Geada

Entendimento histórico da geadaEditar

Formação de lentes de gelo resultando em geada em climas frios.

De acordo com Beskow, Hjärne Urbano (1641-1724) descreveu os efeitos da geada no solo em 1694. Em 1930, Stephen Taber (1882-1963), chefe do Departamento de Geologia da Universidade da Carolina do Sul (Columbia, Carolina do Sul), tinha desmentido a hipótese de que a geada resulta da expansão do volume molar com congelamento da água já presente no solo antes do início das temperaturas subzero, ou seja, com pouca contribuição da migração da água dentro do solo.

Desde que o volume molar de água se expande cerca de 9% à medida que muda de fase de água para gelo no seu ponto de congelamento a granel, 9% seria a expansão máxima possível devido à expansão do volume molar, e mesmo assim só se o gelo fosse rigidamente limitado lateralmente no solo de modo que toda a expansão do volume tivesse que ocorrer verticalmente. O gelo é incomum entre os compostos porque aumenta em volume molar a partir do seu estado líquido, a água. A maioria dos compostos diminui em volume ao mudar de fase de líquido para sólido. Taber mostrou que o deslocamento vertical do solo na formação de gelo pode ser significativamente maior que o devido à expansão do volume molar.

Taber demonstrou que a água líquida migra para a linha de congelamento dentro do solo. Ele mostrou que outros líquidos, como o benzeno, que se contrai quando congela, também produzem a formação de gelo. Isto excluiu mudanças de volume molar como mecanismo dominante para o deslocamento vertical do solo gelado. Suas experiências demonstraram ainda o desenvolvimento de lentes de gelo no interior de colunas de solo que foram congeladas apenas pelo resfriamento da superfície superior, estabelecendo assim um gradiente de temperatura.

Desenvolvimento de lentes de geloEditar

As ondas de gelo em uma estrada rural de Vermont durante o degelo da primavera

A causa dominante do deslocamento do solo na formação de gelo é o desenvolvimento de lentes de gelo. Durante a geada, uma ou mais lentes de gelo sem solo crescem, e o seu crescimento desloca o solo acima delas. Estas lentes crescem pela adição contínua de água de uma fonte de água subterrânea que é mais baixa no solo e abaixo da linha de congelamento no solo. A presença de um solo com uma estrutura de poros que permite um fluxo capilar é essencial para fornecer água às lentes de gelo à medida que estas se formam.

Devido ao efeito Gibbs-Thomson do confinamento de líquidos nos poros, a água no solo pode permanecer líquida a uma temperatura inferior ao ponto de congelamento da água a granel. Poros muito finos têm uma curvatura muito alta, e isto resulta na fase líquida ser termodinamicamente estável em tais meios a temperaturas por vezes várias dezenas de graus abaixo do ponto de congelamento do líquido a granel. Este efeito permite a percolação da água através do solo em direção à lente de gelo, permitindo o crescimento da lente.

Outro efeito de transporte da água é a preservação de algumas camadas moleculares de água líquida na superfície da lente de gelo, e entre o gelo e as partículas do solo. Faraday relatado em 1860 sobre a camada não congelada de água pré-feltrada. Pré-melts de gelo contra seu próprio vapor, e em contato com sílica.

Processos em microescalaEditar

As mesmas forças intermoleculares que causam a pré-meltração em superfícies contribuem para a formação de geadas na escala de partículas no lado inferior da lente de gelo formadora. Quando o gelo rodeia uma partícula fina do solo à medida que pré-fusão, a partícula do solo será deslocada para baixo em direcção à direcção quente dentro do gradiente térmico, devido ao derretimento e recongelamento da fina película de água que envolve a partícula. A espessura dessa película depende da temperatura e é mais fina no lado mais frio da partícula.

A água tem uma energia livre de termodinâmica mais baixa quando está em gelo a granel do que quando está no estado líquido super-refrigerado. Portanto, há um reabastecimento contínuo de água fluindo do lado quente para o lado frio da partícula, e um derretimento contínuo para restabelecer a película mais grossa no lado quente. A partícula migra para baixo em direção ao solo mais quente, num processo que Faraday chamou de “regelação térmica”. Este efeito purifica as lentes de gelo à medida que elas se formam, repelindo as partículas finas do solo. Assim, uma película de 10 nanômetros de água não congelada ao redor de cada partícula de solo do tamanho de um micrômetro pode movê-la 10 micrômetros/dia em um gradiente térmico de até 1 °C m-1. À medida que as lentes de gelo crescem, elas levantam o solo acima, e segregam as partículas do solo abaixo, enquanto atraem a água para a face gelada da lente de gelo através da ação capilar.