Frostsprengung

Historisches Verständnis der FrostsprengungBearbeiten

Eislinsenbildung, die in kalten Klimazonen zu Frostsprengung führt.

Nach Beskow beschrieb Urban Hjärne (1641-1724) im Jahr 1694 Frosteffekte im Boden. Stephen Taber (1882-1963), Leiter der Abteilung für Geologie an der Universität von South Carolina (Columbia, South Carolina), hatte 1930 die Hypothese widerlegt, dass Frosthäufungen aus der molaren Volumenexpansion mit Gefrieren von Wasser resultieren, das bereits vor dem Einsetzen von Minustemperaturen im Boden vorhanden war, d.h. mit geringem Beitrag von Wasserwanderungen innerhalb des Bodens.

Da sich das molare Volumen von Wasser um etwa 9 % ausdehnt, wenn es bei seinem Gefrierpunkt die Phase von Wasser zu Eis wechselt, wären 9 % die maximal mögliche Ausdehnung aufgrund der molaren Volumenexpansion, und selbst dann nur, wenn das Eis seitlich im Boden fest eingespannt wäre, so dass die gesamte Volumenexpansion vertikal erfolgen müsste. Eis ist unter den Verbindungen ungewöhnlich, weil es sein molares Volumen ausgehend von seinem flüssigen Zustand, dem Wasser, vergrößert. Bei den meisten Verbindungen nimmt das Volumen ab, wenn die Phase von flüssig zu fest wechselt. Taber zeigte, dass die vertikale Verschiebung des Bodens bei Frostaufbrüchen wesentlich größer sein kann als die durch die molare Volumenexpansion verursachte.

Taber wies nach, dass flüssiges Wasser im Boden in Richtung der Gefriergrenze wandert. Er zeigte, dass auch andere Flüssigkeiten, wie Benzol, das sich beim Gefrieren zusammenzieht, Frosthub erzeugen. Dies schloss molare Volumenänderungen als dominierenden Mechanismus für die vertikale Verschiebung von gefrierendem Boden aus. Seine Experimente zeigten außerdem die Entwicklung von Eislinsen im Inneren von Bodensäulen, die nur durch Abkühlung der oberen Oberfläche gefroren waren, wodurch ein Temperaturgradient entstand.

Entwicklung von EislinsenBearbeiten

Frosthebungen auf einer Landstraße in Vermont während des Tauwetters im Frühjahr

Die Hauptursache für Bodenverschiebungen bei Frosthebungen ist die Entwicklung von Eislinsen. Bei Frostaufbrüchen wachsen eine oder mehrere bodenfreie Eislinsen, die den Boden über ihnen verdrängen. Diese Linsen wachsen durch die kontinuierliche Zufuhr von Wasser aus einer Grundwasserquelle, die tiefer im Boden und unterhalb der Gefriergrenze im Boden liegt. Das Vorhandensein eines frostempfindlichen Bodens mit einer Porenstruktur, die einen Kapillarfluss ermöglicht, ist für die Wasserversorgung der sich bildenden Eislinsen von entscheidender Bedeutung.

Durch den Gibbs-Thomson-Effekt des Einschlusses von Flüssigkeiten in Poren kann Wasser im Boden bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser flüssig bleiben. Sehr feine Poren weisen eine sehr starke Krümmung auf, was dazu führt, dass die flüssige Phase in solchen Medien bei Temperaturen, die manchmal einige zehn Grad unter dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit liegen, thermodynamisch stabil ist. Dieser Effekt ermöglicht es dem Wasser, durch den Boden zur Eislinse zu sickern und die Linse wachsen zu lassen.

Ein weiterer Wassertransporteffekt ist die Erhaltung einiger Molekularschichten flüssigen Wassers auf der Oberfläche der Eislinse und zwischen Eis und Bodenpartikeln. Faraday berichtete 1860 über die ungefrorene Schicht von vorgeschmolzenem Wasser. Eis schmilzt gegen seinen eigenen Dampf und in Kontakt mit Siliziumdioxid vor.

Mikroskalige ProzesseBearbeiten

Die gleichen intermolekularen Kräfte, die das Vorschmelzen an der Oberfläche verursachen, tragen zum Frosthub auf der Partikelebene an der Unterseite der sich bildenden Eislinse bei. Wenn Eis ein feines Bodenteilchen beim Vorschmelzen umgibt, wird das Bodenteilchen aufgrund des Schmelzens und Wiedereinfrierens des dünnen Wasserfilms, der das Teilchen umgibt, nach unten in die warme Richtung innerhalb des Temperaturgradienten verschoben. Die Dicke eines solchen Films ist temperaturabhängig und auf der kälteren Seite des Partikels dünner.

Wasser hat eine niedrigere thermodynamische freie Energie, wenn es in Form von Eis vorliegt, als wenn es sich im unterkühlten flüssigen Zustand befindet. Daher fließt ständig Wasser von der warmen Seite zur kalten Seite des Teilchens und schmilzt ständig, um den dickeren Film auf der warmen Seite wiederherzustellen. Die Partikel wandern in einem Prozess, den Faraday „thermische Regelation“ nannte, nach unten zum wärmeren Boden. Durch diesen Effekt werden die sich bildenden Eislinsen gereinigt, indem feine Bodenteilchen abgestoßen werden. So kann ein 10-Nanometer-Film aus ungefrorenem Wasser um jedes mikrometergroße Bodenteilchen dieses bei einem Temperaturgradienten von nur 1 °C m-1 um 10 Mikrometer pro Tag bewegen. Wenn die Eislinsen wachsen, heben sie den Boden darüber an und trennen die Bodenteilchen darunter ab, während sie durch Kapillarwirkung Wasser zur gefrierenden Seite der Eislinse ziehen.