Реферати українською » География » Дивовижна мерзлота


Реферат Дивовижна мерзлота

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Давайте обговоримо властивості дивного природного освіти - мерзлої породи. Основні компоненти пухких відкладень - мінеральні частинки і вода, яка містить розчинені речовини як природних домішок. Зрозуміло, що хімічний склад компонентів мерзлої породи збігаються з складом вихідної талої, з якої вона утворилася. Перша несподіванка виникає під час аналізу фізичного стану води в мерзлої породі. Виявляється, такий грунт недостатньо мерзлий: крім льоду у ньому (до низьких температур ” –70 °С) завжди міститься певну кількість некрижаної води. Вона в термодинамическом рівновазі з внутригрунтовым льодом і спроможна текти, як звичайна рідина. Це виявлено наприкінці уже минулого століття шведським ученим П.Холмквистом і має фундаментальне значення розуміння дуже багатьох природних явищ, які у мерзлої товщі. На погляд, пояснити може бути наявністю розчинених солей в поровой рідини, знижувальних температуру її замерзання. Проте численними дослідженнями доведено, що солей має другорядне значення. Навіть у добре відмитих і заповнених дистильованої водою грунтах значна її залишається некрижаної. Головна причина її існування - дію особливих сил взаємодії молекул води з мінеральної поверхнею, причому не малу роль відіграє й кривизна останньої [1]. Чим більше дисперсна порода, тим паче розвинена її внутрішня поверхню й тим більше некрижаної води залишається в породі при даної негативною температурі. Так, кількість води зростає у ряду від пісків до глинам. Ці самі сили призводять до того, що грунт залишається в талом стані при високих температурах трохи нижче 0°С.

Ледяное древо

Що може відбуватися не з мерзлої породою, тоді як собі містить незамерзшая вода? На рис. 1 приведено фотографія крижаного тіла - суцільного монокристала, зростаючого лежить на поверхні керамічного тонкопористого фільтра. Фільтр поміщений у скляну, заповнену водою U-образную трубку і видно малюнку, як хмарина, під підставою крижаного стовпчика. (Облачко нагорі стовпчика - сніжний клубок, використаний як запал у початковій стадії зростання льоду.) Верхня частина фільтра разом із льодом перебувають при негативною температурі, а нижня, стична із жовтою водою у трубці, - при позитивної.
 

Рис. 1. Крижаний стовпчик, вирощений лежить на поверхні 
керамічного фільтра.

Крига, подібно рослині, висмоктує воду з резервуара, піднімаючись усі наведені вище зі швидкістю кілька міліметрів на добу. Можна спробувати перешкодити зростанню льоду, поклавши згори гирьку, проте зупинити рух непросто. Виявляється, необхідна навантаження при зниженні температури збільшується з коефіцієнтом 13 атм/град. Для припинення зростання стовпчика льоду з майданом підстави 1 див2 за нормальної температури –2 °С треба покласти 26-килограммовую гирю. Проводилися експерименти, у яких зростання льоду тривав при навантаженні, відповідної тиску 100 атм. Це величезна цифра. Вона показує, що з певних умов лід здатний, як пір'їнку, підняти будь-яке мислиме спорудження, навантаження від якої звичайно більше кількох атмосфер. Не треба пояснювати, як катастрофичными може бути (трапляються!) наслідки. Навантаження, коли він припиняється зростання, називається рівноважної, оскільки лід перебуває у рівновазі із жовтою водою в резервуарі. Перевищення її викликає плавлення криги й відтік рідини в коліно трубки. Дуже цікаво, що обсяг навантаження виявляється приблизно 10 разів менше тій, котру необхідна для рівноваги об'ємних фаз води та льоду при даної температурі (який відповідає відомому коефіцієнта 130 атм/град). Ця пряма прояв згаданих поверхневих сил, діючих на контакті льоду з мінеральної поверхнею.

Повернімося, проте, до фотографії. Щоб тіло льоду було прозорим, і не мало внутрішніх порожнин, необхідно надходження води з резервуара безпосередньо до нижньої поверхні стовпчика, контактують із фільтром. Однак верхня частина фільтра також мерзла. Які ж відбувається подача рідини? Відповідь досить очевидний: вода надходить по незамерзающим комунікацій фільтра - рідким плівкам і капілярам. Проте уважний читач знайде ще одне загадку: крижаної стовпчик безупинно триває в порах фільтра, де знаходиться складна коренева система - внутрипоровый лід. В міру зростання стовпчика його маса переміщається вгору, і легко зметикувати, що коренева система також піднімається у тому напрямку і з тією ж швидкістю. У цьому протяжність кореневої системи з вертикалі не змінюється з постійного намерзания льоду знизу.

Які ж можливе таке суцільне протягом льоду в порах, якщо її стінку мають численні виступи і нерівності? Тут ми бачимо ще з однією дивовижним явищем, яке продемонстрував наприкінці позаминулого століття англійський учений Дж.Баттомли. Він повільно перерізав масивний блок льоду з допомогою звичайній дроту, але блок не розпадався на шматки, а залишався цілим. Чому? Крига плавився на передній частини дроту, а оттекающая вода замерзала їхньому зворотному боці. Явище, у якому лід плавиться у місцях підвищених напруг і далі замерзає у місцях розвантаження, одержало назву режеляции [2]. Приміром, рухаються льодовики по кам'янистому, шероховатому ложу. Саме таким чином явища й відбувається переміщення внутрипорового льоду через фільтр за крижаним тілом. Неважко зрозуміти, що з перетікання рідини до задньої боці перешкоди (наприклад, дроту) необхідно існування навколо неї плівки некрижаної води.

Ми докладно зупинилися простою лабораторному експерименті, щоб виділити основні елементи та його причинно-наслідкових зв'язків до цього процесу. Зазначимо їх вкотре: поверхневі сили істотно змінюють умови термодинамічної рівноваги криги й води в грунтах тоді як умовами, притаманними їх об'ємних фаз. Це спричиняє присутності некрижаної води в равновесном стані при негативних температурах, що може текти, як звичайна рідина. Натомість стають можливими процеси міграції вологи і переміщення льоду всередині пористої матриці з допомогою режеляции. Зростання крижаних тіл як у поверхні, і всередині грунту відбувається за наявності цих двох процесів. Насос, викликає рух води убік зростаючого льоду, працює завдяки поверховим силам, розмір яких зростає у напрямі від теплою боку фільтра до холодної.

Усе це представляє якісну бік явищ. Проте, щоб прогнозувати розвиток реальних процесів у природних умовах, необхідно встановити суворі кількісні зв'язок між змістом некрижаної води, температурою і тиском серед, і навіть величинами відповідних потоків тепла і українськомовні маси. Їх запис полягає в ретельному аналізі численних експериментів і вимагає залучення фундаментальних понять термодинаміки, механіки деформируемых тіл, гідродинаміці. Спільно утворюється цілий напрям, що досліджує фізику кріогенних процесів, що відбуватимуться по холодних регіонах Землі та космосі. Вершина цієї бурхливої діяльності - математичні моделі процесів, дозволяють давати кількісну оцінку найрізноманітніших який масштабами та значенням подій минулого, сьогодення й майбутнього. Роль моделей важлива й для обгрунтованого проектування інженерних споруд.

Баротермический ефект

Повернімося до мерзлому грунту. Відомо, що тверді тіла при стисканні нагріваються. Відбувається це внаслідок переходу енергії деформації в тепло, і навіть з допомогою внутрішнього тертя елементів середовища. Проте погляньте на діаграми температурного ходу для зразків мерзлих грунтів під навантаженням (рис. 2).
 

Рис. 2. Часовий хід температури мерзлого грунту за його нагружении і розвантаженні. Зліва - крива для супеси пылеватой при початковій температурі te = –0.5°C, справа - для глини при te = –0.75°C. У обох випадках зовнішня навантаження дорівнює 3 МПа.

Вони показують, зараз навантаження температура грунту стрибкоподібно знижується і відновлюється практично до вихідного значення під час зняття вантажу. Зазначимо, що його величина у кілька разів менше, ніж потрібно плавлення звичайного шматка льоду за тієї ж негативною температурі. Чому? Відповідь легко можна отримати роботу, якщо ми згадаємо, що у контакту з пористим тілом лід плавиться при істотно менших навантаженнях. Для плавлення необхідно підвести тепло, що може бути взято тільки з внутрішніх запасів грунту, визначених його теплоемкостью. Відбувається охолодження всієї системи. Цей ефект названо баротермическим, оскільки пов'язує зміни тиску і температури в мерзлому грунті у його стискування [3].

З іншого боку, важливо, що выделяющаяся волога дренирует у спеціальний обойму з щільною промокальної папери, у якій розташований зразок грунту. Папір має дуже тонкопористой структурою, і вода у ній не замерзає. Якщо ж взяти обойму з більш грубого матеріалу, то отжимаемая вода у ній змерзне, а парниковий ефект від фазових перетворень зникне. І тут першому плані вийдуть сили тертя між частинками грунту, і температура зразка кілька підвищиться. І це відбувається, наприклад, в талих, і навіть мерзлих, але маловлажных грунтах. У разі всередині грунту є численні повітряні порожнини, у яких збирається отжатая вода де він знову замерзає. Природні грунти, зазвичай, водонасыщены, і баротермический ефект проявляється у природних умовах у несподіваний спосіб.

Подивимося уважно на рис. 3, де ромбиками показані фактичні ці виміри температури мерзлих порід у спеціально обладнаної термометрической свердловині північ від Тюменської області. Експеримент готувався дуже уважно, що дало точність виміру перетворилася на 0.01°С, отже сумнів у достовірності даних відпадають. Шар мерзлого грунту, що залягає в інтервалі глибин h = 140-240 м, перекривається поталим водонасыщенным прослоем завтовшки близько 50 м. Вище, аж до поверхні масиву, лежить іще одна шар мерзлої породи, який показаний малюнку. Нижній шар мерзлоти утворився під час попередніх похолодань клімату, а наступні потепління викликали відтавання лише верхню частину масиву. Грунт, що залишилося причому у мерзлому стані, називається реліктовим.
 

Рис. 3. Фактичне розподіл температури мерзлих порід (чорні ромбики) по свердловині, обладнаної північ від Тюменської обл., та її динаміка з вытаивания льоду обсягом реліктового шару (за результатами модельних розрахунків). 1 - початкова рівноважний розподіл, 2 - через100 багатьох років після початку процесу, 3 - через 500 років, 4 - через 1000 років.

Наступне похолодання спричинило створення верхнього шару мерзлих порід, який, проте, не досяг покрівлі нижнього шару мерзлоти. Кліматичні трансформації тривали кілька тисячоліть. За настільки значна час температура всередині реліктового шару мала встановитися відповідно до умовами термодинамічної рівноваги в товщі. Равновесная крива (1) на рис. 3 має нахил через вплив гідростатичного тиску точку фазового рівноваги води в мерзлому грунті. Значне відхилення фактичних даних від кривою рівноваги можна вважати цілком несподіваним. Реліктовий шар виявляється охолодженим нижче рівноважної температури, як і раніше, що розташований між двома талими утвореннями, мають позитивну температуру. У цьому було б побачити навіть порушення другого початку термодинаміки. Какое-либо традиційне пояснення такого розподілу температури практично неможливо. Наприклад, можна припустити якесь специфічне розподіл концентрації розчинених солей в поровом розчині, які знімали б, крапку рівноваги фаз в пласті. Проте автори спостережень підкреслюють, що мінералізація ґрунтовий води надзвичайно мала і впливає криву рівноваги. Не минають і інші докази, зокрема засновані на коливаннях температури поверхні масиву з існування потужного талика над реліктовим шаром.

Відповідь питанням міститься у діаграмах рис. 2 і аналізі освіти реліктового шару. У період потепління, коли верхній шар грунту відтавав, нижній мерзлий - нагрівався. Якогось моменту навантаження від вышележащей товщі стала перевищувати рівноважний значення для внутригрунтового льоду, який за нижчих температурах був у термодинамическом рівновазі із навколишньою породою. (Підвищення навантаження від верхнього шару є результатом ослаблення стримуючого впливу мерзлого грунту, сили зчеплення частинок якого слабшають на підвищення температури.) Відтоді лід скресла, що й спричинило до охолодження масиву. Плавление льоду всього обсягу реліктового шару протікає надто повільно, і бачимо розподіл температури може зберігатися багато сотень й однієї тисячі років.

Суворі рівняння, які наші міркування на площину кількісних розрахунків, підтверджують цей висновок. Криві 2-4 на рис. 3, отримані розрахунковим шляхом, показують, як тривалим може бути цей процес. Важливо тут і те, що вытаивающая рідина рухається по незамерзающим комунікацій мерзлого грунту на талі освіти з обидві сторони реліктового шару. Цікаво, як чуйно реагує мерзлий масив зміну зовнішніх умов у відповідність до загальним принципом Ле Шателье. Потепління клімату викликає охолодження масиву!

Слоистость - пам'ять про минуле

Розглянемо ще одне найцікавіше явище, супутнє процесу промерзання грунту. На рис. 4 показано колонка грунту після промерзання в лабораторних умовах. Нижнє підставу колонки під час досвіду перебував у контакту з джерелом води. Талый грунт зберігся у нижній частині колонки і знову залишився цілком однорідним. Промерзшая ж його частина дуже змінилася: утворилася чітко виражена слоистость. Прошарки мерзлого грунту перемежовуються лінзами чистого льоду, товщина змінюється з глибиною цілком належним чином.
 

Рис. 4. Криогенная текстура грунту, отримана до лабораторій.

Картина шаруватості - текстура мерзлого грунту - виявляється пов'язану зі властивостями грунту та умовами його промерзання. Наприклад, при певних умов для грунту такого типу товщина крижаних лінз може перевищити висоту початковій талої колонки. Взагалі ж із текстурі мерзлого грунту за принципі відновити температурні умови його промерзання. Таку слоистость ми й у природних товщах мерзлої породи. Вона простежується до дуже великих глибин - 100-150 м. Максимальна ж товщина крижаних лінз зокрема у верхніх 10-40 м. Нижче їх товщина монотонно знижується, а відстань між лінзами збільшується. Досить часто у верхніх шарах мерзлого грунту виявляються верстви льоду завтовшки від одиниць за кілька десятків метрів.

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація