Las lentes de hielo son cuerpos de hielo que se forman cuando la humedad , difundida dentro del suelo o la roca , se acumula en una zona localizada. Inicialmente, el hielo se acumula dentro de pequeños poros colocados o en grietas preexistentes y, mientras las condiciones sigan siendo favorables, continúa acumulándose en la capa de hielo o lente de hielo , separando el suelo o la roca. Las lentes de hielo crecen paralelas a la superficie y de varios centímetros a varios decímetros (de pulgadas a pies) de profundidad en el suelo o la roca. Estudios de 1990 han demostrado que la fractura de roca por segregación de hielo (es decir, la fractura de roca intacta por lentes de hielo que crecen extrayendo agua de su entorno durante períodos de temperaturas bajo cero sostenidas) es un proceso de meteorización más eficaz que el proceso de congelación y descongelación que textos más antiguos propuestos. [1]
Las lentes de hielo desempeñan un papel clave en el levantamiento de suelos inducido por las heladas y la fractura del lecho rocoso, que son fundamentales para la erosión en regiones frías. Las heladas crean escombros y moldean dramáticamente los paisajes en patrones complejos . Aunque la fractura de rocas en las regiones periglaciales (alpinas, subpolares y polares) a menudo se ha atribuido a la congelación y expansión volumétrica del agua atrapada dentro de los poros y grietas, la mayor parte de las heladas y las fracturas del lecho rocoso son el resultado de la segregación del hielo y el crecimiento de lentes en las regiones periglaciares (alpinas, subpolares y polares). Regiones congeladas cercanas a la superficie. La segregación del hielo produce fracturas de rocas y levantamiento de heladas. [2]
El levantamiento por heladas es el proceso por el cual la congelación del suelo saturado de agua provoca la deformación y el empuje hacia arriba de la superficie del suelo. [3] Este proceso puede distorsionar y agrietar el pavimento , dañar los cimientos de los edificios y desplazar el suelo en patrones regulares. El suelo húmedo y de grano fino a ciertas temperaturas es más susceptible a las heladas.
Las heladas son comunes en la tundra ártica porque el permafrost mantiene el suelo congelado en profundidad e impide que la nieve se derrita y la lluvia se escurra. Como resultado, las condiciones son óptimas para la formación de lentes de hielo profundos con grandes acumulaciones de hielo y desplazamientos significativos del suelo. [4]
Si se dan las condiciones correctas, se producirán heladas diferenciales que producirán patrones complejos. La retroalimentación de las heladas de un año influye en los efectos de los años siguientes. Por ejemplo, un pequeño aumento en la sobrecarga afectará la profundidad de la formación de hielo y el levantamiento en los años siguientes. Los modelos de heladas dependientes del tiempo indican que durante un período suficientemente largo las perturbaciones de separación corta se amortiguan, mientras que las perturbaciones de rango medio crecen y llegan a dominar el paisaje. [4]
Se han observado bandas de sedimentos o depósitos glaciales debajo de las capas de hielo de la Antártida; Se cree que estos son el resultado de la formación de lentes de hielo en los escombros. En las regiones glaciares de flujo más rápido, la capa de hielo se desliza sobre sedimentos saturados de agua (tilo glacial) o, de hecho, flota sobre una capa de agua. El labranza y el agua sirvieron para reducir la fricción entre la base de la capa de hielo y el lecho de roca. Estas aguas subglaciales provienen del agua superficial que drena estacionalmente debido al derretimiento en la superficie, así como al derretimiento de la base de la capa de hielo. [5]
El crecimiento de lentes de hielo dentro del lecho de roca debajo del glaciar se proyecta durante los meses de verano, cuando hay abundante agua en la base del glaciar. Se formarán lentes de hielo dentro del lecho de roca, que se acumularán hasta que la roca esté lo suficientemente debilitada como para romperse o desprenderse. Se liberan capas de roca a lo largo de la interfaz entre los glaciares y el lecho de roca, lo que produce gran parte de los sedimentos en estas regiones basales de los glaciares. Dado que la velocidad del movimiento de los glaciares depende de las características de este hielo basal, se están realizando investigaciones para cuantificar mejor el fenómeno. [6]
La condición básica para la segregación del hielo y el levantamiento de las heladas es la existencia de una región en el suelo o roca porosa que sea relativamente permeable, que se encuentre en un rango de temperatura que permita la coexistencia del hielo y el agua (en un estado prefundido) y que tenga un gradiente de temperatura a lo largo de toda la superficie. la región. [7]
Un fenómeno clave para comprender la segregación del hielo en el suelo o en rocas porosas (también conocida como lente de hielo debido a su forma) es la prefusión, que es el desarrollo de una película líquida en superficies e interfaces a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura de fusión global. El término prefusión se utiliza para describir la reducción de la temperatura de fusión (por debajo de 0 °C) que resulta de la curvatura de la superficie del agua confinada en un medio poroso (el efecto Gibbs-Thomson ). El agua prefundida existe como una fina capa sobre la superficie del hielo. En condiciones previas a la fusión, el hielo y el agua pueden coexistir a temperaturas inferiores a -10 °C en un medio poroso. El efecto Gibbs-Thomson hace que el agua migre a favor de un gradiente térmico (de temperaturas más altas a temperaturas más bajas); Dash afirma: "...el material se transporta a regiones más frías..." Esto también puede considerarse energéticamente como un favorecimiento de las partículas de hielo más grandes sobre las más pequeñas ( maduración de Ostwald ). Como resultado, cuando existen condiciones para la segregación del hielo (formación de lentes de hielo), el agua fluye hacia el hielo segregado y se congela en la superficie, espesando la capa de hielo segregado. [7]
Es posible desarrollar modelos analíticos utilizando estos principios; predicen las siguientes características, que son consistentes con las observaciones de campo:
Las rocas habitualmente contienen poros de diferentes tamaños y formas, independientemente de su origen o ubicación. Los huecos de la roca son esencialmente grietas pequeñas y sirven como lugar desde donde se puede propagar una grieta si la roca se pone en tensión. Si el hielo se acumula en un poro de forma asimétrica, el hielo pondrá la roca en tensión en un plano perpendicular a la dirección de acumulación del hielo. Por lo tanto, la roca se agrietará a lo largo de un plano perpendicular a la dirección de acumulación de hielo, que es efectivamente paralelo a la superficie. [9]
Walder y Hallet desarrollaron modelos que predicen las ubicaciones y tasas de crecimiento de grietas en las rocas consistentes con las fracturas realmente observadas en el campo. Su modelo predijo que el mármol y el granito desarrollan grietas con mayor eficacia cuando las temperaturas oscilan entre -4 °C y -15 °C; en esta zona el granito puede desarrollar fracturas que encierran hielo de 3 metros de longitud en un año. Cuando la temperatura es más alta, el hielo que se forma no aplica suficiente presión para provocar que la grieta se propague. Cuando la temperatura está por debajo de este rango, el agua es menos móvil y las grietas crecen más lentamente. [9]
Mutron confirmó que el hielo se forma inicialmente en los poros y crea pequeñas microfracturas paralelas a la superficie. A medida que el hielo se acumula, la capa de hielo crece hacia afuera en lo que frecuentemente se caracteriza como una lente de hielo paralela a la superficie. El hielo se formará en rocas permeables al agua de la misma manera que se forma en el suelo. Si la capa de hielo resultó del enfriamiento desde una sola dirección (p. ej., la parte superior), la fractura de la roca tiende a ubicarse cerca de la superficie (p. ej., 1 a 2 cm en la tiza). Si la capa de hielo resulta de la congelación por ambos lados (p. ej., arriba y abajo), la fractura de la roca tiende a ser más profunda (p. ej., 2 a 3,5 cm en la tiza). [2]
La formación de una esfera de hielo puede ocurrir cuando un objeto se encuentra entre 0,5 y 1,0 pies por encima del lugar donde el agua llega repetidamente. El agua formará una fina capa de hielo en cualquier superficie que alcance. Cada ola es un avance y retroceso del agua. El avance empapa todo lo que hay en la orilla. Cuando la ola retrocede, queda expuesta a temperaturas bajo cero. Este breve momento de exposición provoca que se forme una fina capa de hielo. Cuando esa formación queda suspendida en el aire por vegetación muerta u objetos erectos, el hielo comenzará a formar una esfera o forma de lágrima. De manera similar a como se forma un núcleo de condensación , la esfera necesita una base que no sea agua. Más comúnmente en la vegetación, la esfera comienza como un punto de hielo en una rama o tallo. A medida que las olas empapan la orilla en agua y exponen brevemente los objetos empapados a temperaturas bajo cero, el punto comienza a crecer a medida que cada capa delgada se envuelve alrededor de la capa anterior. Con el tiempo, forman esferas o formaciones en forma de lágrimas.