Falujący mróz
Anatomia falowania mrozu podczas wiosennej odwilży. Bok 6-calowego (15-centymetrowego) wału z usuniętą glebą w celu odsłonięcia (od dołu do góry): · Lód igłowy , który wydostał się z frontu zamarzania przez porowatą glebę z poziomu wód gruntowych poniżej · Bogaty w lód zlepiony gleba, która została poddana zamrażaniu i rozmrażaniu · Rozmrożona gleba na wierzchu. Zdjęcie zrobione 21 marca 2010 w Norwich, Vermont
Falowanie mrozowe (lub falowanie mrozowe ) to pęcznienie gleby w górę w warunkach zamarzania, spowodowane rosnącą obecnością lodu , gdy narasta on w kierunku powierzchni, w górę od głębokości w glebie, gdzie temperatury zamarzania wniknęły w glebę (front zamarzania lub zamrożenie granicy). Wzrost lodu wymaga zaopatrzenia w wodę, które dostarcza wodę do frontu zamarzania poprzez działanie kapilarne na niektórych glebach. Ciężar leżącej powyżej gleby ogranicza pionowy wzrost lodu i może sprzyjać tworzeniu się soczewkowatych obszarów lodu w glebie. Jednak siła jednej lub więcej rosnących soczewek lodowych jest wystarczająca do podniesienia warstwy gleby na wysokość 1 stopy (0,30 metra) lub więcej. Gleba, przez którą przepływa woda, aby zasilać tworzenie się soczewek lodowych, musi być wystarczająco porowata, aby umożliwić działanie kapilarne, ale nie na tyle porowata, aby przerwać ciągłość kapilarną. Taka gleba jest określana jako „mrozoodporna”. Wzrost soczewek lodowych nieustannie pochłania podnoszącą się wodę na froncie zamarzania. Różnicowy falujący mróz może powodować pękanie nawierzchni drogowych — przyczynianie się do powstawania wiosennych dziur — i niszczenie fundamentów budynków . Fale mrozu mogą wystąpić w chłodniach i lodowiskach chłodzonych mechanicznie .
Lód igłowy to zasadniczo falowanie mrozu, które występuje na początku sezonu zamarzania, zanim front zamarzania wniknie bardzo głęboko w glebę i nie ma przeciążenia gleby, które można by podnieść jako falowanie mrozu.
Mechanizmy
Historyczne rozumienie falowania mrozu
Urban Hjärne opisał skutki mrozu w glebie w 1694 r. Do 1930 r. Stephen Taber, kierownik Wydziału Geologii Uniwersytetu Południowej Karoliny, obalił hipotezę, że falowanie mrozu wynika z rozszerzenia objętości molowej przy zamarzaniu wody już obecnej w glebie przed nadejściem temperatur ujemnych, czyli przy niewielkim udziale migracji wody w glebie.
Ponieważ objętość molowa wody zwiększa się o około 9%, gdy zmienia fazę z wody w lód w punkcie zamarzania w masie , 9% byłoby maksymalnym możliwym rozszerzeniem dzięki zwiększeniu objętości molowej, a nawet wtedy tylko wtedy, gdyby lód był sztywno ograniczony poprzecznie w glebie, tak że całe rozszerzenie objętości musiało zachodzić pionowo. Lód jest niezwykły wśród związków, ponieważ zwiększa swoją objętość molową ze stanu ciekłego, jakim jest woda . Większość związków zmniejsza swoją objętość podczas zmiany fazy z cieczy na ciało stałe. Taber wykazał, że pionowe przemieszczenie gleby podczas falowania mrozu może być znacznie większe niż to z powodu rozszerzenia objętości molowej.
Taber wykazał, że woda w stanie ciekłym migruje w glebie w kierunku linii zamarzania. Pokazał, że inne ciecze, takie jak benzen , który kurczy się, gdy zamarza, również powodują falowanie mrozu. Wykluczyło to zmiany objętości molowej jako dominujący mechanizm pionowego przemieszczania się zamarzającej gleby. Jego eksperymenty dodatkowo wykazały rozwój soczewek lodowych w kolumnach gleby, które zostały zamrożone przez ochłodzenie tylko górnej powierzchni, ustanawiając w ten sposób gradient temperatury .
Rozwój soczewek lodowych
Dominującą przyczyną przemieszczania się gleby podczas falowania mrozowego jest tworzenie się soczewek lodowych . Podczas falowania mrozu rośnie jedna lub więcej soczewek lodowych bez gleby, a ich wzrost wypiera glebę nad nimi. Soczewki te rosną w wyniku ciągłego dodawania wody ze źródła wód gruntowych, które znajduje się niżej w glebie i poniżej linii zamarzania w glebie. Obecność gleby podatnej na mróz , o strukturze porów, która umożliwia przepływ kapilarny , jest niezbędna do dostarczania wody do tworzących się soczewek lodowych.
Dzięki efektowi Gibbsa-Thomsona polegającemu na uwięzieniu cieczy w porach, woda w glebie może pozostać w stanie ciekłym w temperaturze niższej od punktu zamarzania wody w masie. Bardzo drobne pory mają bardzo dużą krzywiznę , co powoduje, że faza ciekła jest stabilna termodynamicznie w takich ośrodkach w temperaturach czasami o kilkadziesiąt stopni poniżej temperatury zamarzania cieczy. Efekt ten umożliwia przenikanie wody przez glebę w kierunku soczewki lodowej, umożliwiając wzrost soczewki.
Innym efektem transportu wody jest zachowanie kilku warstw molekularnych wody w stanie ciekłym na powierzchni soczewki lodowej oraz między cząsteczkami lodu i gleby. Faraday opisał w 1860 roku niezamarzniętą warstwę wstępnie stopionej wody. Lód topi się w obecności własnej pary oraz w kontakcie z krzemionką .
Procesy w skali mikro
Te same siły międzycząsteczkowe, które powodują wstępne topienie powierzchni, przyczyniają się do falowania szronu w skali cząstek na dolnej stronie tworzącej się soczewki lodowej. Kiedy lód otacza drobną cząstkę gleby podczas jej wstępnego topienia, cząstka gleby zostanie przesunięta w dół w kierunku ciepłego w ramach gradientu termicznego z powodu topienia i ponownego zamarzania cienkiej warstwy wody otaczającej cząstkę. Grubość takiej warstewki zależy od temperatury i jest cieńsza po zimniejszej stronie cząstki.
Woda ma niższą termodynamiczną energię swobodną w lodzie niż w stanie przechłodzonej cieczy. Dlatego następuje ciągłe uzupełnianie wody przepływającej od strony ciepłej do zimnej strony cząstki i ciągłe topienie w celu ponownego ustanowienia grubszej warstwy po stronie ciepłej. Cząsteczka migruje w dół w kierunku cieplejszej gleby w procesie, który Faraday nazwał „regelacją termiczną”. Efekt ten oczyszcza soczewki lodowe, gdy się formują, odpychając drobne cząstki gleby. Tak więc 10- nanometrowa warstwa niezamarzniętej wody wokół każdego mikrometra Cząsteczka gleby o niewielkich rozmiarach może ją przemieszczać o 10 mikrometrów dziennie przy gradiencie termicznym wynoszącym zaledwie 1 °C m- 1 . Gdy soczewki lodowe rosną, unoszą glebę powyżej i oddzielają cząsteczki gleby poniżej, jednocześnie pobierając wodę do zamarzającej powierzchni soczewki lodowej poprzez działanie kapilarne.
Gleby wrażliwe na mróz
Falowanie mrozowe wymaga gleby podatnej na mróz, stałego dopływu wody poniżej ( zwierciadło wody ) i przenikających do gleby temperatur ujemnych. Gleby podatne na mróz to takie, w których wielkość porów między cząstkami a powierzchnią cząstek sprzyja przepływowi kapilarnemu . Gleby muliste i gliniaste , które zawierają drobne cząstki, są przykładami gleb wrażliwych na mróz. Wiele agencji klasyfikuje materiały jako podatne na mróz, jeśli 10 procent lub więcej cząstek składowych przechodzi przez sito 0,075 mm (nr 200) lub 3 procent lub więcej przechodzi przez sito 0,02 mm (nr 635). Chamberlain podał inne, bardziej bezpośrednie metody pomiaru podatności na mróz. Na podstawie takich badań istnieją standardowe testy określające względną podatność na osłabienie gruntów stosowanych w systemach nawierzchni na mróz i roztopy, porównując szybkość podnoszenia i współczynnik nośności rozmrożonej z wartościami w ustalonym systemie klasyfikacji dla gleb, w przypadku których podatność na mróz jest niepewna.
Gleby niewrażliwe na mróz mogą być zbyt gęste, aby sprzyjać przepływowi wody (niskie przewodnictwo hydrauliczne) lub zbyt otwarte w porowatości, aby sprzyjać przepływowi kapilarnemu. Przykłady obejmują gęste gliny o małych rozmiarach porów, a zatem o niskim przewodnictwie hydraulicznym oraz czyste piaski i żwiry , które zawierają niewielkie ilości drobnych cząstek i których rozmiary porów są zbyt otwarte, aby sprzyjać przepływowi kapilarnemu.
Formy terenu utworzone przez falowanie mrozu
Falowanie mrozu tworzy ukształtowanie terenu o różnej geometrii, w tym koła, wielokąty i paski, które można opisać jako palsas na glebach bogatych w materię organiczną, takich jak torf, lub lithalsa na glebach bardziej bogatych w minerały. Przykładem są kamienne lithalsa (falujące kopce) znalezione na archipelagu Svalbard . Fale mrozu występują w regionach alpejskich, nawet w pobliżu równika , co ilustrują palsas na górze Kenia .
W arktycznych regionach wiecznej zmarzliny pokrewny rodzaj falowania gruntu przez setki lat może tworzyć struktury o wysokości do 60 metrów, znane jako pingosy , które są zasilane przez wypiętrzenie wód gruntowych, zamiast działania kapilarnego, które napędza wzrost szronu faluje. Kriogeniczne garby ziemi to niewielka formacja powstała w wyniku konwekcji ziarnistej , która pojawia się w sezonowo zamarzniętej glebie i ma wiele różnych nazw; w Ameryce Północnej są to kępy ziemi; thúfur na Grenlandii i Islandii ; i pounus w Fennoskandia .
Wielokątne kształty najwyraźniej spowodowane falowaniem mrozu zostały zaobserwowane w regionach bliskobiegunowych Marsa przez Mars Orbiter Camera (MOC) na pokładzie Mars Global Surveyor oraz kamerę HiRISE na Mars Reconnaissance Orbiter . W maju 2008 r. Mars Phoenix wylądował na takim wielokątnym, falującym mrozie krajobrazie i szybko odkrył lód kilka centymetrów pod powierzchnią.
W budynkach chłodniczych
Chłodnie i lodowiska utrzymywane w temperaturach poniżej zera mogą zamarzać glebę pod ich fundamentami na głębokość kilkudziesięciu metrów. Sezonowo zamarznięte budynki, np. niektóre lodowiska, mogą pozwolić glebie na rozmrożenie i regenerację po ogrzaniu wnętrza budynku. Jeżeli fundament budynku chłodni posadowiony jest na gruntach mrozoodpornych, a poziom wód gruntowych znajduje się w zasięgu frontu przemarzania, wówczas stropy takich konstrukcji mogą się podnosić, na skutek tych samych mechanizmów występujących w przyrodzie. Takie struktury mogą być zaprojektowane tak, aby uniknąć takich problemów, stosując kilka strategii, oddzielnie lub w tandemie. Strategie obejmują umieszczenie gruntu niewrażliwego na mróz pod fundamentem, dodanie izolacji w celu zmniejszenia penetracji frontu zamarzania oraz ogrzewanie gruntu pod budynkiem na tyle, aby nie dopuścić do zamarznięcia. Lodowiska działające sezonowo mogą złagodzić tempo zamarzania podpowierzchniowego poprzez podniesienie temperatury lodu.
Zobacz też
przypisy
Dalsza lektura
- Manz, Lorraine (lipiec 2011), „Frost heave” (PDF) , Geo News , 32 (2): 18–24
| Typy krystaliczne | .jpg){kind=small} |
||||
|---|---|---|---|---|---|
|
Formacje i zjawiska |
|
||||
| Działania związane z lodem |
|
||||
| Konstrukcje | |||||
| Praca | |||||
| Inne zastosowania | |||||
| Epoka lodowcowa | |||||
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
