Degajarea prin îngheț

Înțelegerea istorică a degajării prin înghețEdit

Formarea de lentile de gheață care rezultă în degajarea prin îngheț în climatele reci.

Potrivit lui Beskow, Urban Hjärne (1641-1724) a descris efectele înghețului în sol în 1694. Până în 1930, Stephen Taber (1882-1963), șef al Departamentului de Geologie de la Universitatea din Carolina de Sud (Columbia, Carolina de Sud), a infirmat ipoteza conform căreia „frost heaving” rezultă din expansiunea volumului molar cu înghețarea apei deja prezente în sol înainte de apariția temperaturilor sub zero grade, adică cu o contribuție redusă a migrației apei în interiorul solului.

Din moment ce volumul molar al apei se dilată cu aproximativ 9% pe măsură ce își schimbă faza din apă în gheață la punctul său de îngheț masiv, 9% ar fi expansiunea maximă posibilă datorită expansiunii volumului molar, și chiar și atunci numai dacă gheața ar fi constrânsă lateral în mod rigid în sol, astfel încât întreaga expansiune a volumului ar trebui să aibă loc pe verticală. Gheața este neobișnuită în rândul compușilor, deoarece crește în volum molar față de starea sa lichidă, apa. Majoritatea compușilor scad în volum atunci când își schimbă faza de la lichid la solid. Taber a arătat că deplasarea pe verticală a solului în cazul fenomenului de îngheț poate fi semnificativ mai mare decât cea datorată expansiunii volumului molar.

Taber a demonstrat că apa lichidă migrează spre linia de îngheț în interiorul solului. El a arătat că și alte lichide, cum ar fi benzenul, care se contractă atunci când îngheață, produc, de asemenea, fenomenul freeze heave. Acest lucru a exclus schimbările de volum molar ca fiind mecanismul dominant pentru deplasarea verticală a solului înghețat. Experimentele sale au demonstrat, de asemenea, dezvoltarea lentilelor de gheață în interiorul coloanelor de sol care au fost înghețate prin răcirea doar a suprafeței superioare, stabilind astfel un gradient de temperatură.

Dezvoltarea lentilelor de gheațăEdit

Heleșteie de îngheț pe un drum rural din Vermont în timpul dezghețului de primăvară

Cauza dominantă a deplasării solului în cazul heleșteiei de îngheț este dezvoltarea lentilelor de gheață. În timpul heleșteului de îngheț, una sau mai multe lentile de gheață fără sol cresc, iar creșterea lor deplasează solul de deasupra lor. Aceste lentile cresc prin adăugarea continuă de apă de la o sursă de apă subterană care se află mai jos în sol și sub linia de îngheț a solului. Prezența unui sol sensibil la îngheț, cu o structură a porilor care permite curgerea capilară, este esențială pentru alimentarea cu apă a lentilelor de gheață pe măsură ce acestea se formează.

Potrivit efectului Gibbs-Thomson de confinare a lichidelor în pori, apa din sol poate rămâne lichidă la o temperatură care este sub punctul de îngheț masiv al apei. Porii foarte fini au o curbură foarte mare, iar acest lucru face ca faza lichidă să fie stabilă din punct de vedere termodinamic în astfel de medii la temperaturi uneori cu câteva zeci de grade sub punctul de îngheț masiv al lichidului. Acest efect permite apei să se infiltreze prin sol spre lentila de gheață, permițând lentilei să crească.

Un alt efect de transport al apei este conservarea câtorva straturi moleculare de apă lichidă pe suprafața lentilei de gheață și între particulele de gheață și cele de sol. Faraday a relatat în 1860 despre stratul necongelat de apă pretopită. Gheața se topește premergător împotriva propriilor vapori și în contact cu siliciul.

Procese la scară microscopicăEdit

Aceleași forțe intermoleculare care provoacă topirea premergătoare la suprafață contribuie la ridicarea înghețului la scara particulelor de pe partea inferioară a lentilei de gheață în formare. Atunci când gheața înconjoară o particulă fină de sol pe măsură ce se topește premergător, particula de sol va fi deplasată în jos, spre direcția caldă, în cadrul gradientului termic, din cauza topirii și reînghețării peliculei subțiri de apă care înconjoară particula. Grosimea unei astfel de pelicule este dependentă de temperatură și este mai subțire pe partea mai rece a particulei.

Apa are o energie liberă termodinamică mai mică atunci când se află în stare de gheață în vrac decât atunci când se află în stare lichidă supraînghețată. Prin urmare, există o reaprovizionare continuă a apei care curge dinspre partea caldă spre partea rece a particulei și o topire continuă pentru a restabili pelicula mai groasă pe partea caldă. Particula migrează în jos, spre solul mai cald, într-un proces pe care Faraday l-a numit „regelare termică”. Acest efect purifică lentilele de gheață pe măsură ce se formează prin respingerea particulelor fine de sol. Astfel, o peliculă de 10 nanometri de apă necongelată în jurul fiecărei particule de sol de mărimea unui micrometru o poate deplasa cu 10 micrometri/zi într-un gradient termic de doar 1 °C m-1. Pe măsură ce lentilele de gheață cresc, ele ridică solul de deasupra și segregă particulele de sol de dedesubt, atrăgând în același timp apa spre fața înghețată a lentilei de gheață prin acțiune capilară.

.