El hielo de Frazil es una colección de cristales de hielo sueltos, orientados aleatoriamente , de tamaño milimétrico y submilimétrico, con diversas formas, por ejemplo, discos elípticos, dendritas, agujas y de naturaleza irregular. [1] [2] [3] [4] [5] El hielo de Frazil se forma durante el invierno en los tramos de aguas abiertas de los ríos, así como en lagos y embalses, donde y cuando el agua está en un estado turbulento , que a su vez es inducido por la acción de las olas y las corrientes. La turbulencia hace que la columna de agua se sobreenfríe , ya que el intercambio de calor entre el aire y el agua es tal que la temperatura del agua cae por debajo de su punto de congelación (en el orden de unas pocas décimas de °C o menos). [3] [5] [6] La mezcla vertical asociada con esa turbulencia proporciona suficiente energía para superar la flotabilidad de los cristales, evitando así que floten en la superficie. El hielo de Frazil también se forma en los océanos, donde las condiciones de viento, los regímenes de olas y el aire frío también favorecen el establecimiento de una capa superenfriada. [7] [8] El hielo de Frazil se puede encontrar en el lado de sotavento de los canales y en las polinias . En estos entornos, ese hielo puede eventualmente acumularse en la superficie del agua en lo que se conoce como hielo graso .
El hielo de Frazil es conocido por bloquear las tomas de agua [6] [9] [10] a medida que los cristales se acumulan y se acumulan en la rejilla de basura de la entrada . Estos bloqueos afectan negativamente a las instalaciones de suministro de agua, las plantas hidroeléctricas, las instalaciones de energía nuclear y los buques que navegan en aguas frías, y pueden provocar cierres inesperados de la instalación o incluso el colapso de la rejilla de basura.
Cuando la superficie del agua comienza a perder calor rápidamente, el agua se sobreenfría. La turbulencia , causada por fuertes vientos o corrientes de un río, mezclará el agua sobreenfriada en toda su profundidad. El agua sobreenfriada ya estará fomentando la formación de pequeños cristales de hielo (hielo de Frasil) y los cristales serán llevados al fondo de la masa de agua. El hielo generalmente flota, pero debido al pequeño tamaño del hielo de Frasil en relación con las velocidades de la corriente, tiene una flotabilidad ineficaz y puede ser arrastrado al fondo muy fácilmente.
A través de un proceso llamado nucleación secundaria , los cristales aumentan rápidamente en número y, debido a su entorno superenfriado, seguirán creciendo. A veces, se estima que la concentración alcanza un millón de cristales de hielo por metro cúbico.
A medida que los cristales aumentan en número y tamaño, el hielo frágil comenzará a adherirse a los objetos en el agua, especialmente si los objetos mismos están a una temperatura inferior al punto de congelación del agua. La acumulación de hielo frágil a menudo causa inundaciones o daños a objetos como los basureros . Dado que el hielo frágil se encuentra debajo de la superficie del agua, es difícil detectar su formación.
Por lo general, el hielo de río se acumula en el lado de aguas arriba de los objetos y se adhiere a ellos. A medida que se deposita más hielo de río, el crecimiento se extenderá río arriba y aumentará en anchura hasta el punto en que las acumulaciones de hielo de río se unen y bloquean el agua. A medida que fluye más agua contra este bloque, la presión en el lado de aguas arriba aumenta y provoca una presión diferencial (diferencia de presión entre el lado de aguas arriba y el lado de aguas abajo). Esto hará que el crecimiento del puente se extienda río abajo. Una vez que esto sucede, es probable que se produzcan inundaciones y daños a menos que se eviten de otra manera.
También se ha demostrado que el hielo de Frazil se forma debajo de los glaciares templados (o "de base cálida") a medida que el agua fluye rápidamente cuesta abajo y se sobreenfría debido a una rápida pérdida de presión. Este proceso de "sobreenfriamiento glaciohidráulico" forma una red abierta de cristales de hielo laminares que pueden atrapar eficazmente el limo del agua cargada de sedimentos que fluye debajo de los glaciares y las capas de hielo. La congelación y recristalización posteriores pueden dar lugar a una capa de hielo rica en sedimentos en la base del glaciar que, al derretirse en el extremo, puede provocar una acumulación significativa de sedimentos en las morrenas . Este fenómeno se ha verificado por las elevadas concentraciones de tritio (producido por pruebas de armas nucleares y, por lo tanto, casi totalmente ausente en el hielo congelado antes de 1945) en el hielo basal de varios glaciares (lo que significa hielo joven) y la observación del rápido crecimiento de los cristales de hielo alrededor de los respiraderos de descarga de agua en los extremos de los glaciares.
Existen varias formas de controlar la acumulación de hielo en el hielo, entre ellas, la supresión, el control mecánico, el control térmico, la vibración, la selección de materiales y la mitigación de daños.
El hielo frasil se forma en agua superenfriada, lo que ocurre porque el agua superficial pierde calor ante el aire más frío que se encuentra por encima. La supresión es la idea de aislar el agua superficial con una capa de hielo intacta y estable. La capa de hielo evitará la pérdida de calor y calentará el agua superenfriada que ya se haya formado. [11] Se necesita cubrir una superficie suficiente para que este método funcione, pero aún se desconoce qué se entiende por "suficiente". El río San Lorenzo se gestiona explícitamente para crear "condiciones de flujo que ayuden a formar una capa de hielo estable" para evitar el hielo frasil y los posteriores atascos de hielo . [12]
Estos métodos incluyen la estabilización de la congelación sin restringir el flujo de agua, como la implementación de diques y barreras de hielo, la instalación de chorros de agua para romper cualquier acumulación que pueda ocurrir y el uso de mano de obra para rastrillar la acumulación. Este último método a menudo no es el preferido debido a los altos costos de mano de obra, el frío, la humedad y las condiciones de trabajo nocturnas. El retrolavado es otra tecnología que utiliza la idea de cancelar la presión diferencial causada por la acumulación de hielo frágil. Esta tecnología crea una alta presión en el lado aguas abajo de los objetos para revertir la presión diferencial. [ cita requerida ]
Estos métodos calientan las estructuras en el agua para evitar la adhesión de hielo frágil o calientan el agua para evitar que se forme hielo frágil en primer lugar. Al calentar la estructura, debe calentarse a una temperatura por encima del punto de congelación. Se ha comprobado que los calentadores de resistencia eléctrica funcionan bien, pero tienen posibles problemas de seguridad. La instalación de tubos huecos en las estructuras a través de las cuales se bombea vapor o agua caliente también funciona, pero se ha juzgado que este método no es económico de operar. [13] También existen otros métodos activos. Ciertos procesos industriales, por ejemplo la producción de energía, extraen suministros de agua para fines de enfriamiento de plantas. Los subproductos de agua calentada así producidos, que de otro modo se descargarían como desechos, pueden liberarse en lugares de posible acumulación de hielo frágil, lo que aumenta la temperatura del agua entre 0,1 y 0,2 °C (0,18 y 0,36 °F), a menudo lo suficiente para evitar que se desarrolle agua superenfriada. Alternativamente, el agua residual puede recircularse para calentar directamente las superficies propensas a la acumulación de hielo frágil. Ambos métodos de reutilización de agua caliente requieren un cálculo preciso de volúmenes, flujo y ubicación, y temperaturas relativas del agua, para ser confiables. [13]
Aunque todavía se encuentra en fase experimental, la voladura con dinamita es una forma de control vibratorio que romperá cualquier acumulación de hielo frágil. La carga debe ser precisa para que el hielo se rompa, pero las estructuras y el medio ambiente circundantes no resulten dañados. La seguridad de la voladura también es importante y los residentes de los alrededores pueden quejarse de la contaminación acústica. Por todas estas razones, este método no se utiliza a menudo, excepto como último recurso de emergencia. [ cita requerida ]
Las estructuras artificiales suelen ser los objetos a los que se adhiere el hielo descascarillado. Por ello, la elección de los materiales para estas estructuras debe tener en cuenta la adherencia del hielo . Las estructuras de acero , por ejemplo, se oxidan , y la adherencia del óxido al hielo es muy fuerte. La elección de un material con menor adherencia, como plástico , fibra de vidrio , grafito o incluso una capa de pintura epoxi sobre el acero, reducirá la probabilidad de adherencia. Aunque la adherencia seguirá produciéndose, el uso de dichos materiales facilita otros métodos, como el rastrillado. [ cita requerida ]
Los daños podrían reducirse protegiendo las zonas propensas a inundaciones con estructuras mecánicas.
