El levantamiento de escarcha
Entendimiento histórico del levantamiento de escarchaEditar
Según Beskow, Urban Hjärne (1641-1724) describió los efectos de la escarcha en el suelo en 1694. En 1930, Stephen Taber (1882-1963), jefe del Departamento de Geología de la Universidad de Carolina del Sur (Columbia, Carolina del Sur), había refutado la hipótesis de que el calentamiento por heladas es el resultado de la expansión del volumen molar con la congelación del agua ya presente en el suelo antes del inicio de las temperaturas bajo cero, es decir, con poca contribución de la migración del agua dentro del suelo.
Dado que el volumen molar del agua se expande alrededor de un 9% cuando cambia de fase de agua a hielo en su punto de congelación, el 9% sería la máxima expansión posible debido a la expansión del volumen molar, e incluso sólo si el hielo estuviera rígidamente limitado lateralmente en el suelo de modo que toda la expansión del volumen tuviera que ocurrir verticalmente. El hielo es inusual entre los compuestos porque aumenta su volumen molar a partir de su estado líquido, el agua. La mayoría de los compuestos disminuyen su volumen al cambiar de fase líquida a sólida. Taber demostró que el desplazamiento vertical del suelo en la congelación puede ser significativamente mayor que el debido a la expansión de volumen molar.
Taber demostró que el agua líquida migra hacia la línea de congelación dentro del suelo. Demostró que otros líquidos, como el benceno, que se contrae cuando se congela, también producen el calentamiento por congelación. Esto excluyó los cambios de volumen molar como el mecanismo dominante para el desplazamiento vertical del suelo congelado. Sus experimentos demostraron además el desarrollo de lentes de hielo dentro de columnas de suelo que se congelaban enfriando sólo la superficie superior, estableciendo así un gradiente de temperatura.
Desarrollo de lentes de hieloEditar
La causa dominante del desplazamiento del suelo en el levantamiento de escarcha es el desarrollo de lentes de hielo. Durante el levantamiento de escarcha, uno o más lentes de hielo sin suelo crecen, y su crecimiento desplaza el suelo por encima de ellos. Estas lentes crecen por la adición continua de agua de una fuente de agua subterránea que está más abajo en el suelo y por debajo de la línea de congelación en el suelo. La presencia de un suelo sensible a las heladas con una estructura de poros que permita el flujo capilar es esencial para suministrar agua a las lentes de hielo a medida que se forman.
De acuerdo con el efecto Gibbs-Thomson del confinamiento de los líquidos en los poros, el agua en el suelo puede permanecer líquida a una temperatura que está por debajo del punto de congelación del agua. Los poros muy finos tienen una curvatura muy elevada, lo que hace que la fase líquida sea termodinámicamente estable en estos medios a temperaturas a veces varias decenas de grados por debajo del punto de congelación del líquido. Este efecto permite que el agua se filtre a través del suelo hacia la lente de hielo, permitiendo que la lente crezca.
Otro efecto de transporte de agua es la conservación de algunas capas moleculares de agua líquida en la superficie de la lente de hielo, y entre el hielo y las partículas del suelo. Faraday informó en 1860 sobre la capa no congelada de agua prefundida. El hielo se prefunde contra su propio vapor y en contacto con el sílice.
Procesos a microescalaEditar
Las mismas fuerzas intermoleculares que causan la prefusión en las superficies contribuyen al levantamiento de la escarcha a escala de partículas en el lado inferior de la lente de hielo en formación. Cuando el hielo rodea a una partícula de suelo fino mientras se pre-funde, la partícula de suelo se desplazará hacia abajo, hacia la dirección cálida dentro del gradiente térmico, debido a la fusión y recongelación de la fina película de agua que rodea a la partícula. El grosor de dicha película depende de la temperatura y es más delgada en el lado más frío de la partícula.
El agua tiene una energía libre termodinámica menor cuando está en el hielo a granel que cuando está en el estado líquido superenfriado. Por lo tanto, hay una reposición continua de agua que fluye desde el lado caliente al lado frío de la partícula, y una fusión continua para restablecer la película más gruesa en el lado caliente. La partícula migra hacia abajo, hacia el suelo más cálido, en un proceso que Faraday llamó «regelación térmica». Este efecto purifica las lentes de hielo a medida que se forman al repeler las partículas finas del suelo. Así, una película de 10 nanómetros de agua no congelada alrededor de cada partícula de suelo de tamaño micrométrico puede desplazarla 10 micrómetros/día en un gradiente térmico de tan sólo 1 °C m-1. A medida que las lentes de hielo crecen, levantan el suelo por encima y segregan las partículas del suelo por debajo, mientras atraen el agua hacia la cara de congelación de la lente de hielo mediante la acción capilar.
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