Frost heaving

Ice lens formation resulting in cold climate.Beskow According to Urban Hjärne (1641-1724) in 1694 in soil described frost effects in 1694.BESKAWA. 1930年までに、サウスカロライナ大学（サウスカロライナ州コロンビア）の地質学部長Stephen Taber（1882-1963）が、フロストヒービングは氷点下の気温が始まる前にすでに土壌に存在していた水の凍結によるモル体積膨張から生じる、つまり土壌内の水の移動からはほとんど寄与しないという仮説を否定している。

水のモル体積は、バルク凝固点で水から氷に相変化する際に約9%膨張するので、モル体積膨張による膨張は9%が最大となり、それも氷が土壌中で横方向に硬く拘束されて、全体の体積膨張が縦方向に発生しなければならない場合だけである。 氷は化合物の中では珍しく、液体である水からモル体積を増加させる。 ほとんどの化合物は、液体から固体に相変化するときに体積が減少する。 Taberは、フロストヒービングによる土壌の垂直方向の変位が、モル体積膨張による変位よりも著しく大きいことを示した

Taberは、液体の水が土壌中の凍結線に向かって移動することを示した。 彼は、ベンゼンのような凍結すると収縮する他の液体も霜ヒービングを起こすことを示した。 このことから、モル体積の変化が凍土の垂直変位の支配的なメカニズムであることが除外された。

氷レンズの発達 編集

frost heaving における土壌変位の主因は氷レンズが発達することである。 霜が降りるとき、1つまたは複数の土のない氷のレンズが成長し、その成長によってその上の土が変位する。 このレンズは、土壌中の氷結線より低い位置にある地下水源から継続的に水が加えられることで成長する。

孔隙に液体を閉じ込めるギブス・トムソン効果により、土壌中の水は水の凝固点以下の温度で液体を保つことができる。 微細な孔は曲率が非常に大きいため、液体の凝固点より数十度低い温度でも熱力学的に安定な液相が存在する。

もう一つの水輸送効果は、氷レンズの表面や氷と土粒子の間に液体の水の分子層が数層保存されることである。 ファラデーは1860年に予冷された水の未凍結層について報告した。

マイクロスケールのプロセス編集

表面でプレメルトを引き起こす同じ分子間力は、形成された氷レンズの下側の粒子スケールで霜ヒービングに貢献します。 氷がプレメルトする際に微細な土壌粒子を取り囲むと、粒子を取り囲む薄い水膜の融解と再凍結により、土壌粒子は熱勾配内の暖かい方向へ下降することになる。

水は過冷却液体状態よりもバルクアイス状態の方が熱力学的自由エネルギーが低い。 したがって、粒子の暖かい側から冷たい側へ流れる水の連続的な補充があり、暖かい側の厚い膜を再確立するための連続的な融解がある。 粒子は、ファラデーが “サーマルリゲーション “と呼んだプロセスで、暖かい土に向かって下向きに移動する。 この効果により、細かい土の粒子をはじくことで氷のレンズが形成され、浄化される。 このように、マイクロメートルサイズの土壌粒子の周りに10ナノメートルの凍結していない水の膜があると、1℃ m-1という低い温度勾配の中で、1日に10マイクロメートルずつ土壌粒子を移動させることができるのである。 氷レンズが成長すると、氷レンズは上の土を持ち上げ、下の土粒子を隔離し、毛細管現象によって氷レンズの凍結面に水を引き寄せる。