Fabricación de hielo nocturna: ¿es posible y por qué mecanismo?

Absolutamente. En una noche clara, sin viento y seca, toma uno de esos termómetros IR y apúntalo hacia el cielo. Se pueden ver temperaturas por debajo de -40C en muchos lugares si está lo suficientemente seco. Cuanto menos vapor de agua haya en el aire, más frío puede parecer.

El ambiente térmico del agua es:

• conducción con la bandeja (elegido por su baja conductividad)
• conducción con el aire (baja conductividad)
• convección con el aire (muy baja en una tarde tranquila con el agua más fría que el aire)
• radiación sobre el agua (40 grados más frío no es raro)

Juntos, estos permiten que el agua se equilibre a una temperatura por debajo del punto de congelación, incluso si el aire está por encima del punto de congelación. La transferencia radiativa a estas temperaturas no es muy rápida, por lo que tardará algunas horas.

Posible pero requiere circunstancias muy específicas.

Supongamos que colocamos el mismo cuenco de agua en el exterior de un satélite espacial que orbita en la termosfera y colocamos enormes espejos en una órbita cercana para bloquear la radiación del sol. La atmósfera de vacío cercano existe a temperaturas superiores a 2000 K (1). El agua nunca se equilibrará a 2000K. La termosfera siempre calentará el recipiente y el recipiente siempre enfriará la termosfera, pero debido a que la densidad del recipiente es millones de veces mayor, perderá calor por radiación mucho más rápido de lo que gana calor por contacto térmico. El recipiente eventualmente se equilibrará a una pequeña fracción de un Kelvin por encima de la temperatura de radiación del espacio circundante, alrededor de 200 K si el recipiente está iluminado por la radiación térmica de la Tierra, o alrededor de 3 K si tiene que arreglárselas con la radiación de las estrellas distantes.

Entonces, el enfriamiento radiativo puede, en las circunstancias correctas, permitir que el agua se congele. ¿Pueden existir esas circunstancias en la Tierra? Sí, para temperaturas del aire muy cercanas al punto de congelación, y para aire muy quieto y muy buen aislamiento ligeramente por encima del punto de congelación, ya que la conductividad térmica del aire es muy baja.

en el límite como$T_{W_i} \to T_{A_i}$,$dQ_{thermal} \to 0$(suponiendo una contribución insignificante del suelo a través del aislamiento.

$$\frac {dQ_{radiation}}{dt} \approx σεA(T_W^4 -T_{atm}^4)$$ donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann, A es el área de superficie expuesta al cielo y$T_W$es su temperatura en kelvin, y$T_{atm}$es la temperatura ambiente debido a la radiación del cielo nocturno en la superficie de la Tierra. ε es la emisividad de la superficie, un número sin unidades entre 0 (un espejo) y 1 (una superficie perfectamente negra). El agua es de alrededor de 0,96, dependiendo de la longitud de onda que se considere.

https://physics.stackexchange.com/a/153947/285671 tiene una discusión sobre cómo aproximar la temperatura del cielo nocturno desde abajo.

Aproximado$T_W = 273.3K \pm (T_{W_i}-273.3K)$y retenga el error en lugar de complicar el cálculo, ya que nuestro cálculo no tendrá más de dos cifras significativas de todos modos.

Integre durante, digamos, seis horas desde la última neblina de luz solar en el oeste hasta el primer resplandor del amanecer en el este para obtener$Q \leq \Delta t \frac {dQ}{dt}$. (Es menor porque la emisividad del agua caerá cuando comience a congelarse). Reduzca Q en$4.2\frac {J}{gK}$hasta llegar a 273.3K y luego divide lo que queda por 333.55 J/g y tu respuesta es en gramos de hielo.

1: Los impactos directos de los rayos solares con las moléculas de aire (especialmente el oxígeno) permiten que la temperatura (es decir, la energía cinética promedio de las moléculas) supere con creces la temperatura de radiación efectiva del sol a la distancia de la tierra, unos 393 K.

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Con respecto al enfriamiento por evaporación, eso no contribuirá mucho a la congelación, pero enfriará absolutamente el agua por debajo de la temperatura del aire ambiente. Puedes hacer este experimento tú mismo. Consigue una botella de agua a temperatura ambiente. Ponle unos calcetines gruesos. Remoja los calcetines en más agua a temperatura ambiente. Suspende la botella en tu ducha y espera una hora. Mide la temperatura del agua en la botella. No encontrarás hielo en el agua, pero estará más fría que la temperatura del aire. El efecto será más notable cuanto más caliente y seco esté el aire.

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editar 13/02/21: se reemplazó la suposición de la temperatura de radiación del cielo con un enlace a una fórmula para predecirla