Баротермический эффект

Материалы студентам и ученикам / Удивительная мерзлота / Баротермический эффект

Страница 1

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).

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.

Посмотрим внимательно на рис. 3, где ромбиками показаны фактические данные измерения температуры мерзлых пород в специально оборудованной термометрической скважине на севере Тюменской области. Эксперимент готовился очень тщательно, что обеспечило точность измерения в 0.01°С, так что сомнения в достоверности данных отпадают. Слой мерзлого грунта, залегающий в интервале глубин h = 140-240 м, перекрывается талым водонасыщенным прослоем толщиной около 50 м. Выше, до самой поверхности массива, лежит еще один слой мерзлой породы, который не показан на рисунке. Нижний слой мерзлоты образовался во время прошлых похолоданий климата, а последующие потепления вызвали оттаивание только верхней части массива. Грунт, оставшийся при этом в мерзлом состоянии, называется реликтовым.