Pakkasrapautuminen

Historiallinen käsitys pakkasrapautumisestaEdit

Jäälinssien muodostuminen, joka johtaa pakkasrapautumiseen kylmissä ilmastoissa.

Beskowin mukaan Urban Hjärne (1641-1724) kuvasi pakkasrapautumisen vaikutuksia maaperässä vuonna 1694. Vuoteen 1930 mennessä Stephen Taber (1882-1963), Etelä-Carolinan yliopiston (Columbia, Etelä-Carolina) geologian laitoksen johtaja, oli kumonnut hypoteesin, jonka mukaan pakkasrapautuminen johtuu moolitilavuuden laajenemisesta veden jäätyessä, jota maaperässä oli jo ennen pakkasen alapuolella olevien lämpötilojen alkamista, eli veden siirtyminen maaperän sisällä ei juurikaan vaikuta siihen.

Koska veden molaarinen tilavuus laajenee noin 9 % sen vaihtaessa faasia vedestä jääksi massapakkaspisteessä, 9 % olisi suurin mahdollinen laajeneminen molaarisen tilavuuden laajenemisen vuoksi, ja silloinkin vain, jos jää olisi jäykästi sidottu maaperässä sivusuunnassa niin, että koko tilavuuden laajenemisen olisi tapahduttava pystysuunnassa. Jää on yhdisteiden joukossa epätavallinen, koska sen molaarinen tilavuus kasvaa nestemäisestä tilasta, vedestä. Useimpien yhdisteiden tilavuus pienenee, kun ne vaihtavat faasia nesteestä kiinteäksi. Taber osoitti, että maaperän pystysuuntainen siirtymä pakkasrapautumisessa voi olla huomattavasti suurempi kuin molaarisen tilavuuden laajenemisen aiheuttama siirtymä.

Taber osoitti, että nestemäinen vesi siirtyy maaperässä kohti pakkasrajaa. Hän osoitti, että myös muut nesteet, kuten bentseeni, joka jäätyessään supistuu, aiheuttavat pakkasnousua. Tämä sulki pois moolitilavuuden muutokset jäätyvän maaperän pystysuuntaisen siirtymisen hallitsevana mekanismina. Pakkasrapautumisen aikana yksi tai useampi maaperästä vapaa jäälinssi kasvaa, ja niiden kasvu syrjäyttää niiden yläpuolella olevaa maaperää. Nämä linssit kasvavat jatkuvalla veden lisäyksellä pohjaveden lähteestä, joka on alempana maaperässä ja maaperän jäätymisrajan alapuolella. Pakkaselle altis maa-aines, jonka huokosrakenne sallii kapillaarisen virtauksen, on välttämätön, jotta jäälinsseihin saadaan vettä niiden muodostuessa.

Nesteiden huokosiin sulkeutumisesta johtuvan Gibbs-Thomson-ilmiön ansiosta maa-aineksessa oleva vesi voi pysyä nestemäisenä lämpötilassa, joka on alle veden massan jäätymispisteen. Hyvin hienoissa huokosissa on hyvin suuri kaarevuus, mikä johtaa siihen, että nestefaasi on termodynaamisesti stabiili tällaisissa väliaineissa lämpötiloissa, jotka ovat joskus useita kymmeniä asteita nesteen bulkkijäätymispisteen alapuolella. Tämä vaikutus mahdollistaa veden kulkeutumisen maaperän läpi kohti jäälinssiä, jolloin linssi voi kasvaa.

Toinen veden kuljetusvaikutus on muutaman molekyylikerroksen nestemäisen veden säilyminen jäälinssin pinnalla sekä jään ja maahiukkasten välillä. Faraday raportoi vuonna 1860 esisulatetun veden jäätymättömästä kerroksesta. Jää esisulattaa omaa höyryään vasten ja kosketuksissa piidioksidin kanssa.

Mikroskaalan prosessitMuutos

Samat molekyylien väliset voimat, jotka aiheuttavat esisulatusta pinnoilla, edistävät huurteen kohoamista hiukkasmittakaavassa muodostuvan jäälinssin alapuolella. Kun jää ympäröi hienoa maahiukkasta sen esisulatuksen aikana, maahiukkanen siirtyy alaspäin lämpimään suuntaan lämpögradientin sisällä hiukkasta ympäröivän ohuen vesikalvon sulamisen ja uudelleen jäätymisen vuoksi. Tällaisen kalvon paksuus riippuu lämpötilasta, ja se on ohuempi hiukkasen kylmemmällä puolella.

Veden termodynaaminen vapaaenergia on alhaisempi, kun se on irtojäässä kuin alijäähtyneessä nestemäisessä tilassa. Siksi vesi virtaa jatkuvasti lämpimältä puolelta hiukkasen kylmälle puolelle ja sulaa jatkuvasti, jolloin paksumpi kalvo palautuu lämpimälle puolelle. Hiukkanen siirtyy alaspäin kohti lämpimämpää maaperää prosessissa, jota Faraday kutsui ”termiseksi regelaatioksi”. Tämä vaikutus puhdistaa jäälinssejä niiden muodostuessa hylkimällä hienoja maahiukkasia. Näin 10 nanometrin pituinen jäätymättömän veden kalvo jokaisen mikrometrin kokoisen maahiukkasen ympärillä voi siirtää sitä 10 mikrometriä päivässä lämpögradientissa, joka on niinkin alhainen kuin 1 °C m-1. Kun jäälinssit kasvavat, ne nostavat maaperää yläpuolella ja erottelevat maaperähiukkasia alapuolella, samalla kun ne vetävät vettä jäälinssin jäätymispinnalle kapillaarisesti.