Frost heben - Frost heaving
· Nadeleis , das von der Gefrierfront durch porösen Boden aus einem darunterliegenden Wasserspiegel extrudiert wurde
· Verklumptes Eis reich Boden, der Frost-Tauwetter
ausgesetzt war · Aufgetauter Boden obenauf.
Foto vom 21. März 2010 in Norwich, Vermont
Frosthebung (oder Frosthebung ) ist eine Aufwärtsschwellung des Bodens während Gefrierbedingungen, die durch eine zunehmende Anwesenheit von Eis verursacht wird, wenn es zur Oberfläche wächst, nach oben aus der Tiefe des Bodens, wo Gefriertemperaturen in den Boden eingedrungen sind (die Gefrierfront oder Gefriergrenze). Eiswachstum erfordert eine Wasserversorgung, die in bestimmten Böden durch Kapillarwirkung Wasser an die Gefrierfront liefert. Das Gewicht des darüber liegenden Bodens hemmt das vertikale Wachstum des Eises und kann die Bildung von linsenförmigen Eisflächen im Boden fördern. Die Kraft einer oder mehrerer wachsender Eislinsen reicht jedoch aus, um eine Bodenschicht von bis zu 0,30 Metern oder mehr anzuheben. Der Boden, durch den Wasser fließt, um die Bildung von Eislinsen zu fördern, muss ausreichend porös sein, um eine Kapillarwirkung zu ermöglichen , jedoch nicht so porös, dass die Kapillarkontinuität unterbrochen wird. Solche Böden werden als "frostempfindlich" bezeichnet. Das Wachstum von Eislinsen verbraucht ständig das aufsteigende Wasser an der Gefrierfront. Differential Frosthub kann Riss Fahrbahnen -contributing zu Frühling pothole formations und Bauschäden Fundamente . In maschinell gekühlten Kühlhäusern und Eishallen kann es zu Frostaufbrüchen kommen .
Kammeis ist im Wesentlichen Frosthub, die zu Beginn der Gefrierzeit auftritt, bevor die Gefrierfront sehr weit in den Boden eingedrungen ist und es gibt keinen Boden Abraum zu heben als Frosthebungen.
Mechanismen
Historisches Verständnis der Frosthebung
Laut Beskow beschrieb Urban Hjärne (1641–1724) 1694 Frosteffekte im Boden. 1930 hatte Stephen Taber (1882–1963), Leiter des Department of Geology an der University of South Carolina (Columbia, South Carolina), widerlegten die Hypothese, dass Frosthebungen durch molare Volumenexpansion mit Gefrieren des bereits im Boden vorhandenen Wassers vor dem Einsetzen von Minustemperaturen entstehen, dh mit geringem Beitrag der Wassermigration im Boden.
Da das Molvolumen von Wasser dehnt sich um etwa 9% , da es Phasenänderungen von Wasser zu Eis an seiner bulk Gefrierpunkt wäre 9% die maximale Ausdehnung möglich durch Molvolumen Expansion sein, und auch nur dann , wenn das Eis starr seitlich begrenzt wurden im Boden, so dass die gesamte Volumenausdehnung vertikal erfolgen musste. Eis ist unter den Verbindungen ungewöhnlich, weil sein molares Volumen aus seinem flüssigen Zustand, Wasser, zunimmt . Die meisten Verbindungen nehmen beim Phasenwechsel von flüssig zu fest an Volumen ab. Taber zeigte, dass die vertikale Verschiebung des Bodens bei Frosthebungen deutlich größer sein kann als die aufgrund der molaren Volumenausdehnung.
Taber zeigte, dass flüssiges Wasser im Boden zur Gefrierlinie wandert. Er zeigte, dass auch andere Flüssigkeiten wie Benzol , das sich beim Gefrieren zusammenzieht, Frostauftrieb erzeugen. Dadurch wurden molare Volumenänderungen als dominanter Mechanismus für die vertikale Verschiebung von gefrierendem Boden ausgeschlossen. Seine Experimente zeigten ferner die Entwicklung von Eislinsen in Bodensäulen, die nur durch Abkühlen der oberen Oberfläche gefroren wurden, wodurch ein Temperaturgradient entstand .
Entwicklung von Eislinsen
Die vorherrschende Ursache der Bodenverdrängung bei Frosthebungen ist die Entwicklung von Eislinsen . Bei Frosthieben wachsen eine oder mehrere erdfreie Eislinsen, deren Wachstum den darüber liegenden Boden verdrängt. Diese Linsen wachsen durch die kontinuierliche Zugabe von Wasser aus einer Grundwasserquelle, die tiefer im Boden und unterhalb der Gefriergrenze im Boden liegt. Das Vorhandensein von frostempfindlichen Böden mit einer Porenstruktur, die einen Kapillarfluss ermöglicht , ist für die Wasserversorgung der Eislinsen während ihrer Bildung unerlässlich.
Aufgrund des Gibbs-Thomson-Effekts des Einschlusses von Flüssigkeiten in Poren kann Wasser im Boden bei einer Temperatur flüssig bleiben, die unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Sehr feine Poren haben eine sehr starke Krümmung , und dies führt dazu, dass die flüssige Phase in solchen Medien bei Temperaturen, die manchmal einige zehn Grad unter dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit liegen , thermodynamisch stabil ist . Dieser Effekt lässt Wasser durch den Boden in Richtung der Eislinse sickern, wodurch die Linse wachsen kann.
Ein weiterer Wassertransporteffekt ist der Erhalt einiger molekularer Schichten flüssigen Wassers auf der Oberfläche der Eislinse und zwischen Eis- und Bodenpartikeln. Faraday berichtete 1860 über die ungefrorene Schicht aus vorgeschmolzenem Wasser. Eis schmilzt gegen seinen eigenen Dampf und in Kontakt mit Kieselsäure .
Prozesse im Mikromaßstab
Dieselben intermolekularen Kräfte, die ein Vorschmelzen an Oberflächen bewirken, tragen zur Frostaufhebung an der Partikelskala auf der Unterseite der sich bildenden Eislinse bei. Wenn Eis ein feines Bodenteilchen beim Vorschmelzen umgibt, wird das Bodenteilchen aufgrund des Schmelzens und Wiedereinfrierens des dünnen Wasserfilms, der das Teilchen umgibt, innerhalb des thermischen Gradienten nach unten in die warme Richtung verdrängt. Die Dicke eines solchen Films ist temperaturabhängig und auf der kälteren Seite des Partikels dünner.
Wasser hat eine geringere thermodynamische freie Energie, wenn es sich in Eismassen befindet, als wenn es sich im unterkühlten flüssigen Zustand befindet. Daher gibt es ein kontinuierliches Nachfüllen von Wasser, das von der warmen Seite zur kalten Seite des Partikels fließt, und ein kontinuierliches Schmelzen, um den dickeren Film auf der warmen Seite wiederherzustellen. Das Partikel wandert nach unten in Richtung des wärmeren Bodens in einem Prozess, den Faraday "thermische Regelation" nannte. Dieser Effekt reinigt die sich bildenden Eislinsen, indem er feine Schmutzpartikel abweist. So kann ein 10- Nanometer- Film aus ungefrorenem Wasser um jedes mikrometergroße Bodenpartikel es 10 Mikrometer/Tag in einem Temperaturgradienten von nur 1 °C m −1 bewegen . Wenn Eislinsen wachsen, heben sie den Boden nach oben und separieren Bodenpartikel unten, während sie durch Kapillarwirkung Wasser zur Gefrierfläche der Eislinse ziehen.
Frostempfindliche Böden
Frostauftrieb erfordert einen frostempfindlichen Boden, eine kontinuierliche Zufuhr von Wasser unten (ein Grundwasserspiegel ) und Gefriertemperaturen, die in den Boden eindringen. Frostanfällige Böden sind solche mit Porengrößen zwischen Partikeln und Partikeloberfläche, die den Kapillarfluss fördern . Schluffige und lehmige Bodentypen , die feine Partikel enthalten, sind Beispiele für frostempfindliche Böden. Viele Behörden klassifizieren Materialien als frostempfindlich, wenn 10 Prozent oder mehr Bestandteilspartikel durch ein 0,075 mm (Nr. 200) Sieb oder 3 Prozent oder mehr oder mehr durch ein 0,02 mm (Nr. 635) Sieb passieren. Chamberlain berichtete über andere, direktere Methoden zur Messung der Frostanfälligkeit. Auf der Grundlage dieser Forschungen existieren Standardtests zur Bestimmung der relativen Frost- und Tauschwächeempfindlichkeit von Böden, die in Fahrbahnsystemen verwendet werden, indem die Hebungsrate und das Auftauverhältnis mit Werten in einem etablierten Klassifizierungssystem für Böden mit unsicherer Frostempfindlichkeit verglichen werden.
Nicht frostempfindliche Böden können zu dicht sein, um den Wasserfluss zu fördern (geringe hydraulische Leitfähigkeit) oder zu offen in der Porosität sein, um den Kapillarfluss zu fördern. Beispiele sind dichte Tone mit kleiner Porengröße und daher geringer hydraulischer Leitfähigkeit sowie saubere Sande und Kiese , die geringe Mengen an feinen Partikeln enthalten und deren Porengrößen zu offen sind, um die Kapillarströmung zu fördern.
Landschaftsformen, die durch Frosthebung entstanden sind
Durch Frosthebungen entstehen Landformen mit erhöhtem Boden in verschiedenen Geometrien, einschließlich Kreisen, Polygonen und Streifen, die in Böden, die reich an organischer Substanz wie Torf sind, als Palsas oder in mineralreicheren Böden als Lithalsa beschrieben werden können . Ein Beispiel dafür sind die steinigen Lithalsen (aufgehobene Hügel), die auf dem Archipel von Spitzbergen gefunden wurden . Frostaufbrüche treten in alpinen Regionen sogar in Äquatornähe auf , wie die Palsas auf dem Mount Kenia zeigen .
In arktischen Permafrostgebieten kann eine verwandte Art der Bodenaufwölbung über Hunderte von Jahren Strukturen von bis zu 60 Metern Höhe schaffen, die als Pingos bekannt sind und von einem Auftrieb von Grundwasser gespeist werden, anstelle der Kapillarwirkung, die das Wachstum von Frost nährt hebt. Cryogenic Erde hummocks sind eine kleine Formation aus resultierende granulare Konvektion , die in saisonal gefrorenen Boden erscheinen und haben viele verschiedene Namen; in Nordamerika sind sie Erdhügel; Thufur in Grönland und Island ; und Pounus in Fennoskandien .
Polygonale Formen, die anscheinend durch Frosthebungen verursacht wurden, wurden in nahen polaren Regionen des Mars von der Mars Orbiter Camera (MOC) an Bord des Mars Global Surveyor und der HiRISE- Kamera auf dem Mars Reconnaissance Orbiter beobachtet . Im Mai 2008 landete der Mars-Phoenix- Lander auf einer solchen polygonalen Frost-Hauben-Landschaft und entdeckte schnell Eis wenige Zentimeter unter der Oberfläche.
In Kühlhäusern
Kühlhäuser und Eisbahnen, die bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gehalten werden, können den Boden unter ihren Fundamenten bis zu einer Tiefe von mehreren zehn Metern einfrieren. Saisonal gefrorene Gebäude, z. B. einige Eisbahnen, können dazu führen, dass der Boden auftaut und sich erholt, wenn das Gebäudeinnere erwärmt wird. Wenn das Fundament eines Kühlhauses auf frostempfindlichen Böden mit einem Wasserspiegel in Reichweite der Gefrierfront platziert wird, können die Böden solcher Gebäude aufgrund der gleichen Mechanismen wie in der Natur heben. Solche Strukturen können entworfen werden, um solche Probleme zu vermeiden, indem mehrere Strategien einzeln oder zusammen verwendet werden. Die Strategien umfassen die Platzierung von nicht frostempfindlichen Böden unter dem Fundament, das Hinzufügen von Isolierungen, um das Eindringen der Gefrierfront zu verringern, und die ausreichende Erwärmung des Bodens unter dem Gebäude, um ihn vor dem Einfrieren zu bewahren. Saisonal betriebene Eisbahnen können die Geschwindigkeit des Gefrierens unter der Oberfläche verringern, indem die Temperatur des Eises erhöht wird.
Siehe auch
Fußnoten
Verweise
Weiterlesen
- Manz, Lothringen (Juli 2011), "Frosthieb" (PDF) , Geo News , 32 (2): 18–24