아이스렌즈

Ice lens
핑고는 주기적으로 간격을 두고 얼음 렌즈를 형성한 결과 북극 툰드라에서 형성되었다.

아이스렌즈는 토양이나 암석 내에 확산된 수분이 국지적으로 축적될 때 형성된 얼음의 몸통이다. 얼음은 처음에는 작은 결속된 모공이나 미리 존재하는 균열 내에 축적되며, 조건이 유리한 한, 토양이나 바위를 서로 엉키면서 얼음층이나 얼음렌즈에 계속 모이게 된다. 얼음 렌즈는 표면과 평행하게 자라며 토양이나 바위 깊은 곳에서는 수 센티미터에서 수 디미터까지 자란다. 1990년의 연구는 얼음 분리에 의한 암석 골절(즉, 지속적인 동결 온도 기간 동안 주변으로부터 물을 끌어와 성장시키는 아이스 렌즈에 의한 온전한 암석 골절)이 오래된 텍스트가 제안한 동결토 공정보다 더 효과적인 풍화 과정이라는 것을 입증했다.[1]

얼음 렌즈는 추운 지역에서 풍화작용에 필수적인 토양의 중량과 암반 골절의 원인이 되는 서리를 유발하는 중요한 역할을 한다. 서리 폭주는 파편을 만들어 내고, 극적으로 풍경을 복잡한 패턴으로 만든다. 경혈 지역(알핀, 아극, 극지)의 암석 골절은 종종 모공과 균열 내에 갇힌 물의 동결 및 부피 팽창에 기인하지만, 대부분의 서리 폭주 및 암반 골절은 표면 가까이 얼어붙은 지역에서 얼음 분리와 렌즈 성장에 기인한다. 얼음 분리는 암석 골절과 서리 강하를 초래한다.[2]

현상 설명

서리강하

추운 기후에서 서리를 가열하는 결과로 발생하는 얼음 렌즈 형성.

서리허브는 물에 불린 토양이 얼면 지면의 변형과 상승추력을 일으키는 과정이다.[3] 이 과정은 포장을 왜곡하고 균열시킬 수 있고, 건물의 기초가 손상될 수 있으며, 일정한 패턴으로 토양을 치환할 수 있다. 특정 온도에서 습하고 미세한 결이 있는 토양은 서리가 쏟아지기 가장 쉽다.

툰드라 속 아이스 렌즈

툰드라 내 아이스 렌즈 형성.

북극 툰드라에서는 영구 동토층이 땅을 깊이에서 얼리고 녹은 눈과 비가 빠져나가는 것을 막기 때문에 서리 강하가 흔하다. 그 결과, 큰 빙축적과 상당한 토양 변위를 가진 깊은 얼음 렌즈 형성에 최적의 조건을 갖추고 있다.[4]

정확한 조건이 존재할 경우 복잡한 패턴을 생성하는 미분 서리 용출이 발생할 것이다. 1년간의 서리 강하로부터 받은 피드백은 다음 해의 효과에 영향을 미친다. 예를 들어, 과부하가 약간 증가하면 이후 몇 년 동안 얼음 형성과 중량의 깊이에 영향을 미칠 것이다. 서리의 시간에 의존하는 모델들은 충분한 기간 동안 짧은 분리 섭동이 축축해지는 반면, 중거리 섭동은 커져 풍경을 지배하게 된다는 것을 나타낸다.[4]

빙하하층

빙하 안에서 자라나는 얼음 렌즈와 빙하 얼음 밑의 암반.

남극 대륙 빙하 아래에서까지 침전물이나 빙하 띠가 관찰되었다; 이것들은 얼음 렌즈가 파편에서 형성되기 때문에 생긴 것으로 여겨진다. 더 빠르게 흐르는 빙하 지역에서, 빙하는 물에 포화된 퇴적물 위로 미끄러지거나, 실제로 물 위에 떠 있다. 틸과 물은 얼음판 밑부분과 암반 사이의 마찰을 줄이는 역할을 했다. 이 빙하수들은 표면에서 용해되는 계절에 따라 배수되는 표면의 물과 얼음 시트의 기초 용해에서 나온다.[5]

빙하 아래의 암반 안에서 얼음 렌즈의 성장은 빙하의 기저부에 충분한 물이 있는 여름철에 투영된다. 얼음 렌즈는 암반이 충분히 약해져서 바위가 벗겨지거나 벗겨질 때까지 축적되어 암반 안에서 형성될 것이다. 빙하와 암반 사이의 접점을 따라 암석의 층이 해방되어 이러한 빙하의 기초 지역에서 퇴적물이 많이 생성된다. 빙하의 이동 속도는 이 기저 얼음의 특성에 따라 달라지기 때문에 현상을 더 잘 정량화하기 위한 연구가 진행 중이다.[6]

현상 이해

아이스렌즈는 팔사(사진) 성장을 담당한다.

얼음 분리 및 서리 이동의 기본 조건은 토양이나 다공성 암석에 있는 지역이 존재하며, 상대적으로 투과성이 있고, 얼음과 물이 공존할 수 있는 온도 범위(전조 상태)이며, 지역 전체에서 온도 구배를 가진다.[7]

토양이나 다공성 암석의 얼음 분리를 이해하는 핵심 현상(모양 때문에 얼음 렌즈라고도 함)은 프리멜팅인데, 이는 표면과 인터페이스의 액체 막이 대량 용해 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 개발되는 현상이다. 프리멜팅이라는 용어는 다공성 매체(Gibbs-Thomson 효과)에 갇혀 있는 물의 표면 곡률로 인해 발생하는 용해 온도(0°C 미만)의 감소를 설명하기 위해 사용된다. 미리 녹인 물은 얼음 표면에 얇은 층으로 존재한다. 예열 조건에서는 다공성 매체에서 -10 °C 미만의 온도에서 얼음과 물이 공존할 수 있다. Gibbs-Thomson 효과는 열 경사로(높은 온도에서 낮은 온도로) 아래로 물이 이동하게 한다. 대시 상태, "...자재는 추운 지역으로 운반됨…" 이것은 또한 정력적으로 더 작은 얼음 입자를 선호한다고 볼 수 있다. 그 결과 얼음 분리(얼음 렌즈 형성)에 대한 조건이 존재할 때 물은 분리빙상 쪽으로 흘러 지표면에서 얼게 되어 분리빙상층이 두꺼워진다.[7]

이러한 원리를 사용하여 분석 모델을 개발할 수 있다. 이들은 현장 관찰과 일치하는 다음과 같은 특성을 예측한다.

  • 얼음은 겹겹이 쌓인 표면과 평행하게 형성된다.[2]
  • 얼음은 처음에는 표면에 평행하게 작은 미세한 골절로 형성된다. 얼음이 쌓이면서 얼음 층은 표면과 평행한 얼음 층으로 자주 특징지어지는 바깥쪽으로 자란다.[2]
  • 얼음은 토양에서 형성되는 것과 같은 방식으로 물을 흡수할 수 있는 바위에서 형성될 것이다.[2]
  • 얼음 층이 단일 방향(예: 상단)에서 냉각되어 발생한 경우, 파단은 표면 가까이에 있는 경향이 있다(예: 분필로 1~2 cm). 얼음 층이 양쪽(예: 위와 아래)에서 얼어서 발생하는 경우, 골절은 더 깊은 곳에 있는 경향이 있다(예: 분필로 2–3.5 cm).[2]
  • 얼음은 액체를 쉽게 구할 수 있을 때 빠르게 형성된다. 액체를 쉽게 구할 수 있을 때, 분리된 얼음(얼음 렌즈)은 노출된 차가운 표면과 평행하게 자란다. 얼음 렌즈 경계를 얼려 해방된 열이 따뜻해질 때까지 빠르게 성장하며, 온도 구배를 줄이고 추가적인 얼음 분리 속도를 조절한다. 이러한 조건 하에서 얼음은 점차적으로 두꺼운 한 층에서 자란다. 표면이 옮겨지고 토양이 위치를 바꾸거나 암석이 부서진다.[8]
  • 얼음은 액체를 쉽게 구할 수 없을 때 다른 패턴으로 형성된다. 액체를 쉽게 구할 수 없을 때는 분리빙(얼음렌즈)이 천천히 자란다. 얼음에 의해 방출된 열은 얼음 렌즈 경계를 따뜻하게 할 수 없다. 따라서 물이 확산되는 영역은 다른 얼음 분리층이 첫 번째 층 아래에 형성될 때까지 계속 냉각된다. 추운 날씨가 지속되면, 이 과정은 반복될 수 있으며, 표면과 평행인 여러 개의 얼음 층(얼음 렌즈)을 생성한다. 여러 층의 형성(복수 렌즈)은 암석이나 토양 내에서 더 광범위한 서리 피해를 발생시킨다.[8]
  • 어떤 조건에서는 얼음이 생기지 않는다. 높은 과부하 압력과 비교적 따뜻한 표면 온도에서는 얼음 분리가 일어날 수 없다. 존재하는 액체는 부피가 큰 얼음 분리가 없고 측정 가능한 표면 변형이나 서리 손상이 없이 모공 공간 내에서 동결된다.[8]

암석에서의 아이스렌즈 성장

참고 항목: 서리 풍화
미시간 주 상층부 구리 항구의 거친 해안에서 얼음 형성

암석에는 기원과 위치에 상관없이 다양한 크기와 모양의 모공이 일상적으로 포함되어 있다. 암석 공극은 본질적으로 작은 균열이며, 암석이 장력에 놓이면 균열이 전파될 수 있는 위치 역할을 한다. 만약 얼음이 비대칭적으로 모공 속에 축적된다면, 얼음은 바위를 얼음 축적 방향에 수직인 평면에 장력으로 놓이게 될 것이다. 따라서 바위는 얼음 축적의 방향에 직각인 평면을 따라 갈라지게 되는데, 이것은 표면과 사실상 평행이다.[9]

Walder와 Hallet은 암석 균열 발생 위치와 현장에서 실제로 관찰된 골절과 일치하는 비율을 예측하는 모델을 개발했다. 그들의 모델은 대리석과 화강암이 -4 °C에서 -15 °C의 온도 범위에서 가장 효과적으로 균열이 자랄 것으로 예측했다. 이 범위에서는 1년 안에 3미터 길이의 얼음을 감싸는 골절이 발생할 수 있다. 온도가 더 높을 때 형성된 얼음은 균열을 발생시킬 만큼 충분한 압력을 가하지 않는다. 온도가 이 범위보다 낮으면 물의 이동성이 떨어지고 균열이 더 느리게 자란다.[9]

Mutron은 얼음이 처음에 모공에서 형성되고 표면과 평행하게 작은 미세조직을 만든다는 것을 확인했다. 얼음이 쌓이면서 얼음층은 표면과 평행한 빙설로 특징지어지는 바깥쪽으로 자란다. 얼음은 토양에서 형성되는 것과 같은 방식으로 물을 흡수할 수 있는 바위에서 형성될 것이다. 얼음 층이 단일 방향(예: 상단)에서 냉각되어 발생한 경우, 암석 파단은 표면 가까이에 있는 경향이 있다(예: 분필로 1~2 cm). 얼음 층이 양쪽(예: 위와 아래)에서 얼어서 생기는 경우, 암석 파단은 더 깊이 눕는 경향이 있다(예: 분필로 2–3.5 cm).[2]

얼음구형성

매달린 얼음이 반복적으로 파도에 젖어 주변 공기에 얼어붙은 뒤 구형으로 형성되거나 눈물방울처럼 떨어진다.

얼음 구의 형성은 물체가 물이 반복적으로 도달하는 곳에서 약 0.5–1.0피트 위에 있을 때 발생할 수 있다. 물은 그것이 도달하는 어떤 표면에도 얇은 얼음층을 형성할 것이다. 각각의 물결은 물의 진보와 불황이다. 발전은 해안에서 모든 것을 빨아들이고 있다. 파도가 잦아들면 얼어붙은 온도에 노출된다. 이 짧은 순간의 노출은 얇은 얼음층을 형성하게 한다. 죽은 초목이나 발기된 물체에 의해 그 형성이 공기 중에 매달려 있을 때, 얼음은 구체나 눈물방울 같은 모양을 형성하기 시작할 것이다. 응축핵이 형성되는 방식과 유사하게 구는 물이 아닌 기초가 필요하다. 식물에서 가장 흔히 볼 수 있는 것은, 구는 나뭇가지나 줄기에 있는 얼음 점으로 시작한다. 파도가 해안을 물에 잠기고 물에 젖은 물체를 얼음이 어는 온도에 잠깐 노출시키면, 각각의 얇은 층이 이전 층을 감싸면서 점이 자라기 시작한다. 시간이 흐르면서 그것들은 구를 형성하거나 눈물방울 같은 형태를 형성한다.

참조

  1. ^ "서클릭 빙하 버그슈룬의 영구적 풍화 및 헤드월 침식"; Johnny W. Sanders, Curt M. 커피, 제프리 R 무어, 켈리 R. 맥그리거와 제프리 L. 캐버노; 지질학; 2012년 7월 18일, doi:10.1130/G33330.1
  2. ^ a b c d e f Murton, Julian B.; Peterson, Rorik; Ozouf, Jean-Claude (17 November 2006). "Bedrock Fracture by Ice Segregation in Cold Regions". Science. 314 (5802): 1127–1129. Bibcode:2006Sci...314.1127M. doi:10.1126/science.1132127. PMID 17110573. S2CID 37639112.
  3. ^ 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.
  4. ^ a b Peterson, R. A.; Krantz , W. B. (2008). "Differential frost heave model for patterned ground formation: Corroboration with observations along a North American arctic transect". Journal of Geophysical Research. American Geophysical Union. 113: G03S04. Bibcode:2008JGRG..11303S04P. doi:10.1029/2007JG000559.
  5. ^ Bell, Robin E. (27 April 2008). "The role of subglacial water in ice-sheet mass balance". Nature Geoscience. 1 (5802): 297–304. Bibcode:2008NatGe...1..297B. doi:10.1038/ngeo186.
  6. ^ Rempel, A. W. (2008). "A theory for ice-till interactions and sediment entrainment beneath glaciers". Journal of Geophysical Research. American Geophysical Union. 113 (113=): F01013. Bibcode:2008JGRF..11301013R. doi:10.1029/2007JF000870.
  7. ^ a b Dash, G.; A. W. Rempel; J. S. Wettlaufer (2006). "The physics of premelted ice and its geophysical consequences". Rev. Mod. Phys. American Physical Society. 78 (695): 695. Bibcode:2006RvMP...78..695D. CiteSeerX 10.1.1.462.1061. doi:10.1103/RevModPhys.78.695.
  8. ^ a b c Rempel, A.W. (2007). "Formation of ice lenses and frost heave". Journal of Geophysical Research. American Geophysical Union. 112 (F02S21): F02S21. Bibcode:2007JGRF..11202S21R. doi:10.1029/2006JF000525. Retrieved 30 November 2009.
  9. ^ a b Walder, Joseph; Hallet, Bernard (March 1985). "A theoretical model of the fracture of rock during freezing". Geological Society of America Bulletin. Geological Society of America. 96 (3): 336–346. Bibcode:1985GSAB...96..336W. doi:10.1130/0016-7606(1985)96<336:ATMOTF>2.0.CO;2.