El levantamiento por congelación (o levantamiento por congelación ) es una hinchazón ascendente del suelo durante las condiciones de congelación causada por una presencia creciente de hielo a medida que crece hacia la superficie, hacia arriba desde la profundidad del suelo donde las temperaturas de congelación han penetrado en el suelo (el frente de congelación o límite de congelación). El crecimiento del hielo requiere un suministro de agua que lleve agua al frente de congelación a través de la acción capilar en ciertos suelos. El peso del suelo suprayacente restringe el crecimiento vertical del hielo y puede promover la formación de áreas de hielo en forma de lente dentro del suelo. Sin embargo, la fuerza de una o más lentes de hielo en crecimiento es suficiente para levantar una capa de suelo, hasta 1 pie (0,30 metros) o más. El suelo a través del cual pasa el agua para alimentar la formación de lentes de hielo debe ser lo suficientemente poroso para permitir la acción capilar, pero no tan poroso como para romper la continuidad capilar. Dicho suelo se conoce como "susceptible a las heladas". El crecimiento de las lentes de hielo consume continuamente el agua ascendente en el frente de congelación. [1] [2] El levantamiento diferencial por congelación puede agrietar las superficies de las carreteras (lo que contribuye a la formación de baches en primavera ) y dañar los cimientos de los edificios . [3] [4] El levantamiento diferencial por congelación puede ocurrir en edificios de almacenamiento en frío refrigerados mecánicamente y en pistas de hielo .
El hielo en forma de aguja es esencialmente un levantamiento por congelación que ocurre al comienzo de la temporada de congelación, antes de que el frente helado haya penetrado muy profundamente en el suelo y no haya ninguna sobrecarga de suelo que levantar como levantamiento por congelación. [5]
Urban Hjärne describió los efectos de las heladas en el suelo en 1694. [a] [5] [6] [7] [8] En 1930, Stephen Taber, jefe del Departamento de Geología de la Universidad de Carolina del Sur , había refutado la hipótesis de que el levantamiento por helada resulta de la expansión del volumen molar con la congelación del agua ya presente en el suelo antes del inicio de las temperaturas bajo cero, es decir, con poca contribución de la migración de agua dentro del suelo.
Dado que el volumen molar del agua se expande aproximadamente un 9% cuando cambia de fase de agua a hielo en su punto de congelación en masa , el 9% sería la expansión máxima posible debido a la expansión del volumen molar, e incluso entonces solo si el hielo estuviera rígidamente restringido lateralmente en el suelo de modo que toda la expansión del volumen tuviera que ocurrir verticalmente. El hielo es inusual entre los compuestos porque aumenta en volumen molar desde su estado líquido, agua . La mayoría de los compuestos disminuyen en volumen cuando cambian de fase de líquido a sólido. Taber demostró que el desplazamiento vertical del suelo en el levantamiento por congelación podría ser significativamente mayor que el debido a la expansión del volumen molar. [1]
Taber demostró que el agua líquida migra hacia la línea de congelación dentro del suelo. Demostró que otros líquidos, como el benceno , que se contrae cuando se congela, también producen levantamiento por congelación. [9] Esto excluyó los cambios de volumen molar como el mecanismo dominante para el desplazamiento vertical del suelo congelado. Sus experimentos demostraron además el desarrollo de lentes de hielo dentro de columnas de suelo que se congelaron al enfriar solo la superficie superior, estableciendo así un gradiente de temperatura . [10] [11] [12]
La causa principal del desplazamiento del suelo en el levantamiento por heladas es el desarrollo de lentes de hielo . Durante el levantamiento por heladas, crecen una o más lentes de hielo sin suelo y su crecimiento desplaza el suelo que está sobre ellas. Estas lentes crecen por la adición continua de agua de una fuente de agua subterránea que se encuentra más abajo en el suelo y por debajo de la línea de congelación del suelo. La presencia de suelo susceptible a las heladas con una estructura porosa que permite el flujo capilar es esencial para suministrar agua a las lentes de hielo a medida que se forman.
Debido al efecto Gibbs-Thomson del confinamiento de líquidos en los poros, el agua del suelo puede permanecer líquida a una temperatura que está por debajo del punto de congelación del agua. Los poros muy finos tienen una curvatura muy alta , y esto da como resultado que la fase líquida sea termodinámicamente estable en dichos medios a temperaturas que a veces son varias decenas de grados inferiores al punto de congelación del líquido. [13] Este efecto permite que el agua se filtre a través del suelo hacia la lente de hielo, lo que permite que la lente crezca.
Otro efecto del transporte de agua es la conservación de unas cuantas capas moleculares de agua líquida en la superficie de la lente de hielo y entre las partículas de hielo y de suelo. Faraday informó en 1860 sobre la capa no congelada de agua prefundida . [14] El hielo se prefunde contra su propio vapor y en contacto con sílice . [15]
Las mismas fuerzas intermoleculares que provocan la prefusión en las superficies contribuyen al levantamiento por congelación a escala de partículas en el lado inferior de la lente de hielo en formación. Cuando el hielo rodea una partícula fina de suelo mientras se prefunde, la partícula de suelo se desplazará hacia abajo en dirección cálida dentro del gradiente térmico debido a la fusión y recongelación de la fina película de agua que rodea la partícula. El espesor de dicha película depende de la temperatura y es más delgada en el lado más frío de la partícula.
El agua tiene una energía libre termodinámica menor cuando está en forma de hielo a granel que cuando está en estado líquido superenfriado. Por lo tanto, hay una reposición continua de agua que fluye desde el lado cálido al lado frío de la partícula, y una fusión continua para restablecer la película más gruesa en el lado cálido. La partícula migra hacia abajo, hacia el suelo más cálido, en un proceso que Faraday llamó "regelificación térmica". [14] Este efecto purifica las lentes de hielo a medida que se forman al repeler las partículas finas del suelo. Por lo tanto, una película de 10 nanómetros de agua no congelada alrededor de cada partícula de suelo de tamaño micrométrico puede moverla 10 micrómetros/día en un gradiente térmico de tan solo 1 °C m −1 . [15] A medida que las lentes de hielo crecen, levantan el suelo por encima y segregan las partículas de suelo por debajo, mientras atraen agua hacia la cara congelada de la lente de hielo mediante la acción capilar.
El levantamiento por heladas requiere un suelo susceptible a las heladas, un suministro continuo de agua por debajo (una capa freática ) y temperaturas de congelación que penetren en el suelo. Los suelos susceptibles a las heladas son aquellos con tamaños de poro entre partículas y área de superficie de partículas que promueven el flujo capilar . Los tipos de suelos limosos y arcillosos , que contienen partículas finas, son ejemplos de suelos susceptibles a las heladas. Muchas agencias clasifican los materiales como susceptibles a las heladas si el 10 por ciento o más de las partículas constituyentes pasan a través de un tamiz de 0,075 mm (n.º 200) o el 3 por ciento o más pasan a través de un tamiz de 0,02 mm (n.º 635). Chamberlain informó otros métodos más directos para medir la susceptibilidad a las heladas. [16] Con base en dicha investigación, existen pruebas estándar para determinar la susceptibilidad relativa al debilitamiento por heladas y descongelamiento de los suelos utilizados en sistemas de pavimento comparando la tasa de levantamiento y la relación de apoyo descongelado con valores en un sistema de clasificación establecido para suelos donde la susceptibilidad a las heladas es incierta. [17]
Los suelos no susceptibles a las heladas pueden ser demasiado densos para promover el flujo de agua (baja conductividad hidráulica) o demasiado abiertos en porosidad para promover el flujo capilar. Los ejemplos incluyen arcillas densas con un tamaño de poro pequeño y, por lo tanto, una baja conductividad hidráulica y arenas y gravas limpias , que contienen pequeñas cantidades de partículas finas y cuyos tamaños de poro son demasiado abiertos para promover el flujo capilar. [18]
El levantamiento por heladas crea relieves de suelos elevados con diversas geometrías, incluidos círculos, polígonos y franjas, que pueden describirse como palsas en suelos ricos en materia orgánica, como la turba, o lithalsa [19] en suelos más ricos en minerales. [20] Las lithalsas pedregosas (montículos elevados) que se encuentran en el archipiélago de Svalbard son un ejemplo. Los levantamientos por heladas ocurren en regiones alpinas, incluso cerca del ecuador , como lo ilustran las palsas en el Monte Kenia . [21]
En las regiones de permafrost del Ártico , un tipo de levantamiento del suelo relacionado a lo largo de cientos de años puede crear estructuras de hasta 60 metros de altura, conocidas como pingos , que se alimentan de un afloramiento de agua subterránea, en lugar de la acción capilar que alimenta el crecimiento de los levantamientos por congelación. Los montículos de tierra criogénicos son una pequeña formación resultante de la convección granular que aparece en el suelo congelado estacionalmente y tienen muchos nombres diferentes; en América del Norte son montículos de tierra; thúfur en Groenlandia e Islandia ; y pounus en Fennoscandia .
La Mars Orbiter Camera (MOC), a bordo de la sonda Mars Global Surveyor , y la cámara HiRISE, a bordo de la sonda Mars Reconnaissance Orbiter , han observado formas poligonales aparentemente causadas por el levantamiento por congelación en regiones cercanas a los polos de Marte. En mayo de 2008, la sonda Mars Phoenix aterrizó en un paisaje poligonal de este tipo causado por el levantamiento por congelación y descubrió rápidamente hielo a unos pocos centímetros por debajo de la superficie.
Los edificios frigoríficos y las pistas de hielo que se mantienen a temperaturas bajo cero pueden congelar el suelo debajo de sus cimientos hasta una profundidad de decenas de metros. Los edificios congelados estacionalmente, por ejemplo, algunas pistas de hielo, pueden permitir que el suelo se descongele y se recupere cuando se calienta el interior del edificio. Si los cimientos de un edificio frigorífico se colocan sobre suelos susceptibles a las heladas con un nivel freático al alcance del frente de congelación, los pisos de dichas estructuras pueden levantarse, debido a los mismos mecanismos que se encuentran en la naturaleza. Dichas estructuras pueden diseñarse para evitar tales problemas empleando varias estrategias, por separado o en tándem. Las estrategias incluyen la colocación de suelo no susceptible a las heladas debajo de los cimientos, la adición de aislamiento para disminuir la penetración del frente de congelación y el calentamiento del suelo debajo del edificio lo suficiente para evitar que se congele. Las pistas de hielo que funcionan estacionalmente pueden mitigar la tasa de congelación del subsuelo al aumentar la temperatura del hielo. [22]
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