Mrazové zvrstvení
Historické poznatky o mrazovém zvrstveníEdit
Podle Beskowa popsal Urban Hjärne (1641-1724) v roce 1694 účinky mrazu v půdě. Do roku 1930 Stephen Taber (1882-1963), vedoucí katedry geologie na univerzitě v Jižní Karolíně (Columbia, Jižní Karolína), vyvrátil hypotézu, že mrazové zvlnění je důsledkem molární objemové expanze při zmrznutí vody přítomné v půdě již před nástupem teplot pod bodem mrazu, tj. s malým přispěním migrace vody v půdě.
Protože se molární objem vody při změně fáze z vody na led při jejím objemovém bodu mrznutí zvětší přibližně o 9 %, 9 % by bylo maximální možné zvětšení v důsledku molární objemové expanze, a to i v případě, že by byl led v půdě pevně bočně omezen, takže by k celému zvětšení objemu muselo dojít vertikálně. Led je mezi sloučeninami neobvyklý, protože zvětšuje svůj molární objem oproti kapalnému stavu, tedy vodě. Většina sloučenin při změně fáze z kapalné na pevnou zmenšuje svůj objem. Taber ukázal, že vertikální posun půdy při mrazovém zvětšování může být podstatně větší než posun způsobený zvětšením molárního objemu.
Taber prokázal, že kapalná voda migruje v půdě směrem k čáře mrazu. Ukázal, že i jiné kapaliny, například benzen, který se při mrznutí smršťuje, způsobují mrazové zvlnění. Tím vyloučil změny molárního objemu jako dominantní mechanismus vertikálního posunu promrzající půdy. Jeho experimenty dále prokázaly vznik ledových čoček uvnitř sloupců půdy, které byly zmrazeny ochlazením pouze horního povrchu, čímž se vytvořil teplotní gradient.
Vznik ledových čočekEdit
Dominantní příčinou posunu půdy při mrazových polomech je vznik ledových čoček. Během mrazového zvrstvení roste jedna nebo více ledových čoček bez půdy a jejich růst vytlačuje půdu nad nimi. Tyto čočky rostou neustálým přiléváním vody ze zdroje podzemní vody, který se nachází níže v půdě a pod linií mrazu v půdě. Přítomnost mrazuvzdorné půdy se strukturou pórů, která umožňuje kapilární proudění, je nezbytná pro zásobování ledových čoček vodou při jejich tvorbě.
V důsledku Gibbsova-Thomsonova efektu uzavření kapalin v pórech může voda v půdě zůstat tekutá při teplotě, která je nižší než objemový bod tuhnutí vody. Velmi jemné póry mají velmi vysoké zakřivení, a to vede k tomu, že kapalná fáze je v takovém prostředí termodynamicky stabilní při teplotách někdy i několik desítek stupňů pod objemovou teplotou tuhnutí kapaliny. Tento efekt umožňuje pronikání vody půdou směrem k ledové čočce, což umožňuje její růst.
Dalším efektem přenosu vody je zachování několika molekulárních vrstev kapalné vody na povrchu ledové čočky a mezi částicemi ledu a půdy. Faraday v roce 1860 referoval o nezamrzlé vrstvě předmrzlé vody. Led se předtavuje proti vlastní páře a při kontaktu s křemíkem.
Procesy v mikroměřítkuEdit
Stejné mezimolekulární síly, které způsobují předtavení na povrchu, přispívají k mrazovému zvrásnění v měřítku částic na spodní straně tvořící se ledové čočky. Když led obklopí jemnou půdní částici při jejím předtání, bude půdní částice posunuta směrem dolů k teplému směru v rámci teplotního gradientu v důsledku tání a opětovného zamrzání tenké vrstvy vody, která částici obklopuje. Tloušťka takového filmu závisí na teplotě a je tenčí na chladnější straně částice.
Voda má nižší termodynamickou volnou energii, když je v sypkém ledu, než když je v přechlazeném kapalném stavu. Proto dochází k neustálému doplňování vody proudící z teplé strany na chladnou stranu částice a k neustálému tání, aby se znovu vytvořil silnější film na teplé straně. Částice migruje směrem dolů k teplejší půdě v procesu, který Faraday nazval „tepelnou regelací“. Tento efekt čistí ledové čočky při jejich tvorbě tím, že odpuzuje jemné částice půdy. Desetimetrová vrstva nezamrzlé vody kolem každé půdní částice o velikosti mikrometru ji tak může posunout o 10 mikrometrů za den při teplotním gradientu pouhý 1 °C m-1. Jak ledové čočky rostou, zvedají půdu nad sebe a oddělují půdní částice pod sebou, přičemž kapilárním působením přitahují vodu k zamrzajícímu povrchu ledové čočky.
.
Leave a Reply