Подземный лед разрушает дороги
 Замерзание грунтовой воды вызывает разрушение почвы, влияющее не только на индустриальную инфраструктуру, но и на пейзажи планеты. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Принято считать, что замерзание грунтовых вод вызывает возникновение горбов (и впоследствии ям) на дороге с асфальтовым покрытием. Аналогичный эффект вода оказывает на все объекты, так или иначе контактирующие с замерзающей почвой: от деревьев в лесу (которые в результате наклоняются в случайном направлении), до фундаментов зданий. Кажется естественным винить в этом процессе свойство воды расширяться при замерзании. Однако эксперименты доказали существование аналогичного влияния жидкостей, сжимающихся при кристаллизации. На самом деле разрушение происходит от того, что горизонтальные пластины подземного льда, известные как «ледяные линзы», растут за счет привлечения дополнительной более теплой воды из слоев почвы, расположенных ниже.
Физические свойства воды в почве во многом зависят от взаимодействия с частицами земли и ее удержания за счет мелких пор. Поэтому они несколько отличаются от физических свойств обычной воды. В частности, она замерзает при другой температуре. Современные теории замерзания включают в себя эти эффекты, но порой они требуют условий, не всегда существующих в реальном мире. Т.е. с объяснением некоторых наблюдений возникают сложности. В поисках ответа на вопросы, рождаемые этим противоречием, группа ученых из Oxford University (Англия) предложила свою модель развития событий. Вместо того, чтобы рассматривать «идеально-пористый» грунт, они предположили, что «ледяная линза» растет из одной поры, заполненной водой, размеры которой в десятки раз больше частиц в почве. Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review E.
Новая модель предполагает, что температура поверхности почвы ниже нуля, но растет с продвижением вглубь земли. Целью исследований была разработка методики предсказания, на какой глубине начнется активный рост льда.
Связь между частицами льда в почве и окружающей влагой ученые проиллюстрировали с помощью более привычной ситуации – капли воды, окруженной водяным паром. Когда температура окружающей среды понижается, идет процесс конденсации, вызывающий рост капли. Известно, что конденсация начинается после снижения температуры ниже так называемой точки росы. Поэтому исследователи вывели аналогичную по смыслу величину для кристаллизации льда, которая оказалась всегда ниже точки замерзания.
Горизонтальные слои льда не могут расти, не оказывая давления на окружающую почву и не разрушая ее. Давление необходимо для разрушения, но оно же обеспечивает снижение «пороговой» температуры. Таким образом, возникает «геометрически-переохлажденная» пластина льда, которая не может увеличиваться, т.к. температура не достаточно низкая. Но если этот порог будет преодолен, почве не избежать разрушения. «Линза» увеличивается за счет привлечения новой воды из окружающей почвы, при этом «оптимальная точка роста» перемещается на чуть большую глубину, что приводит на практике к возникновению ступенчатых конструкций из параллельных слоев льда.
Команда ученых утверждает, что выдвинутые ими предположения хорошо согласуются с экспериментом.
Также по теме:
Источники: