Удивительная мерзлота (стр. 1 из 3)
Удивительная мерзлота
Давайте обсудим свойства удивительного природного образования - мерзлой породы. Основные компоненты рыхлых отложений - минеральные частички и вода, содержащая растворенные вещества в виде естественных примесей. Ясно, что химический состав компонентов мерзлой породы совпадает с составом исходной талой, из которой она образовалась. Первая неожиданность возникает при анализе физического состояния воды в мерзлой породе. Оказывается, такой грунт не вполне мерзлый: помимо льда в нем (вплоть до очень низких температур ” –70°С) всегда содержится определенное количество незамерзшей воды. Она находится в термодинамическом равновесии с внутригрунтовым льдом и способна течь, как обычная жидкость. Этот факт обнаружен в конце прошлого века шведским ученым П.Холмквистом и имеет фундаментальное значение для понимания очень многих природных явлений, происходящих в мерзлой толще. На первый взгляд, объяснить его можно наличием растворенных солей в поровой жидкости, понижающих температуру ее замерзания. Однако многочисленными исследованиями доказано, что присутствие солей имеет второстепенное значение. Даже в хорошо отмытых и заполненных дистиллированной водой грунтах значительная часть ее остается незамерзшей. Главная причина ее существования - действие особых сил взаимодействия молекул воды с минеральной поверхностью, причем не малую роль играет и кривизна последней [1]. Чем более дисперсна порода, тем более развита ее внутренняя поверхность и тем большее количество незамерзшей воды остается в породе при данной отрицательной температуре. Так, количество воды растет в ряду от песков к глинам. Эти же силы приводят к тому, что грунт остается в талом состоянии при температурах несколько ниже 0°С.
Ледяное древо
Что же может происходить с мерзлой породой, если в ней содержится незамерзшая вода? На рис. 1 приведена фотография ледяного тела - сплошного монокристалла, растущего на поверхности керамического тонкопористого фильтра. Фильтр помещен в стеклянную, заполненную водой U-образную трубку и виден на рисунке, как облачко, под основанием ледяного столбика. (Облачко наверху столбика - снежный комок, использованный как затравка на начальной стадии роста льда.) Верхняя часть фильтра вместе со льдом находятся при отрицательной температуре, а нижняя, соприкасающаяся с водой в трубке, - при положительной.
 | Рис. 1. Ледяной столбик, выращенный на поверхности керамического фильтра. |
Лед, подобно растению, высасывает воду из резервуара, поднимаясь все выше со скоростью несколько миллиметров в сутки. Можно попробовать воспрепятствовать росту льда, положив сверху гирьку, однако остановить движение не так просто. Оказывается, требуемая нагрузка при понижении температуры увеличивается с коэффициентом 13 атм/град. Для прекращения роста столбика льда с площадью основания 1 см2 при температуре –2°С надо положить 26-килограммовую гирю. Проводились эксперименты, в которых рост льда продолжался при нагрузке, соответствующей давлению 100 атм. Это огромная цифра. Она показывает, что при определенных условиях лед способен, как перышко, поднять любое мыслимое сооружение, нагрузка от которого обычно не превышает нескольких атмосфер. Не надо объяснять, сколь катастрофичными могут быть (и бывают!) последствия. Нагрузка, при которой прекращается рост, называется равновесной, поскольку лед находится в равновесии с водой в резервуаре. Превышение ее вызывает плавление льда и отток жидкости в колено трубки. Очень интересно, что величина нагрузки оказывается примерно в 10 раз ниже той, что необходима для равновесия объемных фаз воды и льда при данной температуре (что отвечает известному коэффициенту 130 атм/град). Это прямое проявление упомянутых поверхностных сил, действующих на контакте льда с минеральной поверхностью.
Вернемся, однако, к фотографии. Чтобы тело льда было прозрачным и не имело внутренних полостей, необходимо поступление воды из резервуара непосредственно к нижней поверхности столбика, контактирующей с фильтром. Но ведь верхняя часть фильтра также мерзлая. Как же происходит подача жидкости? Ответ довольно очевиден: вода поступает по незамерзающим коммуникациям фильтра - жидким пленкам и капиллярам. Однако внимательный читатель обнаружит еще одну загадку: ледяной столбик непрерывно продолжается в порах фильтра, где находится сложная корневая система - внутрипоровый лед. По мере роста столбика его масса перемещается вверх, и легко сообразить, что корневая система также подымается в том же направлении и с той же скоростью. При этом протяженность корневой системы по вертикали не меняется из-за постоянного намерзания льда снизу.
Как же возможно такое сплошное течение льда в порах, если их стенки имеют многочисленные выступы и неровности? Здесь мы сталкиваемся еще с одним удивительным явлением, которое продемонстрировал в конце позапрошлого века английский ученый Дж.Баттомли. Он медленно перерезал массивный блок льда с помощью обычной проволоки, но блок не распадался на куски, а оставался целым. Почему? Лед плавился на передней части проволоки, а оттекающая вода замерзала на ее тыльной стороне. Явление, при котором лед плавится в местах повышенных напряжений и затем замерзает в местах разгрузки, получило название режеляции [2]. Так, например, движутся ледники по каменистому, шероховатому ложу. Именно благодаря этому явлению и происходит перемещение внутрипорового льда через фильтр вслед за ледяным телом. Нетрудно понять, что для перетекания жидкости к тыльной стороне препятствия (например, проволоки) необходимо существование вокруг него пленки незамерзшей воды.
Мы подробно остановились на простом лабораторном эксперименте, чтобы выделить основные элементы и их причинно-следственные связи в данном процессе. Отметим их еще раз: поверхностные силы существенно изменяют условия термодинамического равновесия льда и воды в грунтах в сравнении с условиями, характерными для их объемных фаз. Это приводит к присутствию незамерзшей воды в равновесном состоянии при отрицательных температурах, которая способна течь, как обычная жидкость. В свою очередь становятся возможными процессы миграции влаги и перемещения льда внутри пористой матрицы за счет режеляции. Рост ледяных тел как на поверхности, так и внутри грунта происходит только при наличии этих двух процессов. Насос, вызывающий движение воды в сторону растущего льда, работает исключительно благодаря поверхностным силам, величина которых возрастает в направлении от теплой стороны фильтра к холодной.
Все это представляет качественную сторону явлений. Однако, чтобы прогнозировать развитие реальных процессов в природных условиях, необходимо установить строгие количественные связи между содержанием незамерзшей воды, температурой и давлением в среде, а также величинами соответствующих потоков тепла и массы. Их запись основана на тщательном анализе многочисленных экспериментов и требует привлечения фундаментальных понятий термодинамики, механики деформируемых тел, гидродинамики. В совокупности образуется целое направление, исследующее физику криогенных процессов, которые могут происходить в холодных регионах Земли и космосе. Вершина этой деятельности - математические модели процессов, позволяющие давать количественную оценку самых различных по масштабам и значению событий прошлого, настоящего и будущего. Роль моделей важна и для обоснованного проектирования инженерных сооружений.
Баротермический эффект
Вернемся к мерзлому грунту. Хорошо известно, что твердые тела при сжатии нагреваются. Происходит это вследствие перехода энергии деформации в тепло, а также за счет внутреннего трения элементов среды. Однако взгляните на диаграммы температурного хода для образцов мерзлых грунтов под нагрузкой (рис. 2).
| Рис. 2. Временной ход температуры мерзлого грунта при его нагружении и разгрузке. Слева - кривая для супеси пылеватой при начальной температуре te = –0.5°C, справа - для глины при te = –0.75°C. В обоих случаях внешняя нагрузка равна 3 МПа. |  |
Они показывают, что в момент нагружения температура грунта скачкообразно понижается и восстанавливается практически до исходного значения при снятии груза. Обратим внимание, что его величина в несколько раз меньше, чем требуется для плавления обычного куска льда при той же отрицательной температуре. Почему? Ответ легко можно получить, если мы вспомним, что на контакте с пористым телом лед плавится при существенно меньших нагрузках. Но для плавления необходимо подвести тепло, которое может быть взято только из внутренних запасов грунта, определяемых его теплоемкостью. Происходит охлаждение всей системы. Этот эффект назван баротермическим, поскольку связывает изменения давления и температуры в мерзлом грунте в процессе его сжатия [3].
Кроме того, важно, что выделяющаяся влага дренирует в специальную обойму из плотной промокательной бумаги, в которой расположен образец грунта. Бумага обладает очень тонкопористой структурой, и вода в ней не замерзает. Если же взять обойму из более грубого материала, то отжимаемая вода в ней замерзнет, а тепловой эффект от фазовых превращений исчезнет. В этом случае на первый план выйдут силы трения между частицами грунта, и температура образца несколько повысится. Это и происходит, например, в талых, а также мерзлых, но маловлажных грунтах. В последнем случае внутри грунта имеются многочисленные воздушные полости, в которые собирается отжатая вода и там вновь замерзает. Природные грунты, как правило, водонасыщены, и баротермический эффект проявляется в естественных условиях неожиданным образом.