Congelación nocturna del agua: ¿Cálculo de la radiación a través de la atmósfera?

Hace poco me encontré con un artículo en Wikipedia, que afirmaba que las civilizaciones medievales solían dejar agua durante la noche en una olla aislada durante las noches claras y tranquilas, lo que hace que el agua irradie su calor y se congele. Tenga en cuenta que este método no requiere que la temperatura atmosférica ambiente esté por debajo del nivel de congelación.

Lo que me lleva a mi pregunta: ¿Cómo es esto posible y cuál es la temperatura más baja que se puede esperar para enfriar un objeto bien aislado durante la noche? Supongamos, por ejemplo, que es una noche tranquila donde la temperatura ambiente de la atmósfera es de 15C. Mientras que el objeto irradia su calor al espacio, la atmósfera también irradia calor hacia el objeto (ya que esperamos enfriar el objeto por debajo de la temperatura ambiente). ¿Cómo se puede calcular esto, es decir, cuál es la temperatura 'radiativa' del cielo nocturno, en lugar de la temperatura ambiente?

Tenga en cuenta que este método no requiere que la temperatura atmosférica ambiente esté por debajo del nivel de congelación. Lo hace: el calor SIEMPRE fluye de caliente a frío. SIEMPRE. Un objeto no solo irradia, también RECIBE radiación.
Si la humedad es baja, la evaporación puede contribuir al enfriamiento. Me imagino que la temperatura más baja posible podría depender de la altitud: el aire más enrarecido presumiblemente irradia menos.
el aire más enrarecido presumiblemente irradia menos Lo único que influye en la temperatura final es la temperatura del aire.
@Gert, estás pasando por alto el hecho de que las cosas no tienen que estar en contacto físico para estar en contacto térmico.
@ Ben51 No estoy pasando por alto eso en absoluto.
@Gert oh, mi error. Entonces te das cuenta de que, bajo el supuesto de que el aire es al menos algo transparente a IR, la temperatura del espacio (~ 3K) es importante. Así que no solo la temperatura del aire.
@Ben51 La idea de que el agua se puede congelar (0∘C o menos) con aire POR ENCIMA de esa temperatura (no importa cuán... erm... 'rarificado') es pura tontería, no importa cómo intentes girarlo. Te sugiero que realmente lo pruebes.
@Gert Puede que tengas razón. Pero a primera vista no es físicamente imposible. El agua se puede calentar mucho más que el ambiente por el sol. También puede enfriar más bajo que el ambiente al irradiar al espacio.
@ Ben51 Como dije: pruébalo. No hay nada como un poco de empirismo para poner algo así en la cama. En cuanto al Sol, la última vez que lo miré estaba mucho más caliente que el agua hirviendo.
@Gert exactamente. Y el espacio es mucho más frío que el agua helada.

Respuestas (2)

Modelemos esto como un sistema termodinámico con tres componentes: el agua, el aire y el espacio exterior (un cuarto componente sería el suelo, pero supondremos que el aislamiento entre el agua y el suelo debajo es muy bueno, y dejaremos fuera). Para simplificar, supongamos que el aire es perfectamente transparente a las frecuencias infrarrojas a las que emite el agua (no lo es, si lo fuera no habría "efecto invernadero", pero si la humedad es baja, el aire es lo suficientemente transparente como para considerar que el agua está en contacto térmico radiativo con la atmósfera a mayor altitud, donde hace más frío). También ignoraremos el flujo de calor latente asociado con la evaporación.

En este modelo, el agua obtiene calor del aire por conducción (llamado "flujo de calor sensible") y da calor al espacio exterior por radiación. El equilibrio se alcanza cuando estos dos flujos se equilibran. El flujo radiativo se puede estimar tratando el agua como un cuerpo negro: σ T w a t mi r 4 . El flujo de calor sensible es proporcional a la diferencia de temperatura del aire y el agua, pero también depende de la velocidad del viento y es bastante empírico. Pero digamos que para las condiciones de una noche en particular podemos decir que el flujo de calor sensible en el agua es C ( T a i r − T w a t mi r ) , dónde C es una constante Entonces podemos igualar los dos flujos entre sí y resolver para T w a t mi r .

Yo también pensé en la misma línea. Pero lo que me impidió escribir una respuesta es que la radiación de cuerpo negro a 0 °C alcanza su punto máximo en una longitud de onda de ~10 µm. Entonces, tanto el agua como el aire irradian en esta longitud de onda, pero el agua tiene fuertes bandas de absorción allí . Así que me parece que, en general, el agua ganaría más energía de la radiación de la que pierde.

Lo que me lleva a mi pregunta: ¿Cómo es esto posible y cuál es la temperatura más baja que se puede esperar para enfriar un objeto bien aislado durante la noche?

Es posible debido a lo que se llama enfriamiento radiativo del cielo. https://www.popularmechanics.com/technology/infrastructure/a29036147/radiative-sky-cooling/

Para citar del enlace:

"Este efecto ocurre naturalmente todo el tiempo, especialmente en noches despejadas", dice el autor del estudio Aaswath Raman, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA, en un comunicado de prensa. “El resultado es que el objeto que expulsa el calor, ya sea un automóvil, el suelo o un edificio, estará ligeramente más frío que la temperatura ambiente ”.

La declaración es consistente con la siguiente declaración del artículo de Wikipedia:

"Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación , la ganancia de calor del aire circundante por convección fue lo suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara".

Hay que tener en cuenta que el agua irradia al vacío del espacio exterior (varios grados K) no sólo al aire atmosférico por encima de la temperatura de congelación.

Aquí hay un par de enlaces más relevantes:

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

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

Espero que esto ayude.

Congelación nocturna del agua: ¿Cálculo de la radiación a través de la atmósfera?
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