Frosthöjning

Historisk förståelse av frosthöjningRedigera

Bildning av islinser som resulterar i frosthöjning i kallt klimat.

Enligt Beskow beskrev Urban Hjärne (1641-1724) frostpåverkan på jord år 1694. År 1930 hade Stephen Taber (1882-1963), chef för geologiavdelningen vid University of South Carolina (Columbia, South Carolina), motbevisat hypotesen att frosthöjning beror på en molär volymexpansion med frysning av vatten som redan fanns i jorden innan minusgrader inträffade, dvs. med ett litet bidrag från migration av vatten inom jorden.

Då vattnets molära volym expanderar med cirka 9 % när det byter fas från vatten till is vid sin bulkfryspunkt, skulle 9 % vara den maximala expansion som är möjlig på grund av molärvolymutvidgning, och även då bara om isen var hårt begränsad i sidled i marken så att hela volymutvidgningen måste ske vertikalt. Is är ovanlig bland föreningar eftersom den ökar i molärvolym från sitt flytande tillstånd, vatten. De flesta föreningar minskar i volym när de byter fas från flytande till fast form. Taber visade att den vertikala förskjutningen av jorden vid frosthöjning kan vara betydligt större än den som beror på den molära volymexpansionen.

Taber visade att flytande vatten vandrar mot fryslinjen i jorden. Han visade att andra vätskor, t.ex. bensen, som drar ihop sig när det fryser, också ger upphov till frosthöjning. Detta uteslöt molära volymförändringar som den dominerande mekanismen för vertikal förskjutning av frusen jord. Hans experiment visade vidare på utvecklingen av islinser inuti kolumner av jord som frystes genom att endast den övre ytan kyldes ned, vilket skapade en temperaturgradient.

Utveckling av islinserRedigera

Frosthöjningar på en lantlig väg i Vermont under vårens upptining

Den dominerande orsaken till förskjutning av jord vid frosthöjningar är utvecklingen av islinser. Under frosthöjning växer en eller flera jordfria islinser, och deras tillväxt förskjuter jorden ovanför dem. Dessa linser växer genom kontinuerlig tillförsel av vatten från en grundvattenkälla som ligger lägre i marken och under fryspunkten i marken. Närvaron av frostkänslig jord med en porstruktur som tillåter kapillärflöde är avgörande för att vatten ska kunna tillföras islinserna när de bildas.

Enligt Gibbs-Thomson-effekten av vätskors inneslutning i porer kan vatten i jorden förbli flytande vid en temperatur som ligger under vattnets bulkfryspunkt. Mycket fina porer har en mycket hög krökning, och detta resulterar i att den flytande fasen är termodynamiskt stabil i sådana medier vid temperaturer som ibland ligger flera tiotals grader under vätskans bulkfryspunkt. Denna effekt gör det möjligt för vatten att perkolera genom jorden mot islinsen, vilket gör det möjligt för linsen att växa.

En annan vattentransporteffekt är bevarandet av några molekylära lager av flytande vatten på islinsens yta och mellan is- och jordpartiklar. Faraday rapporterade 1860 om det ofrusna lagret av försmält vatten. Isen försmälter mot sin egen ånga och i kontakt med kiseldioxid.

Processer i mikroskalaRedigera

Samma intermolekylära krafter som orsakar försmältning på ytor bidrar till frosthöjning i partikelskala på undersidan av den bildande islinsen. När is omger en fin jordpartikel när den försmälter kommer jordpartikeln att förskjutas nedåt mot den varma riktningen inom den termiska gradienten på grund av smältning och återfrysning av den tunna vattenfilmen som omger partikeln. Tjockleken på en sådan film är temperaturberoende och är tunnare på den kallare sidan av partikeln.

Vatten har en lägre termodynamisk fri energi när det är is i bulk än när det är i underkylt flytande tillstånd. Därför sker en kontinuerlig påfyllning av vatten som strömmar från den varma sidan till den kalla sidan av partikeln och en kontinuerlig smältning för att återupprätta den tjockare filmen på den varma sidan. Partikeln vandrar nedåt mot den varmare jorden i en process som Faraday kallade ”termisk reglering”. Denna effekt renar islinserna när de bildas genom att stöta bort fina jordpartiklar. En 10 nanometer lång film av ofruset vatten runt varje mikrometerstor jordpartikel kan således förflytta den 10 mikrometer per dag i en termisk gradient på så lite som 1 °C m-1. När islinserna växer lyfter de jorden ovanför och avskiljer jordpartiklar nedanför, samtidigt som de drar vatten till islinsens frusna yta via kapillärverkan.