Vorstuitslag

Historisch begrip van vorstuitslagEdit

Ijslensvorming die leidt tot vorstuitslag in koude klimaten.

Volgens Beskow beschreef Urban Hjärne (1641-1724) in 1694 vorsteffecten in de bodem. In 1930 had Stephen Taber (1882-1963), hoofd van de afdeling geologie van de Universiteit van South Carolina (Columbia, South Carolina), de hypothese weerlegd dat vorstverharding het gevolg is van molaire volume-expansie met bevriezing van water dat reeds in de bodem aanwezig was vóór het begin van de temperaturen onder nul, d.w.z. met een geringe bijdrage van migratie van water binnen de bodem.

Aangezien het molaire volume van water met ongeveer 9% uitzet wanneer het van fase verandert van water in ijs bij zijn vriespunt in bulk, zou 9% de maximaal mogelijke uitzetting zijn ten gevolge van molaire volume-uitzetting, en dan nog alleen indien het ijs in de bodem zijdelings star zou zijn begrensd zodat de volledige volume-uitzetting verticaal zou moeten plaatsvinden. IJs is ongewoon onder de verbindingen omdat het in molair volume toeneemt vanuit zijn vloeibare toestand, water. De meeste verbindingen nemen in volume af wanneer zij van vloeibare naar vaste toestand overgaan. Taber toonde aan dat de verticale verplaatsing van de bodem bij vorstverplaatsing aanzienlijk groter kan zijn dan die ten gevolge van molaire volume-uitzetting.

Taber toonde aan dat vloeibaar water in de bodem naar de vrieslijn migreert. Hij toonde aan dat andere vloeistoffen, zoals benzeen, dat samentrekt wanneer het bevriest, ook vorstverplaatsingen veroorzaken. Dit sloot molaire volumeveranderingen uit als het dominante mechanisme voor verticale verplaatsing van bevriezende grond. Zijn experimenten toonden verder de ontwikkeling aan van ijslenzen binnen kolommen grond die bevroren waren door alleen de bovenkant af te koelen, waardoor een temperatuurgradiënt tot stand kwam.

Ontwikkeling van ijslenzenEdit

Vorstverplaatsingen op een landelijke weg in Vermont tijdens voorjaarsdooi

De dominante oorzaak van grondverschuiving bij vorstverplaatsingen is de ontwikkeling van ijslenzen. Tijdens vorstverplaatsing groeien een of meer bodemvrije ijslenzen, die de grond erboven verplaatsen. Deze lenzen groeien door de voortdurende toevoeging van water uit een grondwaterbron die zich lager in de bodem en onder de vrieslijn in de bodem bevindt. De aanwezigheid van vorstgevoelige grond met een poriënstructuur die capillaire stroming mogelijk maakt, is van essentieel belang voor de watervoorziening van de ijslenzen tijdens hun vorming.

Op grond van het Gibbs-Thomson effect van de opsluiting van vloeistoffen in poriën, kan water in de grond vloeibaar blijven bij een temperatuur die lager ligt dan het bulkvriespunt van water. Zeer fijne poriën hebben een zeer hoge kromming, waardoor de vloeibare fase thermodynamisch stabiel is in dergelijke media bij temperaturen die soms enkele tientallen graden onder het bulkvriespunt van de vloeistof liggen. Door dit effect kan water door de bodem naar de ijslens sijpelen, waardoor de lens kan groeien.

Een ander water-transport effect is het behoud van een paar moleculaire lagen vloeibaar water aan het oppervlak van de ijslens, en tussen ijs en bodemdeeltjes. Faraday rapporteerde in 1860 over de niet bevroren laag van voorgesmolten water. IJs voorsmelt tegen zijn eigen damp, en in contact met silica.

Processen op microschaalEdit

Dezelfde intermoleculaire krachten die voorsmelten aan oppervlakken veroorzaken, dragen bij tot vorstafschuiving op de schaal van deeltjes aan de onderkant van de zich vormende ijslens. Wanneer ijs een fijn gronddeeltje omgeeft terwijl het voorsmelt, zal het gronddeeltje binnen de thermische gradiënt naar beneden worden verplaatst in de richting van de warme richting als gevolg van het smelten en opnieuw bevriezen van de dunne waterfilm die het deeltje omringt. De dikte van een dergelijke film is temperatuurafhankelijk en is dunner aan de koudere kant van het deeltje.

Water heeft een lagere thermodynamische vrije energie wanneer het zich in bulk ijs bevindt dan wanneer het zich in de onderkoelde vloeibare toestand bevindt. Daarom is er een voortdurende aanvulling van water dat van de warme kant naar de koude kant van het deeltje stroomt, en voortdurend smelten om de dikkere film aan de warme kant te herstellen. Het deeltje migreert naar beneden, naar de warmere bodem, in een proces dat Faraday “thermische regulatie” noemde. Dit effect zuivert de ijslenzen wanneer zij zich vormen door fijne bodemdeeltjes af te stoten. Zo kan een film van 10 nanometer van onbevroren water rond elk bodemdeeltje ter grootte van een micrometer het 10 micrometer per dag verplaatsen bij een thermische gradiënt van slechts 1 °C m-1. Als ijslenzen groeien, tillen ze de grond erboven op en scheiden ze de bodemdeeltjes eronder af, terwijl ze via capillaire werking water naar de bevriezende kant van de ijslens trekken.