تجمّد الصقيع

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
تشريح انتفاخ الصقيع أثناء ذوبان الجليد في الربيع. جانب انتفاخ بطول 15 سم (6 بوصات) بعد إزالة التربة للكشف (من الأسفل إلى الأعلى):
  • الجليد الإبري ، الذي اندفع من جبهة التجمد عبر التربة المسامية من مستوى المياه الجوفية في الأسفل
  • تربة غنية بالجليد متماسكة، والتي تعرضت لدورات التجمد والذوبان
  • التربة الذائبة في الأعلى
صورة فوتوغرافية التقطت في 21 مارس 2010 في نورويتش، فيرمونت

يُعرف انتفاخ التربة بفعل الصقيع (أو تمددها ) بأنه تضخم التربة إلى الأعلى أثناء ظروف التجمد، وينتج عن ازدياد كمية الجليد أثناء نموه نحو السطح، من العمق الذي وصلت إليه درجات الحرارة المتجمدة (جبهة التجمد أو حد التجمد). يتطلب نمو الجليد إمدادًا مائيًا ينقل الماء إلى جبهة التجمد عبر الخاصية الشعرية في أنواع معينة من التربة. يُعيق وزن التربة العلوية النمو الرأسي للجليد، وقد يُسهم في تكوين مناطق جليدية عدسية الشكل داخل التربة. ومع ذلك، فإن قوة عدسة جليدية واحدة أو أكثر كافية لرفع طبقة من التربة، تصل إلى 30 سم أو أكثر. يجب أن تكون التربة التي يمر الماء من خلالها لتغذية تكوين العدسات الجليدية مسامية بدرجة كافية للسماح بالخاصية الشعرية، ولكن ليس لدرجة قطع استمراريتها. تُسمى هذه التربة "التربة المعرضة للصقيع". يستهلك نمو العدسات الجليدية باستمرار الماء المتصاعد عند جبهة التجمد. [ 1 ] [ 2 ] يمكن أن يؤدي التفاوت في سماكة التربة بسبب الصقيع إلى تشقق أسطح الطرق ، مما يساهم في تكوين الحفر في فصل الربيع ، كما يمكن أن يلحق الضرر بأساسات المباني . [ 3 ] [ 4 ] قد تحدث سماكة التربة بسبب الصقيع في مباني التخزين البارد المبردة ميكانيكيًا وحلبات التزلج على الجليد .

يُعدّ الجليد الإبري في الأساس ظاهرة انتفاخ الصقيع التي تحدث في بداية موسم التجمد، قبل أن تخترق جبهة التجمد التربة بعمق كبير، وقبل أن يكون هناك غطاء ترابي يمكن رفعه كظاهرة انتفاخ الصقيع. [ 5 ]

الآليات

الفهم التاريخي لظاهرة تجمد التربة

تكوّن عدسات جليدية تؤدي إلى انتفاخ الصقيع في المناخات الباردة.

وصف أوربان هيرن تأثيرات الصقيع في التربة عام 1694. [ أ ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] وبحلول عام 1930، دحض ستيفن تابر، رئيس قسم الجيولوجيا في جامعة ساوث كارولينا ، الفرضية القائلة بأن ارتفاع الصقيع ينتج عن تمدد الحجم المولي مع تجمد الماء الموجود بالفعل في التربة قبل بدء درجات الحرارة تحت الصفر، أي مع مساهمة ضئيلة من هجرة الماء داخل التربة.

بما أن الحجم المولي للماء يتمدد بنحو 9% عند تحوله من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة عند درجة تجمده ، فإن 9% تمثل أقصى تمدد ممكن نتيجة لتمدد الحجم المولي، وحتى في هذه الحالة، يكون التمدد ممكنًا فقط إذا كان الجليد مقيدًا بشكل صارم جانبيًا في التربة بحيث يحدث التمدد الحجمي بالكامل رأسيًا. يُعد الجليد مركبًا غير عادي لأنه يزداد حجمه المولي من حالته السائلة، أي الماء . بينما ينقص حجم معظم المركبات عند تحولها من الحالة السائلة إلى الصلبة. وقد أظهر تابر أن الإزاحة الرأسية للتربة في حالة انتفاخ الصقيع قد تكون أكبر بكثير من تلك الناتجة عن تمدد الحجم المولي. [ 1 ]

أثبت تابر أن الماء السائل ينتقل باتجاه خط التجمد داخل التربة. كما بيّن أن سوائل أخرى، مثل البنزين ، الذي ينكمش عند تجمده، تُسبب أيضًا انتفاخًا جليديًا. [ 9 ] استبعد هذا تغيرات الحجم المولي كآلية رئيسية للإزاحة الرأسية للتربة المتجمدة. وأظهرت تجاربه كذلك تكوّن عدسات جليدية داخل أعمدة التربة التي تجمدت بتبريد سطحها العلوي فقط، مما أدى إلى تكوين تدرج حراري . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

تكوّن العدسات الجليدية

تشقق الصقيع على طريق ريفي في فيرمونت خلال ذوبان الجليد الربيعي

يُعدّ تكوّن العدسات الجليدية السبب الرئيسي لانزياح التربة في ظاهرة انتفاخ الصقيع . فخلال هذه الظاهرة، تتكوّن عدسة جليدية واحدة أو أكثر خالية من التربة، ويؤدي نموّها إلى إزاحة التربة التي تعلوها. وتنمو هذه العدسات نتيجةً للتدفّق المستمر للمياه من مصدر جوفي يقع في طبقات التربة السفلى، أسفل خط التجمّد. ويُعدّ وجود تربة قابلة للتجمّد ذات بنية مسامية تسمح بالتدفق الشعري أمرًا أساسيًا لتزويد العدسات الجليدية بالمياه أثناء تكوّنها.

بسبب تأثير جيبس-طومسون الناتج عن انحصار السوائل في المسام، يمكن للماء في التربة أن يبقى سائلاً عند درجة حرارة أقل من درجة تجمد الماء. تتميز المسام الدقيقة جدًا بانحناء عالٍ ، مما يجعل الطور السائل مستقرًا ديناميكيًا حراريًا في هذه الأوساط عند درجات حرارة قد تقل بعشرات الدرجات عن درجة تجمد السائل. [ 13 ] يسمح هذا التأثير للماء بالتسرب عبر التربة باتجاه عدسة الجليد، مما يُسهم في نمو هذه العدسة.

من بين تأثيرات نقل الماء الأخرى الحفاظ على طبقات جزيئية قليلة من الماء السائل على سطح عدسة الجليد، وبين جزيئات الجليد والتربة. وقد أشار فاراداي في عام 1860 إلى وجود طبقة غير متجمدة من الماء الذائب جزئيًا . [ 14 ] يذوب الجليد جزئيًا عند ملامسته لبخاره ، وعند ملامسته للسيليكا . [ 15 ]

العمليات على المستوى الميكروي

تساهم نفس القوى بين الجزيئية التي تُسبب الذوبان المُبكر على الأسطح في انتفاخ الصقيع على مستوى الجزيئات في الجانب السفلي من عدسة الجليد المتشكلة. عندما يُحيط الجليد بجزيء دقيق من التربة أثناء ذوبانه المُبكر، سينزاح جزيء التربة إلى الأسفل باتجاه الجزء الدافئ ضمن التدرج الحراري نتيجةً لذوبان وإعادة تجمد طبقة الماء الرقيقة المُحيطة به. يعتمد سُمك هذه الطبقة على درجة الحرارة، ويكون أقل سُمكًا على الجانب الأبرد من الجزيء.

يمتلك الماء طاقة حرة ديناميكية حرارية أقل في حالته الجليدية الصلبة مقارنةً بحالته السائلة فائقة التبريد. ولذلك، يحدث تجدد مستمر للماء المتدفق من الجانب الدافئ إلى الجانب البارد للجسيم، وذوبان مستمر لإعادة تكوين طبقة أكثر سمكًا على الجانب الدافئ. يهاجر الجسيم إلى أسفل باتجاه التربة الأكثر دفئًا في عملية أطلق عليها فاراداي اسم "إعادة التجميد الحراري". [ 14 ] تعمل هذه الظاهرة على تنقية العدسات الجليدية أثناء تشكلها عن طريق صد جزيئات التربة الدقيقة. وهكذا، يمكن لطبقة رقيقة من الماء غير المتجمد بسمك 10 نانومتر حول كل جسيم تربة بحجم ميكرومتر أن تحركه مسافة 10 ميكرومترات/يوم في تدرج حراري منخفض يصل إلى 1 درجة  مئوية  /متر . [ 15 ] مع نمو العدسات الجليدية، ترفع التربة فوقها، وتفصل جزيئات التربة تحتها، بينما تجذب الماء إلى سطح التجمد للعدسة الجليدية عبر الخاصية الشعرية.

التربة المعرضة للصقيع

خلّفت التلال الصخرية المنصهرة جزئيًا والمنهارة (التلال المرتفعة الموجودة في التربة الصقيعية ) هياكل حلقية الشكل في أرخبيل سفالبارد

يتطلب تجمد التربة وجود تربة قابلة للتجمد، وإمداد مستمر بالمياه الجوفية ( مستوى المياه الجوفية )، ودرجات حرارة متجمدة تخترق التربة. التربة القابلة للتجمد هي تلك التي تتميز بمسامات بين جزيئاتها ومساحة سطحية تسمح بالتدفق الشعري . ومن أمثلة هذه التربة الطميية والطينية ، التي تحتوي على جزيئات دقيقة. تصنف العديد من الجهات المواد على أنها قابلة للتجمد إذا مرّ 10% أو أكثر من جزيئاتها عبر منخل  بفتحات 0.075 مم (رقم 200)، أو 3% أو أكثر عبر  منخل بفتحات 0.02 مم (رقم 635). وقد أشار تشامبرلين إلى طرق أخرى أكثر مباشرة لقياس قابلية التربة للتجمد. [ 16 ] بناءً على هذه الأبحاث، توجد اختبارات معيارية لتحديد مدى تأثر التربة المستخدمة في أنظمة الرصف بتأثيرات الصقيع والذوبان، وذلك بمقارنة معدل التمدد ونسبة تحمل التربة بعد الذوبان مع القيم الموجودة في نظام تصنيف معتمد للتربة التي يكون فيها تأثرها بالصقيع غير مؤكد. [ 17 ]

قد تكون التربة غير المعرضة للصقيع كثيفة جدًا بحيث لا تسمح بتدفق الماء (انخفاض الموصلية الهيدروليكية)، أو مسامية جدًا بحيث لا تسمح بالتدفق الشعري. ومن الأمثلة على ذلك الطين الكثيف ذو المسام الصغيرة، وبالتالي ذو الموصلية الهيدروليكية المنخفضة، والرمال والحصى النظيفة التي تحتوي على كميات قليلة من الجزيئات الدقيقة، والتي تكون مسامها واسعة جدًا بحيث لا تسمح بالتدفق الشعري. [ 18 ]

التضاريس الناتجة عن تجمد التربة

يمكن العثور على ظاهرة البالساس (ارتفاع التربة الغنية بالمواد العضوية في التربة الصقيعية المتقطعة) في المناطق الجبلية أسفل تل موغي على جبل كينيا.

يُؤدي تجمد التربة إلى تكوين تضاريس مرتفعة بأشكال هندسية متنوعة، تشمل الدوائر والمضلعات والخطوط، والتي يُمكن وصفها بأنها " بالساس" في التربة الغنية بالمواد العضوية، مثل الخث، أو "ليثالسا" [ 19 ] في التربة الأكثر غنىً بالمعادن. [ 20 ] وتُعد الليثالسا الحجرية (التلال المرتفعة) الموجودة في أرخبيل سفالبارد مثالًا على ذلك. ويحدث تجمد التربة في المناطق الجبلية، حتى بالقرب من خط الاستواء ، كما يتضح من "البالساس" على جبل كينيا . [ 21 ]

في مناطق التربة الصقيعية في القطب الشمالي ، يمكن لنوع مشابه من انتفاخ الأرض على مدى مئات السنين أن يُشكّل هياكل يصل ارتفاعها إلى 60 مترًا، تُعرف باسم "بينغو" ، والتي تتغذى من تدفق المياه الجوفية، بدلًا من الخاصية الشعرية التي تُغذي نمو انتفاخات الصقيع. أما التلال الأرضية المتجمدة فهي تكوينات صغيرة ناتجة عن الحمل الحراري الحبيبي ، وتظهر في التربة المتجمدة موسميًا، ولها أسماء عديدة؛ ففي أمريكا الشمالية تُسمى "تلال أرضية"، وفي غرينلاند وأيسلندا تُسمى "ثوفور "، وفي فنلندا والدول الاسكندنافية تُسمى "بونوس" .

رصدت كاميرا مدار المريخ (MOC) على متن مركبة مارس غلوبال سيرفيور وكاميرا HiRISE على متن مركبة مارس ريكونيسانس أوربيتر أشكالًا مضلعة ناتجة على ما يبدو عن تجمد التربة في المناطق شبه القطبية من المريخ . وفي مايو 2008، هبطت مركبة مارس فينيكس على سطح أرضي مضلع ناتج عن تجمد التربة، وسرعان ما اكتشفت وجود جليد على بعد بضعة سنتيمترات تحت السطح.

في المباني المبردة

قد تتسبب مباني التخزين البارد وحلبات التزلج على الجليد التي تُحفظ في درجات حرارة دون الصفر في تجميد التربة أسفل أساساتها إلى عمق عشرات الأمتار. أما المباني التي تُجمد موسمياً، كبعض حلبات التزلج، فقد تسمح للتربة بالذوبان والتعافي عند تدفئة المبنى من الداخل. إذا وُضع أساس مبنى مُبرد على تربة مُعرضة للصقيع مع وجود منسوب مياه جوفية قريب من جبهة التجمد، فقد ترتفع أرضيات هذه المباني، نتيجةً لنفس الآليات الموجودة في الطبيعة. يمكن تصميم هذه المباني لتجنب هذه المشاكل من خلال استخدام عدة استراتيجيات، منفردة أو مجتمعة. تشمل هذه الاستراتيجيات وضع تربة غير مُعرضة للصقيع أسفل الأساس، وإضافة عازل لتقليل اختراق جبهة التجمد، وتسخين التربة أسفل المبنى بشكل كافٍ لمنعها من التجمد. يمكن لحلبات التزلج التي تُشغل موسمياً الحد من معدل التجمد تحت السطح عن طريق رفع درجة حرارة الجليد. [ 22 ]

انظر أيضاً

الحواشي التوضيحية

  1. ↑ في القسم الثاني من كتابه، بعنوان " حول التربة والمناظر الطبيعية بشكل عام"، يذكر هيارن ظاهرة "قذف الأرض" أو "رفع الأرض"، حيث تظهر بعد ذوبان الجليد في الربيع قطع كبيرة من العشب وكأنها قد انتُزعت من الأرض وقُذفت: "3. هل يرى المرء في أماكن أخرى في السويد وفنلندا وأيسلندا، وما إلى ذلك، كما حدث في أوبلاند وفي ناركه في أبرشية فيبي، فالبي الملكية، أن الأرض نفسها مع العشب وكل شيء [مُقطّع إلى قطع] يصل طولها وعرضها إلى بضعة أذرع قد قُذفت إلى أعلى وهو ما لم يستطع 20 رجلاً أو أكثر القيام به، وتُترك حفرة كبيرة بعد ذلك." ( 3. رؤية أوتر أخرى في سويريج / فنلندا الشرقية وأرض الحياة / وما إلى ذلك. من خلال التواجد في المرتفعات / وناريكي في Wijby Sochn / Kongz Wallby / في الأردن على طول Torff وكل شيء على طول Alnars Långd وتربية 20 شخصًا أو أكثر من كارلار tekeتلميح göra / och en stoor Graff effter sig lemnat ) Urban Hjärne, Een kort Anledning to åtskillige Malm- och Bergarters, Mineralis, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande [دليل موجز لاكتشاف وتحديد. أنواع مختلفة [من الخامات والجبال والمعادن والنباتات والتربة، بالإضافة إلى العديد من الأشياء غير المألوفة] (ستوكهولم، السويد: 1694). متاح على الإنترنت في: المكتبة الوطنية السويدية .

مراجع

  1. 1 2 تابر، ستيفن (1929). "تمدد الصقيع" (ملف PDF) . مجلة الجيولوجيا . 37 (5): 428-461 . Bibcode : 1929JG.....37..428T . doi : 10.1086/623637 . S2CID 224836578. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-04-08 . تم الاسترجاع بتاريخ 2010-03-24 . 
  2. ↑ ريمبل، أ. و.؛ ويتلاوفر، ج. س.؛ وورستر، م. ج. (2001). "الانصهار المسبق بين الأسطح والقوة الحرارية الجزيئية: الطفو الديناميكي الحراري". رسائل المراجعة الفيزيائية . 87 (8) 088501. رمز Bibcode : 2001PhRvL..87h8501R . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501 . PMID 11497990 . 
  3. ↑ هيئة النقل في كيبيك (2007). "قصة رصف الطرق في كيبيك" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 مارس 2010 .
  4. ↑ ويديانتو؛ هايلينمان، جلين؛ أوين، جيري؛ فينتي، خافيير (2009). "تصميم الأساسات لمقاومة تجمد التربة". هندسة المناطق الباردة 2009. ص 599-608 . doi : 10.1061/41072(359)58 . ISBN  978-0-7844-1072-1.
  5. 1 2 بيسكو، غونار (1935). "انتفاخ التربة وانتفاخ الصقيع مع تطبيق خاص على الطرق والسكك الحديدية" (ملف PDF) . الجمعية الجيولوجية السويدية (30). ترجمة أوستربيرغ، JO. مؤرشف من الأصل في 2013-04-08 . تم الاسترجاع في 2010-03-24 .
  6. ^ سجوجرن، هجلمار (1903) “Om ett “jordkast” vid Glumstorp i Värmland och om dylika företeelser beskrivna av Urban Hiärne” (حول “صب الأرض” في Glumstorp في Värmland وعلى مثل هذه الظواهر التي وصفها Urban Hiärne)، Arkiv för matematik, astronom och فيسيك ، ١  : ٧٥-٩٩.
  7. ^ هجارني، أوربان (1694). "Een kort Anledning until åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande" [ دليل موجز لاكتشاف وتحديد أنواع مختلفة من الخامات والجبال والمعادن والنباتات والتربة، بالإضافة إلى العديد من الأشياء غير العادية ] (باللغة السويدية). ستوكهولم.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  8. ↑ باتريك ب. بلاك ومارك ج. هاردنبرغ، محرران، تقرير خاص 91-23: وجهات نظر تاريخية في أبحاث ارتفاع الصقيع: الأعمال المبكرة لـ س. تابر وج. بيسكو (هانوفر، نيو هامبشاير: فيلق مهندسي الجيش الأمريكي: مختبر أبحاث وهندسة المناطق الباردة، 1991).
  9. ↑ تابر، ستيفن (1930). "آليات تمدد الصقيع" (ملف PDF) . مجلة الجيولوجيا . 38 (4): 303-317 . Bibcode : 1930JG.....38..303T . doi : 10.1086/623720 . S2CID 129655820. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-04-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2010-03-24 . 
  10. ↑ بيل، روبن إي. (27 أبريل 2008). "دور المياه الجوفية في توازن كتلة الغطاء الجليدي". مجلة نيتشر للعلوم الجيولوجية . 1 (5802): 297-304 . Bibcode : 2008NatGe...1..297B . doi : 10.1038/ngeo186 .
  11. ↑ مورتون، جوليان ب.؛ بيترسون، روريك؛ أوزوف، جان كلود (17 نوفمبر 2006). "تصدع الصخور الأساسية بفعل انفصال الجليد في المناطق الباردة". مجلة ساينس . 314 (5802): 1127-1129 . Bibcode : 2006Sci...314.1127M . doi : 10.1126/science.1132127 . PMID 17110573. S2CID 37639112 .  
  12. ↑ داش، ج.؛ أ. و. ريمبل؛ ج. س. ويتلاوفر (2006). "فيزياء الجليد المُذاب مسبقًا وعواقبه الجيوفيزيائية". مجلة الفيزياء الحديثة ، 78 (695). الجمعية الفيزيائية الأمريكية : 695. رمز Bibcode : 2006RvMP...78..695D . CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . doi : 10.1103/RevModPhys.78.695 . 
  13. ↑ جون تيندال (1858) "حول بعض الخصائص الفيزيائية للجليد"، المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن ، 148  : 211-229. ملخص في: تيندال، ج. (1858). "حول بعض الخصائص الفيزيائية للجليد" . وقائع الجمعية الملكية في لندن . 9 : 76-80 . doi : 10.1098/rspl.1857.0011 . S2CID 186210972 . 
  14. 1 2 فاراداي، م. (1860). "ملاحظة حول التنظيم". وقائع الجمعية الملكية في لندن . 10 : 440-450 . doi : 10.1098/rspl.1859.0082 . S2CID 136019935 . 
  15. 1 2 ريمبل، أ. و.؛ ويتلاوفر، ج. س.؛ وورستر، م. ج. (2004). "ديناميكيات ما قبل الذوبان في نموذج متصل لتمدد الصقيع". مجلة ميكانيكا الموائع . 498 : 227-244 . Bibcode : 2004JFM...498..227R . doi : 10.1017/S0022112003006761 . S2CID 17061621 . 
  16. ↑ تشامبرلين، إدوين ج. (ديسمبر 1981). "حساسية التربة للصقيع، مراجعة لاختبارات المؤشر". هانوفر، نيو هامبشاير: مختبر أبحاث وهندسة المناطق الباردة. ADA111752.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  17. ↑ ASTM، اللجنة الفرعية: D18.19 (2013)، "طرق الاختبار القياسية لحساسية التربة لتجمد التربة وذوبانها" ، كتاب معايير ASTM ، 04 (9).{{citation}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  18. ↑ مونش، ستيف (6 نوفمبر 2006). "الرصيف التفاعلي - تأثير الصقيع" . تم الاسترجاع في 24 مارس 2010 .
  19. ↑ بيسارت، أ.؛ تيلمان، سارت (2002). "بالساس، وليثالساس، وبقايا هذه التلال الجليدية. تقرير مرحلي". التقدم في الجغرافيا الفيزيائية . 26 (4): 605-621 . Bibcode : 2002PrPG...26..605P . doi : 10.1191/0309133302pp354ra . hdl : 2268/248951 . S2CID 140583281 . 
  20. ↑ دي شوتر، بول (2005-12-03). "Palsas & Lithalsas" . مؤرشف من الأصل في 2011-07-27 . تم الاسترجاع في 2010-03-10 .
  21. ↑ بيكر، بي إتش (1967). جيولوجيا منطقة جبل كينيا؛ ورقة درجات 44 الربع الشمالي الغربي (مع خريطة ملونة) . نيروبي: هيئة المسح الجيولوجي الكينية.
  22. ↑ براون، دبليو جي (يناير 1965)، تمدد الصقيع في حلبات التزلج على الجليد ومباني التخزين البارد ، CBD-61، مجلس البحوث الكندي ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2018-01-05

للمزيد من القراءة