El levantamiento por escarcha (o un levantamiento por escarcha ) es una hinchazón hacia arriba del suelo durante condiciones de congelación causada por una presencia cada vez mayor de hielo a medida que crece hacia la superficie, hacia arriba desde la profundidad del suelo donde las temperaturas bajo cero han penetrado en el suelo (el frente de congelación o límite de congelación). El crecimiento del hielo requiere un suministro de agua que la lleve al frente helado 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 lentes 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 suficientemente poroso para permitir la acción capilar, pero no tan poroso como para romper la continuidad capilar. Este tipo de suelo se denomina "susceptible a las heladas". El crecimiento de las lentes de hielo consume continuamente el agua que asciende en el frente helado. [1] [2] Las heladas diferenciales pueden 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] Pueden producirse ráfagas de hielo en edificios frigoríficos y pistas de hielo refrigerados mecánicamente .
El hielo en forma de aguja es esencialmente un levantamiento de escarcha que ocurre al comienzo de la temporada de heladas, antes de que el frente de congelación haya penetrado muy profundamente en el suelo y no haya una sobrecarga de suelo que pueda levantarse como un levantamiento de helada. [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 las heladas El levantamiento 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% a medida que cambia de fase de agua a hielo en su punto de congelación total , el 9% sería la expansión máxima posible debido a la expansión del volumen molar, e incluso entonces sólo si el hielo estuviera rígidamente restringido lateralmente. en el suelo de modo que toda la expansión del volumen tuvo que ocurrir verticalmente. El hielo es inusual entre los compuestos porque aumenta su volumen molar a partir de su estado líquido, el agua . La mayoría de los compuestos disminuyen de volumen al cambiar de fase de líquido a sólido. Taber demostró que el desplazamiento vertical del suelo durante las heladas 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 heladas. [9] Esto excluyó los cambios de volumen molar como 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 enfriando solo la superficie superior, estableciendo así un gradiente de temperatura . [10] [11] [12]
La causa principal del desplazamiento del suelo durante las heladas es el desarrollo de lentes de hielo . Durante las heladas, crecen una o más lentes de hielo sin tierra y su crecimiento desplaza la tierra sobre ellas. Estas lentes crecen mediante 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 permita 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 en el suelo puede permanecer líquida a una temperatura inferior al punto de congelación total del agua. Los poros muy finos tienen una curvatura muy alta , y esto da como resultado que la fase líquida sea termodinámicamente estable en tales medios a temperaturas a veces varias decenas de grados por debajo del punto de congelación total del líquido. [13] Este efecto permite que el agua se filtre a través del suelo hacia la lente de hielo, permitiendo que la lente crezca.
Otro efecto del transporte de agua es la preservación de unas pocas capas moleculares de agua líquida en la superficie de la lente de hielo y entre el hielo y las partículas del suelo. Faraday informó en 1860 sobre la capa descongelada de agua prefundida .[14] El hielo se prederrite contra su propio vapor , y en contacto con la sílice . [15]
Las mismas fuerzas intermoleculares que causan la prefusión en las superficies contribuyen a que la escarcha se levante en la escala de partículas en la parte inferior de la lente de hielo en formación. Cuando el hielo rodea una fina partícula de suelo mientras se prefunde, la partícula de suelo se desplazará hacia la dirección cálida dentro del gradiente térmico debido al derretimiento y recongelación de la fina película de agua que rodea la partícula. El espesor de dicha película depende de la temperatura y es más delgado en el lado más frío de la partícula.
El agua tiene una energía libre termodinámica más baja cuando está en hielo a granel que cuando está en estado líquido sobreenfriado. 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 el suelo más cálido en un proceso que Faraday llamó "regelación térmica". [14] Este efecto purifica las lentes de hielo a medida que se forman al repeler las partículas finas de tierra. Así, 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 de arriba y segregan las partículas del suelo de abajo, mientras atraen agua a la cara helada de la lente de hielo a través de la acción capilar.
Las heladas requieren un suelo susceptible a las heladas, un suministro continuo de agua debajo (un nivel freático ) y temperaturas bajo cero, que penetren en el suelo. Los suelos susceptibles a las heladas son aquellos con tamaños de poros entre las partículas y área de superficie de las partículas que promueven el flujo capilar . Los tipos de suelo 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 (No. 200) o el 3 por ciento o más pasan a través de un tamiz de 0,02 mm (No. 635). Chamberlain informó sobre 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 de las heladas y el deshielo de los suelos utilizados en sistemas de pavimento comparando la tasa de agitación y la relación de soporte de deshielo 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]
Las heladas crean formas de suelo elevado en diversas geometrías, incluidos círculos, polígonos y rayas, que pueden describirse como palsas en suelos ricos en materia orgánica, como turba o lithalsa [19] en suelos más ricos en minerales. [20] Los lithalsa pedregosos (montículos elevados) que se encuentran en el archipiélago de Svalbard son un ejemplo. En las regiones alpinas, incluso cerca del ecuador , se producen heladas , como lo ilustran las palsas en el monte Kenia . [21]
En las regiones de permafrost ártico , un tipo similar de movimiento del suelo durante cientos de años puede crear estructuras, de hasta 60 metros, conocidas como pingos , que se alimentan de un afloramiento de agua subterránea, en lugar de la acción capilar que alimenta el crecimiento de las heladas. jadeos. Los montículos de tierra criogénica son una pequeña formación resultante de la convección granular que aparece en suelos estacionalmente congelados y tienen muchos nombres diferentes; en Norteamérica son montículos de tierra; thúfur en Groenlandia e Islandia ; y pounus en Fennoscandia .
La Mars Orbiter Camera (MOC) a bordo del Mars Global Surveyor y la cámara HiRISE del Mars Reconnaissance Orbiter han observado formas poligonales aparentemente causadas por heladas en regiones casi polares de Marte . En mayo de 2008, el módulo de aterrizaje Mars Phoenix aterrizó en un paisaje poligonal con heladas y rápidamente descubrió hielo a unos pocos centímetros debajo de la superficie.
Los edificios de almacenamiento en frío y las pistas de hielo que se mantienen a temperaturas bajo cero pueden congelar el suelo debajo de sus cimientos a 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 el interior del edificio se calienta. Si los cimientos de un edificio refrigerado se colocan sobre suelos susceptibles a las heladas con un nivel freático al alcance del frente helado, entonces los pisos de dichas estructuras pueden levantarse, debido a los mismos mecanismos que se encuentran en la naturaleza. Estas estructuras pueden diseñarse para evitar tales problemas empleando varias estrategias, por separado o en conjunto. Las estrategias incluyen la colocación de suelo no susceptible a las heladas debajo de los cimientos, agregar aislamiento para disminuir la penetración del frente helado y calentar el suelo debajo del edificio lo suficiente para evitar que se congele. Las pistas de hielo operadas estacionalmente pueden mitigar la tasa de congelación del subsuelo elevando la temperatura del hielo. [22]
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