Frosthub – Wikipedia

Anatomie eines Frosthubs während des Frühjahrstaus. Die Seite eines 15-cm-Hubs (6 Zoll) wird entfernt, um den Boden freizulegen (von unten nach oben):
· Nadeleis, das von der Gefrierfront durch porösen Boden aus einem Grundwasserspiegel nach unten extrudiert wurde
· Zusammengewachsener eisreicher Boden, der gefroren und aufgetaut wurde
· Aufgetauter Boden oben.
Foto aufgenommen am 21. März 2010 in Norwich, Vermont

Frost hebt (oder ein Frost heben) ist eine Aufwärtsquellung des Bodens unter Gefrierbedingungen, die durch eine zunehmende Anwesenheit von Eis verursacht wird, wenn es zur Oberfläche hin wächst, abwärts aus der Tiefe des Bodens, in der Gefriertemperaturen in den Boden eingedrungen sind (Gefrierfront oder Gefriergrenze). Das Eiswachstum erfordert eine Wasserversorgung, die in bestimmten Böden über Kapillarwirkung Wasser an die Gefrierfront liefert. Das Gewicht des darüber liegenden Bodens hemmt das vertikale Wachstum des Eises und kann die Bildung von linsenförmigen Eisflächen im Boden fördern. Die Kraft einer oder mehrerer wachsender Eislinsen reicht jedoch aus, um eine Bodenschicht von bis zu 1 Fuß (0,30 m) oder mehr anzuheben. Der Boden, durch den Wasser fließt, um die Bildung von Eislinsen zu speisen, muss ausreichend porös sein, um eine Kapillarwirkung zu ermöglichen, jedoch nicht so porös, dass die Kapillarkontinuität unterbrochen wird. Ein solcher Boden wird als “frostempfindlich” bezeichnet. Das Wachstum von Eislinsen verbraucht kontinuierlich das aufsteigende Wasser an der Gefrierfront.^[1][2] Differenzielle Frostwolken können Straßenoberflächen reißen – was zur Bildung von Schlaglöchern im Frühling beiträgt – und Gebäudefundamente beschädigen.^[3][4] In mechanisch gekühlten Kühlhäusern und Eisbahnen können Frostschübe auftreten.

Nadeleis ist im Wesentlichen eine Frostbewegung, die zu Beginn der Gefriersaison auftritt, bevor die Gefrierfront sehr weit in den Boden eingedrungen ist und es keine Bodenüberlastung gibt, die als Frostwolke angehoben werden könnte.^[5]

Mechanismen[edit]

Historisches Verständnis von Frost[edit]

Die Bildung von Eislinsen führt in kalten Klimazonen zu Frost.

Laut Beskow beschrieb Urban Hjärne (1641–1724) 1694 Frosteffekte im Boden.^{[a][5][6][7][8]} Bis 1930 hatte Stephen Taber (1882–1963), Leiter des Instituts für Geologie an der Universität von South Carolina (Columbia, South Carolina), die Hypothese widerlegt, dass Frostschwankungen auf die Ausdehnung des Molvolumens mit dem Einfrieren von Wasser zurückzuführen sind Boden vor dem Einsetzen von Temperaturen unter Null, dh mit geringem Beitrag durch die Migration von Wasser innerhalb des Bodens.

Da sich das Molvolumen von Wasser um etwa 9% ausdehnt, wenn es an seinem Massengefrierpunkt die Phase von Wasser zu Eis ändert, wären 9% die maximal mögliche Ausdehnung aufgrund der Ausdehnung des Molvolumens, und selbst dann nur, wenn das Eis seitlich starr begrenzt wäre im Boden, so dass die gesamte Volumenexpansion vertikal erfolgen musste. Eis ist unter Verbindungen ungewöhnlich, da es aus seinem flüssigen Zustand, Wasser, an Molvolumen zunimmt. Die meisten Verbindungen nehmen beim Volumenwechsel von flüssig zu fest ab. Taber zeigte, dass die vertikale Verschiebung des Bodens beim Erheben des Frosts signifikant größer sein kann als die aufgrund der Ausdehnung des Molvolumens.^[1]

Taber zeigte, dass flüssiges Wasser in Richtung Gefrierlinie im Boden wandert. Er zeigte, dass andere Flüssigkeiten wie Benzol, das sich beim Gefrieren zusammenzieht, ebenfalls Frost erzeugen.^[9] Dies schloss Molvolumenänderungen als dominanten Mechanismus für die vertikale Verschiebung von gefrierendem Boden aus. Seine Experimente zeigten ferner die Entwicklung von Eislinsen in Bodensäulen, die nur durch Abkühlen der oberen Oberfläche eingefroren wurden, wodurch ein Temperaturgradient hergestellt wurde.^[10][11][12]

Entwicklung von Eislinsen[edit]

Frost hebt auf einer ländlichen Vermont-Straße während des Frühlingsauftaus

Die Hauptursache für die Bodenverschiebung bei Frost ist die Entwicklung von Eislinsen. Während der Frostwolke wachsen eine oder mehrere bodenfreie Eislinsen und ihr Wachstum verdrängt den Boden über ihnen. Diese Linsen wachsen durch die kontinuierliche Zugabe von Wasser aus einer Grundwasserquelle, die sich tiefer im Boden und unterhalb der Gefrierlinie im Boden befindet. Das Vorhandensein von frostempfindlichem Boden mit einer Porenstruktur, die einen Kapillarfluss ermöglicht, ist wichtig, um die Eislinsen bei ihrer Bildung mit Wasser zu versorgen.

Aufgrund des Gibbs-Thomson-Effekts des Einschlusses von Flüssigkeiten in Poren kann Wasser im Boden bei einer Temperatur flüssig bleiben, die unter dem Gefrierpunkt des Wassers liegt. Sehr feine Poren haben eine sehr hohe Krümmung, und dies führt dazu, dass die flüssige Phase in solchen Medien bei Temperaturen, die manchmal mehrere zehn Grad unter dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit liegen, thermodynamisch stabil ist.^[13] Durch diesen Effekt kann Wasser durch den Boden in Richtung der Eislinse sickern und die Linse wachsen lassen.

Ein weiterer Wassertransporteffekt ist die Erhaltung einiger molekularer Schichten flüssigen Wassers auf der Oberfläche der Eislinse sowie zwischen Eis- und Bodenpartikeln. Faraday berichtete 1860 über die nicht gefrorene Schicht vorgeschmolzenen Wassers.
^[14] Eis schmilzt gegen seinen eigenen Dampf und in Kontakt mit Kieselsäure.^[15]

Prozesse im Mikromaßstab[edit]

Die gleichen intermolekularen Kräfte, die ein Vorschmelzen an Oberflächen verursachen, tragen dazu bei, dass der Frost auf der Partikelskala auf der Unterseite der sich bildenden Eislinse aufwirbelt. Wenn Eis ein feines Bodenpartikel beim Vorschmelzen umgibt, wird das Bodenpartikel innerhalb des Wärmegradienten nach unten in Richtung der warmen Richtung verschoben, da der dünne Wasserfilm, der das Partikel umgibt, schmilzt und wieder gefriert. Die Dicke eines solchen Films ist temperaturabhängig und auf der kälteren Seite des Partikels dünner.

Wasser hat in Schüttgaseis eine geringere thermodynamische freie Energie als im unterkühlten flüssigen Zustand. Daher wird das Wasser kontinuierlich von der warmen Seite zur kalten Seite des Partikels nachgefüllt und kontinuierlich geschmolzen, um den dickeren Film auf der warmen Seite wiederherzustellen. Das Teilchen wandert in einem von Faraday als “thermische Regelung” bezeichneten Prozess nach unten in Richtung des wärmeren Bodens.^[14] Dieser Effekt reinigt die Eislinsen, die sich bilden, indem sie feine Bodenpartikel abwehren. Somit kann ein 10-Nanometer-Film aus nicht gefrorenem Wasser um jedes mikrometergroße Bodenteilchen es 10 Mikrometer / Tag in einem Wärmegradienten von nur 1 ° C m bewegen⁻¹.^[15] Wenn Eislinsen wachsen, heben sie den Boden oben an und trennen Bodenpartikel unten ab, während sie durch Kapillarwirkung Wasser zur Gefrierfläche der Eislinse ziehen.

Frostempfindliche Böden[edit]

Teilweise geschmolzene und kollabierte Lithalsas (im Permafrost gefundene Hügel) haben ringförmige Strukturen auf dem Spitzbergen-Archipel hinterlassen

Das Heben von Frost erfordert einen frostempfindlichen Boden, eine kontinuierliche Wasserversorgung (ein Grundwasserspiegel) und Gefriertemperaturen, die in den Boden eindringen. Frostempfindliche Böden sind solche mit Porengrößen zwischen Partikeln und Partikeloberfläche, die den Kapillarfluss fördern. Schluffige und lehmige Bodentypen, die feine Partikel enthalten, sind Beispiele für frostempfindliche Böden. Viele Agenturen klassifizieren Materialien als frostempfindlich, wenn 10 Prozent oder mehr Partikelbestandteile durch ein 0,075 mm (Nr. 200) Sieb oder 3 Prozent oder mehr durch ein 0,02 mm (Nr. 635) Sieb passieren. Chamberlain berichtete über andere, direktere Methoden zur Messung der Frostanfälligkeit.^[16] Basierend auf solchen Untersuchungen existieren Standardtests, um die relative Anfälligkeit für Schwächung von Frost und Tauwetter in Böden zu bestimmen, die in Pflastersystemen verwendet werden, indem die Hubrate und das Auftauverhältnis mit Werten in einem etablierten Klassifizierungssystem für Böden verglichen werden, bei denen die Anfälligkeit für Frost ungewiss ist.^[17]

Nicht frostempfindliche Böden können zu dicht sein, um den Wasserfluss zu fördern (geringe hydraulische Leitfähigkeit), oder zu offen in der Porosität, um den Kapillarfluss zu fördern. Beispiele hierfür sind dichte Tone mit einer kleinen Porengröße und damit einer geringen hydraulischen Leitfähigkeit sowie saubere Sande und Kies, die geringe Mengen feiner Partikel enthalten und deren Porengrößen zu offen sind, um den Kapillarfluss zu fördern.^[18]

Landformen, die durch Frost erzeugt werden[edit]

Palsas (Heben von organisch reichen Böden in diskontinuierlichem Permafrost) können in alpinen Gebieten unterhalb des Mugi-Hügels am Mount Kenya gefunden werden.

Durch das Heben von Frost entstehen Landformen mit erhöhtem Boden in verschiedenen Geometrien, einschließlich Kreisen, Polygonen und Streifen, die in Böden, die reich an organischer Substanz sind, wie Torf oder Lithalsa, als Palsas bezeichnet werden können^[19] in mineralreicheren Böden.^[20] Ein Beispiel ist die steinige Lithalsa (gehobene Hügel), die auf dem Archipel von Spitzbergen gefunden wurde. Frostschübe treten in alpinen Regionen sogar in der Nähe des Äquators auf, wie Palsas auf dem Mount Kenya zeigen.^[21]

In arktischen Permafrostregionen kann eine verwandte Art von Boden, der sich über Hunderte von Jahren bewegt, Strukturen mit einer Höhe von bis zu 60 Metern, sogenannte Pingos, erzeugen, die von einer Grundwasserquelle gespeist werden, anstatt der Kapillarwirkung, die das Frostwachstum fördert hebt. Kryogene Erdhügel sind eine kleine Formation, die aus körniger Konvektion resultiert und in saisonal gefrorenem Boden auftritt und viele verschiedene Namen hat. in Nordamerika sind sie Erdhügel; thúfur in Grönland und Island; und Pounus in Fennoscandia.

Polygonale Formen, die offensichtlich durch Frost verursacht wurden, wurden in nahezu polaren Regionen des Mars von der Mars Orbiter Camera (MOC) an Bord des Mars Global Surveyor und der HiRISE-Kamera auf dem Mars Reconnaissance Orbiter beobachtet. Im Mai 2008 landete der Mars Phoenix Lander auf einer solchen polygonalen Frostlandschaft und entdeckte schnell Eis wenige Zentimeter unter der Oberfläche.

In gekühlten Gebäuden[edit]

Kühlhäuser und Eisbahnen, die bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gehalten werden, können den Boden unter ihren Fundamenten bis zu einer Tiefe von mehreren zehn Metern einfrieren. Saisonal gefrorene Gebäude, z. B. einige Eisbahnen, können dazu führen, dass der Boden auftaut und sich erholt, wenn sich das Gebäudeinnere erwärmt. Wenn das Fundament eines Kühlgebäudes auf frostempfindlichen Böden mit einem Grundwasserspiegel in Reichweite der Gefrierfront gelegt wird, können sich die Böden solcher Strukturen aufgrund der gleichen Mechanismen wie in der Natur heben. Solche Strukturen können entworfen werden, um solche Probleme zu vermeiden, indem mehrere Strategien getrennt oder zusammen angewendet werden. Die Strategien umfassen das Platzieren von nicht frostempfindlichem Boden unter dem Fundament, das Hinzufügen einer Isolierung, um das Eindringen der Gefrierfront zu verringern, und das Erhitzen des Bodens unter dem Gebäude ausreichend, um ein Gefrieren zu verhindern. Saisonal betriebene Eisbahnen können die Geschwindigkeit des Gefrierens unter der Oberfläche verringern, indem sie die Temperatur des Eises erhöhen.^[22]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Weiterführende Literatur[edit]

• Manz, Lothringen (Juli 2011), “Frost heben” (PDF), Geo Neuigkeiten, 32 (2): 18–24