Frostsprængning

Historisk forståelse af frostsprængningRediger

Islinsedannelse, der resulterer i frostsprængning i kolde klimaer.

Ifølge Beskow beskrev Urban Hjärne (1641-1724) frostvirkninger i jorden i 1694. I 1930 havde Stephen Taber (1882-1963), leder af Geologisk Institut ved University of South Carolina (Columbia, South Carolina), afkræftet hypotesen om, at frosthævning skyldes en molær volumenudvidelse med frysning af vand, der allerede var til stede i jorden før indtræden af minusgrader, dvs. med et lille bidrag fra vandmigration i jorden.

Da vands molare volumen udvider sig med ca. 9%, når det skifter fase fra vand til is ved dets bulkfrysepunkt, ville 9% være den maksimale udvidelse, der er mulig som følge af molær volumenudvidelse, og selv da kun hvis isen var fastlåst sidelæns i jorden, således at hele volumenudvidelsen måtte ske vertikalt. Is er usædvanlig blandt forbindelser, fordi dens molare volumen vokser i forhold til dens flydende tilstand, vand. De fleste forbindelser mindskes i volumen, når de skifter fase fra flydende til fast stof. Taber viste, at den vertikale forskydning af jorden ved frosthævning kan være betydeligt større end den, der skyldes den molare volumenudvidelse.

Taber påviste, at flydende vand vand vandrer mod frysegrænsen i jorden. Han viste, at andre væsker, som f.eks. benzen, der trækker sig sammen, når det fryser, også producerer frosthævning. Dette udelukkede molare volumenændringer som den dominerende mekanisme for vertikal forskydning af frysning af jord ved frysning. Hans eksperimenter viste endvidere udviklingen af islinser inde i jordsøjler, der blev frosset ved kun at afkøle den øverste overflade, hvorved der blev etableret en temperaturgradient.

Udvikling af islinserRediger

Frosthævninger på en landvej i Vermont under forårets tøvejr

Den dominerende årsag til jordforskydning ved frosthævning er udviklingen af islinser. Under frosthævning vokser der en eller flere jordfrie islinser, og deres vækst forskyder jorden over dem. Disse linser vokser ved kontinuerlig tilførsel af vand fra en grundvandskilde, der ligger lavere i jorden og under frysegrænsen i jorden. Tilstedeværelsen af frostfølsom jord med en porestruktur, der tillader kapillærstrømning, er afgørende for at tilføre vand til islinserne, efterhånden som de dannes.

I følge Gibbs-Thomson-effekten af væskers indeslutning i porer kan vand i jorden forblive flydende ved en temperatur, der ligger under vands frysepunkt i bulk. Meget fine porer har en meget stor krumning, og dette resulterer i, at den flydende fase er termodynamisk stabil i sådanne medier ved temperaturer, der nogle gange ligger flere tiendedele grader under væskens bulkfrysepunkt. Denne effekt gør det muligt for vand at sive gennem jorden mod islinsen, hvilket gør det muligt for linsen at vokse.

En anden vandtransporterende effekt er bevarelsen af nogle få molekylære lag flydende vand på islinsens overflade og mellem is og jordpartikler. Faraday rapporterede i 1860 om det ufrosne lag af forsmeltet vand. Isen forsmelter mod sin egen damp og i kontakt med silica.

Processer på mikroskalaRediger

De samme intermolekylære kræfter, der forårsager forsmeltning på overflader, bidrager til frosthævning på partikelskalaen på undersiden af den dannende islinse. Når is omgiver en fin jordpartikel, mens den forsmelter, vil jordpartiklen blive forskudt nedad mod den varme retning inden for termisk gradient på grund af smeltning og genfrysning af den tynde film af vand, der omgiver partiklen. Tykkelsen af en sådan film er temperaturafhængig og er tyndere på den koldere side af partiklen.

Vand har en lavere termodynamisk fri energi, når det er is i bulk, end når det er i underafkølet flydende tilstand. Derfor sker der en kontinuerlig genopfyldning af vand, der strømmer fra den varme side til den kolde side af partiklen, og der sker en kontinuerlig smeltning for at genetablere den tykkere film på den varme side. Partiklen vandrer nedad mod den varmere jordbund i en proces, som Faraday kaldte “termisk regelation”. Denne effekt renser islinserne, efterhånden som de dannes, ved at frastøde fine jordpartikler. Således kan en 10 nanometer film af ufrosset vand omkring hver mikrometerstor jordpartikel flytte den 10 mikrometer/dag i en termisk gradient på så lidt som 1 °C m-1. Når islinser vokser, løfter de jorden ovenpå og adskiller jordpartikler nedenunder, samtidig med at de trækker vand til islinsens fryseflade via kapillær virkning.