A fagykár

A fagykár történeti megértéseSzerkesztés

A fagykárhoz vezető jéglencseképződés hideg éghajlaton.

Beskow szerint Urban Hjärne (1641-1724) 1694-ben leírta a talajban a fagy hatását. 1930-ra Stephen Taber (1882-1963), a Dél-Karolinai Egyetem (Columbia, Dél-Karolina) geológiai tanszékének vezetője megcáfolta azt a hipotézist, hogy a fagykárhozás a talajban már a fagypont alatti hőmérséklet kezdete előtt jelen lévő víz megfagyásával járó moláris térfogattágulás eredménye, azaz a talajon belüli vízvándorlás kevéssé járul hozzá.

Mivel a víz moláris térfogata körülbelül 9%-kal tágul, amikor az ömlesztett fagyáspontján vízből jéggé változik, 9% lenne a maximális lehetséges tágulás a moláris térfogattágulás miatt, és még akkor is csak akkor, ha a jeget oldalirányban mereven korlátozzák a talajban, így a teljes térfogattágulásnak függőlegesen kell történnie. A jég szokatlan a vegyületek között, mert a folyékony állapotából, a vízből kiindulva moláris térfogata növekszik. A legtöbb vegyület térfogata csökken, amikor folyadékból szilárd fázisba lép. Taber kimutatta, hogy a talaj függőleges elmozdulása fagyáskor jelentősen nagyobb lehet, mint a moláris térfogattágulásból eredő elmozdulás.

Taber kimutatta, hogy a folyékony víz a talajban a fagyhatár felé vándorol. Kimutatta, hogy más folyadékok, például a benzol, amely fagyáskor összehúzódik, szintén fagykárhoz vezet. Ez kizárta a moláris térfogatváltozást, mint a fagyó talaj függőleges elmozdulásának domináns mechanizmusát. Kísérletei továbbá kimutatták a jéglencsék kialakulását olyan talajoszlopok belsejében, amelyeket csak a felső felület lehűtésével fagyasztottak le, ezáltal hőmérséklet-gradienst hozva létre.

Jéglencsék kialakulásaSzerkesztés

Jégverés egy vidéki vermonti úton tavaszi olvadáskor

A fagyverésnél a talaj elmozdulásának domináns oka a jéglencsék kialakulása. Fagyáskor egy vagy több talajmentes jéglencse nő, és növekedésük elmozdítja a felettük lévő talajt. Ezek a lencsék a talajban mélyebben fekvő és a talaj fagyhatára alatt lévő talajvízforrásból származó víz folyamatos hozzáadásával nőnek. A fagyérzékeny talaj jelenléte, amelynek pórusszerkezete lehetővé teszi a kapilláris áramlást, elengedhetetlen a jéglencsék vízzel való ellátásához, miközben azok kialakulnak.

A folyadékok pórusokba záródásának Gibbs-Thomson-hatásának köszönhetően a talajban lévő víz folyékony maradhat olyan hőmérsékleten, amely a víz ömlesztett fagyáspontja alatt van. A nagyon finom pórusok nagyon nagy görbületűek, és ez azt eredményezi, hogy a folyékony fázis termodinamikailag stabil az ilyen közegekben, néha több tíz fokkal a folyadék ömlesztett fagyáspontja alatti hőmérsékleten. Ez a hatás lehetővé teszi, hogy a víz átszivárogjon a talajon keresztül a jéglencse felé, lehetővé téve a lencse növekedését.

Egy másik vízszállító hatás a folyékony víz néhány molekuláris rétegének megőrzése a jéglencse felületén, valamint a jég és a talajrészecskék között. Faraday 1860-ban beszámolt az előolvadt víz meg nem fagyott rétegéről. A jég előolvad a saját gőzével szemben és a szilícium-dioxiddal érintkezve.

Mikroméretű folyamatokSzerkesztés

Ugyanazok a molekulák közötti erők, amelyek a felszíneken előolvadást okoznak, hozzájárulnak a kialakuló jéglencse alsó oldalán a részecskék szintjén a fagyfelverődéshez. Amikor a jég előolvadás közben körülvesz egy finom talajrészecskét, a talajrészecske a részecskét körülvevő vékony vízréteg olvadása és újrafagyása miatt lefelé tolódik a meleg irányába a hőgradiensben. Az ilyen film vastagsága hőmérsékletfüggő, és a részecske hidegebb oldalán vékonyabb.

A víznek alacsonyabb a termodinamikai szabad energiája, amikor ömlesztett jégben van, mint amikor túlhűtött folyékony állapotban. Ezért a részecske meleg oldaláról a hideg oldalára folyamatosan áramló víz utánpótlása, és folyamatos olvadás történik, hogy a meleg oldalon a vastagabb film újra létrejöjjön. A részecske lefelé vándorol a melegebb talaj felé egy olyan folyamat során, amelyet Faraday “termikus regelációnak” nevezett. Ez a hatás a finom talajrészecskék taszításával megtisztítja a kialakuló jéglencséket. Így az egyes mikrométeres méretű talajrészecskéket körülvevő 10 nanométeres, nem fagyott vízréteg akár 1 °C m-1 hőgradiensben is 10 mikrométert/nap mozoghat. Ahogy a jéglencse növekszik, felemeli a talajt felülről, és elkülöníti a talajrészecskéket alulról, miközben kapilláris hatás révén vizet vonz a jéglencse fagyási felületére.