tiefe Erde ist temperaturstabil, da die oberflächenbedingten jahreszeitlichen Schwankungen die Wärme nicht weiter als einige Meter in die Tiefe durch Diffusion eindringen lassen. So hat der tiefe Untergrund ganzjährig eine stabile Temperatur.

Advektion bringt nur bei Temperaturen über 4 Grad Wärme an die Oberfläche, sie senkt höhere Temperaturen unter 4 Grad. Bei weniger als 4 Grad erreicht der See also kein gutes thermisches Gleichgewicht, Sie können den See nur durch Diffusion kühlen, sodass die Kälte von der Oberseite des Sees diffundiert, wobei jede Advektion eher behindert als hilft und das kalte Wasser nach oben drückt Andersherum, so dass das Gefrieren nur oben stattfindet und sich in einem großen See nur extrem langsam nach unten arbeiten kann. Dadurch ist der See das gleiche wie der Boden --- der Wärmefluss erfolgt durch thermische Diffusion ohne Advektion (zumindest nicht von oben), und der Hauptkörper des Sees in einer Tiefe von mehr als ein paar Metern bleibt stecken in der Nähe von 4 Grad, die stabile Massentemperatur.

Simulierte und gemessene Wassertemperaturprofile für Thrush Lake, Minnesota, von 1986 bis 1987

Wenn Sie sich dieses verlinkte Papier ansehen, finden Sie auf Seite 297 ein gemessenes Temperaturprofil in einem teilweise zugefrorenen See (oben wiedergegeben), und Sie können die fast gerade Linie bei etwas über 4 Grad sehen, mit deutlich höheren Temperaturen nur ganz unten. Das warme Wasser am Boden hat einen kleinen Advektionsantrieb, der die höheren Schichten aufheizt.

Die Advektionsgeschwindigkeit wird für diese unendlich kleinen Dichteunterschiede sehr langsam sein, aber der See ist sehr groß, sodass selbst ein kleiner Dichteunterschied zu sehr langsamen durchschnittlichen Strömungen führt. Diese Advektion kann nur warmes Wasser von unten mit der Mitte und kaltes Wasser von oben mit der Mitte mischen, wobei die Mitte bei 4 Grad gehalten wird. Die Situation ist im Fall der Messung vom April 1987 in Abb. 4 des verlinkten Artikels extrem, wo fast der gesamte See auf einer scharfen geraden Linie von 4 Grad liegt, wenn die oberste Eisschicht fast aufgetaut ist.

Danke, dass Sie einige empirische Daten aufgespürt haben. Es überzeugt mich fast davon, dass meine Idee grundsätzlich richtig ist. Ich hatte den Boden am Grund des Sees nicht als Wärmequelle betrachtet, aber er scheint als eine solche zu fungieren.

Die einzige mechanisch statische Situation ist, dass am Boden der Wassersäule Temperatur herrscht T Unterseite ≤ 4 ∘ C und am oberen Ende der Wassersäule ist die Temperatur 0 ∘ C ≤ T oben ≤ T Unterseite , mit kontinuierlichem Abfall zwischen ihnen. Natürlich wird es aufgrund der Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Eis immer noch Wärmeübertragung geben. Sie könnten die Dicke des Eises leicht berechnen, wenn Sie die Temperatur der Luft kennen und davon ausgehen, dass die Temperatur des Meeres- / Seebodens gleich ist 4 ∘ C , die Wärmeleitfähigkeit von Eis und Wasser sowie die Wassertiefe kennen.

Tatsächlich ist dies eine ziemlich häufige Situation in den Ozeanen rund um die Arktis. Diese seltsame Eigenschaft des Wassers ermöglicht Leben, da das Wasser am Grund des Ozeans sehr langsam abkühlt (die Wärmeübertragung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit ist viel geringer als die Wärmeübertragung aufgrund der Konvektion), sodass Eis niemals den Grund des Ozeans erreicht.

Bei allen anderen Temperaturverteilungen haben Sie auch Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion, die kreisförmige Strömungen nach oben und unten erzeugt. Dies ist eine äußerst komplexe Situation, die Sie nicht durch einfache Nicht-Differentialrechnung lösen können.

Ich stimme Ihren Temperaturbereichen zu und gehe davon aus, dass etwas Ähnliches existiert, wenn die Temperatur auf der anderen Seite von 4 ° C liegt, wobei 4 ° C <= Tbottom < Ttop. Wenn Sie diese Ungleichungen zusammen betrachten, werden Sie feststellen, dass sich die Reihenfolge von Tbottom und Ttop auf gegenüberliegenden Seiten von 4 °C umkehrt. Die einzige Möglichkeit, diese beiden Ungleichheiten in Einklang zu bringen, besteht darin, dass es einen Zustand des Sees gibt, in dem die Temperatur durchgehend 4 ° C beträgt.
OK. 4 ∘ C durchgehend ist auch eine mögliche Lösung. Ich sollte die zweite Ungleichung korrigieren 0 ∘ C ≤ T oben ≤ T Unterseite
Wenn alle Wassertemperaturen größer als 4°C sind, gilt meine Ungleichung. Wenn alle Wassertemperaturen unter 4 °C liegen, gilt Ihre Ungleichung. Bei diesen Ungleichheiten gibt es keinen offensichtlichen Mittelweg, der Temperaturbereiche erklärt, die sich sowohl über als auch unter 4 °C erstrecken.
Okay, jetzt verstehe ich es. Mittelweg ist, dass alle Temperaturen bei sind 4 ∘ C . ich habe mich verändert < ist zu ≤ um diese Grenzsituation zu ermöglichen.
Muss ein einst warmer See irgendwann durchgehend 4°C warm sein, bevor er zuzufrieren beginnt?
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