Frost heaving

Historyczne rozumienie zjawiska frost heavingEdit

Tworzenie się soczewek lodowych powodujące frost heave w zimnym klimacie.

Według Beskowa, Urban Hjärne (1641-1724) opisał efekty mrozu w glebie w 1694 roku. Do 1930 roku Stephen Taber (1882-1963), kierownik Katedry Geologii na Uniwersytecie Południowej Karoliny (Columbia, Południowa Karolina), obalił hipotezę, że spiętrzenie mrozowe wynika z rozszerzenia objętości molowej z zamarzaniem wody już obecnej w glebie przed nadejściem temperatury poniżej zera, tj. z niewielkim udziałem migracji wody w glebie.

Ponieważ objętość molowa wody rozszerza się o około 9%, gdy zmienia ona fazę z wody na lód w punkcie zamarzania, 9% byłoby maksymalnym możliwym rozszerzeniem dzięki rozszerzeniu objętości molowej, a nawet wtedy, gdyby lód był sztywno ograniczony bocznie w glebie, tak że całe rozszerzenie objętości musiałoby nastąpić w pionie. Lód jest niezwykły wśród związków chemicznych, ponieważ zwiększa swoją objętość molową od stanu ciekłego, czyli wody. Większość związków zmniejsza objętość przy zmianie fazy z ciekłej na stałą. Taber wykazał, że pionowe przemieszczenie gleby w frost heaving może być znacznie większa niż ta spowodowana molowej ekspansji objętości.

Taber wykazał, że ciekła woda migruje w kierunku linii zamarzania w glebie. Wykazał, że inne ciecze, takie jak benzen, który kurczy się podczas zamarzania, również wywołują zjawisko fali mrozowej. Wykluczyło to zmiany objętości molowej jako dominujący mechanizm pionowego przemieszczania się zamarzającej gleby. Jego eksperymenty wykazały również rozwój soczewek lodowych wewnątrz kolumn gleby, które zostały zamrożone przez schłodzenie tylko górnej powierzchni, co spowodowało powstanie gradientu temperatury.

Rozwój soczewek lodowychEdit

Fave heaves on a rural Vermont road during spring thaw

Dominującą przyczyną przemieszczania się gleby podczas frost heaving jest rozwój soczewek lodowych. W czasie fali mrozu jedna lub więcej bezglebowych soczewek lodowych rośnie, a ich wzrost powoduje przemieszczanie się gleby nad nimi. Soczewki te rosną w wyniku ciągłego dopływu wody ze źródła wody gruntowej, które znajduje się niżej w glebie i poniżej linii zamarzania gleby. Obecność podatnej na mróz gleby o strukturze porów umożliwiającej przepływ kapilarny jest niezbędna do dostarczania wody do tworzących się soczewek lodowych.

Zgodnie z efektem Gibbsa-Thomsona, polegającym na zamknięciu cieczy w porach, woda w glebie może pozostać w stanie ciekłym w temperaturze niższej od temperatury zamarzania wody. Bardzo drobne pory mają bardzo dużą krzywiznę, a to powoduje, że faza ciekła jest stabilna termodynamicznie w takich ośrodkach w temperaturach niekiedy o kilkadziesiąt stopni niższych od temperatury zamarzania cieczy. Efekt ten pozwala wodzie przesączać się przez glebę w kierunku soczewki lodowej, umożliwiając jej wzrost.

Innym efektem transportu wody jest zachowanie kilku molekularnych warstw ciekłej wody na powierzchni soczewki lodowej oraz pomiędzy cząsteczkami lodu i gleby. Faraday doniósł w 1860 roku o niezamarzniętej warstwie wstępnie roztopionej wody. Lód przedwcześnie topnieje wobec własnej pary wodnej i w kontakcie z krzemionką.

Procesy w skali mikroEdit

Te same siły międzycząsteczkowe, które powodują przedwczesne topnienie na powierzchniach, przyczyniają się do powstawania szronu w skali cząsteczkowej na spodniej stronie tworzącej się soczewki lodowej. Gdy lód otacza drobną cząstkę gleby w trakcie jej wstępnego topnienia, cząstka gleby zostanie przesunięta w dół w kierunku ciepła w ramach gradientu termicznego z powodu topnienia i ponownego zamarzania cienkiej warstwy wody, która otacza cząstkę. Grubość takiego filmu zależy od temperatury i jest cieńsza po zimniejszej stronie cząstki.

Woda ma niższą termodynamiczną energię swobodną, gdy jest w lodzie luzem, niż gdy jest w stanie ciekłym przechłodzonym. Dlatego też, istnieje ciągłe uzupełnianie wody przepływającej z ciepłej strony na zimną stronę cząstki i ciągłe topnienie w celu przywrócenia grubszej warstwy na ciepłej stronie. Cząsteczka migruje w dół w kierunku cieplejszej gleby w procesie, który Faraday nazwał „regelacją termiczną”. Ten efekt oczyszcza soczewki lodu w trakcie ich formowania się poprzez odpychanie drobnych cząstek gleby. W ten sposób 10-nanometrowa warstwa niezamarzniętej wody wokół każdej mikrometrowej cząstki gleby może przesuwać ją o 10 mikrometrów dziennie przy gradiencie termicznym wynoszącym zaledwie 1°C m-1. Gdy soczewki lodowe rosną, unoszą glebę powyżej i segregują cząstki gleby poniżej, jednocześnie przyciągając wodę do zamarzającej powierzchni soczewki lodowej poprzez działanie kapilarne.

.