프로스트 폭주

Frost heaving
봄 해빙기의 서리 강온 구조. 흙을 제거한 상태에서 6인치(15-cm) 높이의 측면(아래에서 위로):
· 얼어붙은 앞쪽에서 아래 물 테이블에서 다공성 흙을 통해 튀어나온 니들얼음
· 얼음이 풍부한 토양, 동결조치의 대상이 된 것
· 위에서 녹인 흙을 녹인다.
사진 2010년 3월 21일 버몬트 노리치에서 촬영

서리강하(혹은 서리강하)는 빙하가 토양으로 침투한 토양의 깊이(얼음전면 또는 빙하경계)에서 위로 올라오면서 표면 쪽으로 얼음이 자라면서 생기는 빙하 조건 중 토양이 위로 부풀어 오르는 것을 말한다. 얼음 생장은 특정 토양에서 모세관 작용을 통해 얼음이 언 전방에 물을 공급하는 급수를 필요로 한다. 토양의 중량은 얼음의 수직 성장을 억제하고 토양 내 렌즈 모양의 얼음 영역의 형성을 촉진할 수 있다. 그러나 하나 또는 그 이상의 아이스 렌즈의 힘은 1피트 (0.30미터) 혹은 그 이상의 흙을 들어올리기에 충분하다. 물이 아이스렌즈의 형성을 먹이기 위해 통과하는 토양은 모세관 작용을 할 수 있을 만큼 충분히 다공성이어야 하지만 모세관 연속성을 깨뜨릴 만큼 다공성이면 안 된다. 그러한 토양을 "동토층"이라고 부른다. 얼음 렌즈의 성장은 계속해서 얼어붙은 전선에서 솟아오르는 물을 소비한다.[1][2] 미분 서리 강하로 인해 봄철 포트홀 형성에 기여하는 도로 표면이 갈라지고 건물 기초가 손상될 수 있다.[3][4] 서리의 무게는 기계적으로 냉장 보관된 건물과 아이스링크에서 발생할 수 있다.

바늘 얼음은 기본적으로 얼음이 어는 계절이 시작될 때 발생하는 서리 강하로, 얼어붙은 전선이 토양으로 아주 멀리 침투하고 서리 강하로 들어올릴 수 있는 과도한 토양이 없다.[5]

메커니즘

서리강하 역사적 이해

추운 기후에서 서리를 가열하는 결과로 발생하는 얼음 렌즈 형성.

베스코우에 따르면, 어반 헤헤른 (1641–1724)은 1694년에 토양의 서리 영향을 묘사했다.[a][5][6][7][8] 1930년까지 사우스캐롤라이나 대학교(Columbia, South Carolina) 지질학부 책임자인 Stephen Taber(1882–1963)는 서리가 내리는 것은 영하의 온도가 시작되기 전에 이미 토양에 존재하는 물의 동결로 인해 어금류의 부피가 팽창하여 발생한다는 가설을 반증했다. 토양 내 물의 이동

물의 어금니 부피는 대량 동결 지점에서 물에서 얼음으로 위상이 바뀌면서 약 9% 확장되기 때문에 어금니 부피 확장에 의해 가능한 최대 팽창이 될 수 있으며, 그 경우에도 전체 부피 팽창이 수직으로 발생하도록 토양에서 횡방향으로 얼음이 경직적으로 제약을 받는 경우에 한한다. 얼음은 액체 상태인 물에서 어금니 부피가 증가하기 때문에 화합물 중에서 특이하다. 대부분의 화합물은 액체에서 고체로 위상을 바꿀 때 부피가 감소한다. 태버는 어금니 부피 확장으로 인해 서리 강하 시 토양의 수직 변위가 그것보다 훨씬 클 수 있다는 것을 보여주었다.[1]

Taber는 액체 상태의 물이 토양 내의 동결선을 향해 이동한다는 것을 증명했다. 그는 얼면 수축되는 벤젠과 같은 다른 액체들도 서리강하를 발생시킨다는 것을 보여주었다.[9] 이 제외된 어금니 부피는 동결 토양의 수직 변위를 위한 지배적 메커니즘으로서 변화한다. 그의 실험은 상층면만을 냉각시켜 얼린 토양 기둥 안에서 아이스렌즈가 발달하여 온도 구배를 확립하는 것을 더욱 증명하였다.[10][11][12]

아이스렌즈 개발

봄 해빙기에 시골 버몬트 도로에 서리가 내린다.

서리가 내릴 때 토양 변위의 주된 원인은 아이스렌즈의 개발이다. 서리가 내리는 동안 하나 이상의 무토양 얼음 렌즈가 자라고, 그 성장은 그 위의 흙을 대체한다. 이 렌즈는 토양에서 낮은 지하수 공급원과 토양에서 동결선 아래에 있는 지하수 공급원의 물을 지속적으로 추가함으로써 자란다. 모세관이 흐를 수 있는 모공 구조를 가진 서리 감지 토양의 존재는 얼음 렌즈가 형성될 때 물을 공급하는데 필수적이다.

깁스 때문에–모공 속 액체가 고여 있는 텀슨 효과, 토양의 물은 물의 대량 동결점 이하 온도에서 액체를 유지할 수 있다. 매우 미세한 모공은 매우 높은 곡률을 가지고 있으며, 이것은 액체의 대량 동결점보다 수십도 낮은 온도에서 그러한 매체에서 액체 단계가 열역학적으로 안정되게 하는 결과를 낳는다.[13] 이 효과는 물이 흙을 통해 얼음 렌즈를 향해 스며들게 하여 렌즈가 자라게 한다.

또 다른 물 이동 효과는 얼음 렌즈 표면, 얼음과 토양 입자 사이에 액체 상태의 물의 몇 분자 층을 보존하는 것이다. 패러데이는 1860년에 미리 녹지 않은 물의 층에 대해 보고했다. [14] 얼음은 자신의 증기에 대항하여 미리 녹으며 실리카와 접촉한다.[15]

마이크로 스케일 프로세스

표면에서 전열을 일으키는 동일한 분자간 힘은 형성되는 얼음 렌즈의 바닥에 있는 입자 눈금에서 서리가 내리는 원인이 된다. 얼음이 미세한 토양 입자를 미리 감싸면 입자를 둘러싸고 있는 물의 얇은 막이 녹고 다시 얼려 열 경사로 내에서 따뜻한 방향으로 토양 입자가 아래로 이동하게 된다. 그러한 필름의 두께는 온도에 따라 달라지며 입자의 차가운 면에 얇아진다.

물은 벌크 얼음에서 과냉각 액체 상태보다 열역학적 자유 에너지가 낮다. 따라서 따뜻한 쪽에서 입자의 차가운 쪽으로 흐르는 물의 보충이 계속되며, 계속해서 녹아서 따뜻한 쪽의 두꺼운 필름을 다시 확립한다. 이 입자는 패러데이가 "열 재생"이라고 부르는 과정에서 더 따뜻한 토양 쪽으로 아래쪽으로 이동한다.[14] 이 효과는 미세한 토양 입자를 밀어내면서 형성되는 아이스렌즈를 정화시킨다. 따라서 각 마이크로미터 크기의 토양 입자 주위로 얼지 않은 물의 10나노미터 필름은 1 °Cm의−1 낮은 열 경사로에서 하루에 10마이크로미터/일로 이동할 수 있다.[15] 아이스렌즈가 자라면서 위쪽의 흙을 들어올리고, 아래쪽의 흙입자를 분리하는 동시에 모세관 작용을 통해 얼음렌즈의 얼어붙은 면으로 물을 끌어낸다.

서리-감지 토양

부분적으로 용해되고 무너진 리탈사(영원한 영구 동토층에서 발견되는 가열된 덩어리)는 스발바르 군도에 고리 모양의 왼쪽 구조물을 가지고 있다.

서리가 내리는 것은 서리로 감지되는 토양, 지속적으로 아래(수상)의 물을 공급해야 하며, 토양에 침투하여 얼은 온도를 유지해야 한다. 서리-감지 토양이란 모세관 흐름을 촉진하는 입자 및 입자 표면 영역 사이에 모공 크기를 가진 토양이다. 미세한 입자를 포함하고 있는 실티와 루미 토양 타입은 서리가 감지되는 토양의 예들이다. 많은 기관에서는 성분 입자가 0.075mm(200번) 체를 통과하거나 0.02mm(635번) 체를 통과하면 물질이 서리에 걸리기 쉬운 것으로 분류한다. 체임벌린은 서리 감수성을 측정하기 위한 다른 보다 직접적인 방법을 보고했다.[16] 이러한 연구를 바탕으로 서리 감수성이 불확실한 토양의 경우 기존 분류체계에서 보온율과 해빙된 내력비를 값과 비교하여 포장도로에서 사용되는 토양의 상대적 서리 및 해빙 민감도를 판단하는 표준시험이 존재한다.[17]

동토 감지되지 않는 토양은 물의 흐름을 촉진하기에 너무 밀도가 높거나(유압 전도도가 낮음) 모세관 흐름을 촉진하기 위해 다공성이 너무 열려 있을 수 있다. 모공 크기가 작아 유압 전도도가 낮은 밀도 클라이와 미세한 입자가 소량 함유돼 있고 모세관 흐름을 촉진하기엔 모공 크기가 너무 열려 있는 깨끗한 모래와 자갈 등이 대표적이다.[18]

서리가 내리는 바람에 생긴 지형

팔사스(불연속 영구 동토층에서의 유기농이 풍부한 토양)는 케냐산 무기힐 아래의 고산지대에서 발견될 수 있다.

서리 폭포는 원, 다각형, 줄무늬를 포함한 다양한 기하학에서 토양 형상을 생성하는데, 이것은 박토와 같은 유기 물질이 풍부한 토양에서 팔사 또는 광물이 풍부한 토양에서 석탄을[19] 만드는 것으로 묘사될 수 있다.[20] 스발바르 군도에서 발견된 돌로 된 석회암살사(히브드마운드)가 그 예다. 케냐 산의 팔사(Palsas)에서 알 수 있듯이, 서리의 무게는 적도 부근의 고산지대에서 발생한다.[21]

북극 영구 동토층 지역에서는 수백년에 걸친 관련 지반하중 유형이 서리하중의 성장을 먹이는 모세관 작용 대신 지반하수에 의해 먹이를 주는 핑고라고 알려진 높이 60m의 구조물을 만들 수 있다. 극저온 지구 혹은 계절에 따라 얼어붙은 땅에서 나타나는 미세한 대류에서 발생하는 작은 형질이다. 북아메리카에서는 지구 혹, 그린란드와 아이슬란드의 털, 페노칸디아 지방의 푸누스 등이다.

화성 지구 탐사선에 탑재된 화성 궤도 카메라(MOC)와 화성 정찰궤도선에 탑재된 하이라이즈 카메라에 의해 화성의 극 가까운 지역에서 서리 강하로 인한 것으로 보이는 다각형 형태가 관찰됐다. 2008년 5월, 화성 피닉스호는 그러한 다각형 서리-히브 풍경에 착륙했고 지표면 아래 몇 센티미터 아래에 있는 얼음을 빠르게 발견했다.

냉장된 건물에서.

빙하가 얼지 않는 온도로 유지되는 저온저장 건물과 아이스링크장은 기초 아래의 토양을 수십 미터 깊이까지 얼릴 수 있다. 예를 들어 일부 아이스링크와 같이 계절적으로 얼어붙은 건물들은 건물 내부가 따뜻해지면 토양이 녹고 회복될 수 있다. 냉장된 건물의 기초가 동결 전선의 도달 범위 내에 물 테이블이 있는 서리로 감지되는 토양 위에 놓여진 경우, 그러한 구조물의 바닥은 자연에서 발견되는 동일한 메커니즘으로 인해 가열될 수 있다. 그러한 구조는 별도로 또는 동시에 여러 가지 전략을 채택하여 그러한 문제를 방지하도록 설계할 수 있다. 그 전략에는 기초 아래에 동토 감지되지 않는 토양을 배치하고, 전면의 결빙을 줄이기 위해 절연재를 추가하며, 건물 아래의 토양이 결빙되지 않도록 충분히 가열하는 것이 포함된다. 계절적으로 운영되는 아이스링크는 얼음의 온도를 높임으로써 표면하 결빙 속도를 완화할 수 있다.[22]

참고 항목

각주

  1. ^ 제2절에서. Fl. Om Jord och Landskap i gemeen (II). 히아른은 그의 책의 토양과 풍경)에 대해 "지구의 주조" 또는 "지구의 무거움"의 현상을 언급하는데, 이 현상은 봄의 해빙이 끝난 후, 커다란 뗏목 덩어리가 땅에서 찢어져서 던져진 것처럼 보인다: "3. 스웨덴, 핀란드, 아이슬란드 등의 다른 곳에서도 볼 수 있든 없든, 웁플랜드와 비비 교구의 네르케에서도 볼 수 있듯이, 땅 자체에는 잔디와 넓은 몇 자루까지[조각으로] 위로 던져져 20명 이상의 남자들이 할 수 없는 커다란 구덩이가 남아 있다."(3. 옴만세르 유티)ndre Orter i Swerige / Fin-Est och Lif-land / etc. så wara stedt / som hår i Upland / och i Nårike i Wijby Sochn / Kongz Wallby / at Jorden sig med Torff och all till någre Alnars Långd och bredd har opkastat det 20 eller flere Karlar teke hint göra / och en stoor Graff effter sig lemnat.) Urban Hjärne, Een kort Anledning till åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande [A brief guide to discovering and specifying various types of ores and mountains, minerals, plants, and soils, together with several unusual things] (Stockholm, Sweden: 1694). 온라인: 스웨덴 국립도서관.

참조

  1. ^ a b Taber, Stephen (1929). "Frost Heaving" (PDF). Journal of Geology. 37 (5): 428–461. Bibcode:1929JG.....37..428T. doi:10.1086/623637. S2CID 224836578.
  2. ^ Rempel, A.W.; Wettlaufer, J.S.; Worster, M.G. (2001). "Interfacial Premelting and the Thermomolecular Force: Thermodynamic Buoyancy". Physical Review Letters. 87 (8): 088501. Bibcode:2001PhRvL..87h8501R. doi:10.1103/PhysRevLett.87.088501. PMID 11497990.
  3. ^ Transports Quebec (2007). "Québec Pavement Story". Archived from the original on 2011-07-16. Retrieved 2010-03-21.
  4. ^ Widianto; Heilenman, Glenn; Owen, Jerry; Fente, Javier (2009). "Foundation Design for Frost Heave". Cold Regions Engineering 2009: Cold Regions Impacts on Research, Design, and Construction: 599–608. doi:10.1061/41072(359)58. ISBN 9780784410721.
  5. ^ a b Beskow, Gunnar; Osterberg, J. O. (Translator) (1935). "Soil Heaving and Frost Heaving with Special Application to Roads and Railroads" (PDF). The Swedish Geological Society. C. No. 30 (Year Book No. 3).
  6. ^ Sjögren, Hjalmar (1903) "Om ett "jordkast" vid Glumstorp i Värmland och om dylika företeelser beskrivna av Urban Hiärne" (On an "earth casting" at Glumstorp in Värmland and on such phenomena described by Urban Hiärne), Arkiv för matematik, astronomi och fysik, 1 : 75–99.
  7. ^ Hjärne, Urban (1694). "Een kort Anledning till åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande" [A brief guide to discovering and specifying various types of ores and mountains, minerals, plants, and soils, together with several unusual things] (in Swedish). Stockholm. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  8. ^ 패트릭 B. 블랙 앤 마크 하든버그(Black and Mark J. Hardenberg, ed.s, Special Report 91-23: Frost Have Research의 역사적 관점: S의 초기 작품들 태버와 G. 베스코우(Hanover, New Hampshire: 미 육군 공병대: Cold Region Research & Engineering Laboratory, 1991).
  9. ^ Taber, Stephen (1930). "The mechanics of frost heaving" (PDF). Journal of Geology. 38 (4): 303–317. Bibcode:1930JG.....38..303T. doi:10.1086/623720. S2CID 129655820.
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  13. ^ 존 틴달 (1858) "얼음의 물리적 특성에 관하여," 런던 왕립 협회의 철학적 거래, 148 : 211–229. 요약:
  14. ^ a b Faraday, M. (1860). "Note on regelation". Proceedings of the Royal Society of London. 10: 440–450. doi:10.1098/rspl.1859.0082. S2CID 136019935.
  15. ^ a b Rempel, A.W.; Wettlaufer, J.S.; Worster, M.G. (2004). "Premelting dynamics in a continuum model of frost heave". Journal of Fluid Mechanics. 498: 227–244. Bibcode:2004JFM...498..227R. doi:10.1017/S0022112003006761. S2CID 17061621.
  16. ^ Chamberlain, Edwin J. (December 1981). "Frost Susceptibility of Soil, Review of Index Tests". Hanover, NH: Cold Regions Research and Engineering Laboratory. ADA111752. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  17. ^ ASTM, Subcommittee: D18.19 (2013), "Standard Test Methods for Frost Heave and Thaw Weakening Susceptibility of Soils", ASTM Book of Standards, 04 (9)
  18. ^ Muench, Steve (6 November 2006). "Pavement Interactive—Frost Action". Retrieved 2010-03-24.
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  20. ^ De Schutter, Paul (2005-12-03). "Palsas & Lithalsas". Archived from the original on 2011-07-27. Retrieved 2010-03-10.
  21. ^ Baker, B. H. (1967). Geology of the Mount Kenya area; degree sheet 44 N.W. quarter (with coloured map). Nairobi: Geological Survey of Kenya.
  22. ^ Brown, W.G. (January 1965), Frost Heave in Ice Rinks and Cold Storage Buildings, CBD-61, Research Council Canada, retrieved 2018-01-05

추가 읽기

  • Manz, Lorraine (July 2011), "Frost heave" (PDF), Geo News, 32 (2): 18–24