Chciałbym dowiedzieć się jak zachowuje się warstwa lodu na naturalnym zbiorniku wodnym o głębokości około 1 metra w zależności od zmieniającej się temperatury. Załóżmy, że temperatura powietrza spada do powiedzmy -15 stopni C i utrzymuje się przez 10 dni. To spowoduje pojawienie się pokrywy lodowej o określonej grubości. Co stanie się jeśli temperatura powietrza wzrośnie, ale nadal będzie ujemna? Załóżmy, że temperatura ta wzrośnie do -5 stopni C. Przy tej temperaturze lód jeszcze się nie topi, ale czy słuszne są moje obawy, że mimo ujemnej temperatury lód może zacząć topić się od spodu ponieważ ma tam kontakt z o wiele cieplejszą wodą, a głębokość przemarzania przy -5 stopniach C jest znacznie mniejsza niż przy -15 stopniach C?
Mróz a grubość lodu
Pytanie
Odpowiedź
Powstawanie i roztapianie lodu na powierzchni wody to skomplikowane zagadnienie z zakresu termodynamiki i hydrodynamiki. Żeby to zrozumieć przyjrzyjmy się dolnej powierzchni uformowanej już tafli lodu. Na granicy lód-woda panuje temperatura 0 stopni C. To czy tafla lodu pogrubia się od spodu czy cienieje zależy od bilansu ciepła na dolnej granicy tej tafli. Aby przylegająca do dolnej powierzchni lodu woda zamarzała pogrubiając taflę, bilans ciepła musi być ujemny. Przemiana fazowa wody w lód wymaga odbierania ciepła. Gdy bilans na dolnej powierzchni lodu jest dodatni — dopływa tam więcej ciepła niż jest odbierane — lód się roztapia i tafla cienieje. Szczegóły bilansu zależą od detali. Dopływ/odpływ ciepła od strony wody zależy od rozkładu temperatury wody w zbiorniku i tego jak lód omywany jest przez cieplejsze i chłodniejsze prądy. Na odpływ ciepła w górę, przez taflę lodu, wpływ ma jej grubość, to czy lód pokryty jest śniegiem czy nie, czy świeci na niego słońce, temperatura powietrza, a nawet wiatr. Liczy się wpływ nie tylko w danej chwili, ale i w przeszłości, tym dłuższej im grubsza jest tafla. Opisana przez Pana sytuacja jest jak najbardziej możliwa. Nawet jeśli w jednym miejscu tafla lodu jest gruba, w bliskiej odległości warunki mogą może być zupełnie inne, a tafla znacznie cieńsza. O tym jak (nie)bezpieczne może być stąpanie po lodzie pisaliśmy także tu.