Дивовижна мерзлота

Давайте обговоримо властивості дивовижного природного утворення - мерзлій породи. Основні компоненти пухких відкладень -- мінеральні частинки і вода, що містить розчинені речовини у вигляді природних домішок. Ясно, що хімічний склад компонентів мерзлій породи збігається зі складом вихідної талої, з якої вона утворилася. Перша несподіванка виникає при аналізі фізичного стану води в мерзлій породу. Виявляється, такий грунт не цілком мерзлий: крім льоду в ньому (аж до дуже низьких температур "-70 ° С) завжди містить певну кількість незамерзаючих води. Вона знаходиться в термодинамічній рівновазі з внутрігрунтовим льодом і здатна текти, як звичайна рідина. Цей факт виявлений в кінці минулого століття шведським вченим П. Холмквістом і має фундаментальне значення для розуміння дуже багатьох природних явищ, що відбуваються в мерзлій товщі. На перший погляд, його можна пояснити наявністю розчинених солей у поровое рідини, що знижують температуру її замерзання. Проте численними дослідженнями доведено, що присутність солей має другорядне значення. Навіть в добре відмитих і заповнених дистильованої водою грунтах значна частина її залишається незамерзаючих. Головна причина її існування - дія особливих сил взаємодії молекул води з мінеральною поверхнею, причому не малу роль відіграє і кривизна останньої [1]. Чим більше дисперсно порода, тим більше розвинена її внутрішня поверхня і тим більша кількість незамерзаючих води залишається в породі при даній негативною температурі. Так, кількість води зростає в ряду від пісків до глин. Ці ж сили призводять до того, що грунт залишається в талому стані при температурах трохи нижче 0 ° С.

Крижане дерево

Що ж може відбуватися з мерзлій породою, якщо в ній міститься незамерзаючих вода? На рис. 1 наведена малюнок крижаного тіла - суцільного монокристалу, що росте на поверхні керамічного тонкопорістого фільтра. Фільтр поміщений в скляну, заповнену водою U-образну трубку і видно на малюнку, як хмарка, під основою крижаного стовпчика. (Облачко нагорі стовпчики - снігова грудка, використаний як запал на початковій стадії росту льоду.) Верхня частина фільтра разом з льодом знаходяться при негативній температурі, а нижня, стикається з водою в трубці, - при позитивній.
                   Рис. 1. Крижаний стовпчик, вирощений на поверхні
керамічного фільтра.     

Лід, подібно рослині, висмоктує воду з резервуара, піднімаючись все вище зі швидкістю кілька міліметрів на добу. Можна спробувати перешкодити зростанню льоду, поклавши зверху гирку, однак зупинити рух не так просто. Виявляється, необхідна навантаження при зниження температури збільшується з коефіцієнтом 13 атм/град. Для припинення зростання стовпчика льоду з площею підстави 1 см2 при температурі -2 ° С треба покласти 26-кілограмову гирю. Проводилися експерименти, в яких зростання льоду тривав при навантаженні, що відповідає тиску 100 атм. Це величезна цифра. Вона показує, що за певних умов лід здатний, як пір'ячко, підняти будь-яке мислиме споруда, навантаження від якого зазвичай не перевищує кількох атмосфер. Не треба пояснювати, наскільки катастрофічними можуть бути (і бувають!) Наслідки. Навантаження, при якій припиняється ріст, називається рівноважної, оскільки лід знаходиться в рівновазі з водою в резервуарі. Перевищення її викликає плавлення льоду і відтік рідини в коліно трубки. Дуже цікаво, що величина навантаження виявляється приблизно в 10 разів нижче тієї, що необхідна для рівноваги об'ємних фаз води і льоду при даній температурі (що відповідає відомому коефіцієнту 130 атм/град). Це пряме прояв згаданих поверхневих сил, що діють на контакті льоду з мінеральної поверхнею.

Повернемося, однак, до фотографії. Щоб тіло льоду було прозорим і не мало внутрішніх порожнин, необхідне надходження води з резервуара безпосередньо до нижньої поверхні стовпчика, що контактує з фільтром. Але ж верхня частина фільтра також мерзла. Як же відбувається подача рідини? Відповідь досить очевидна: вода надходить по незамерзаючим комунікацій фільтру - рідким файлі та капілярах. Однак уважний читач знайде ще одну загадку: крижаної стовпчик безперервно триває в порах фільтра, де знаходиться складна коренева система - внутріпоровий лід. За міру росту стовпчика його маса переміщується вгору, і легко зрозуміти, що коренева система також піднімається в тому ж напрямку і з тією ж швидкістю. При цьому довжина кореневої системи по вертикалі не змінюється через постійне намерзання льоду знизу.

Як же можливо таке суцільне протягом льоду в порах, якщо їх стінки мають численні виступи та нерівності? Тут ми стикаємося ще з одним дивним явищем, яке продемонстрував наприкінці позаминулого століття англійський вчений Дж.Баттомлі. Він повільно перерізав масивний блок льоду з допомогою звичайної дроту, але блок не розпадався на шматки, а залишався цілим. Чому? Лід плавився на передній частині дроту, а відтікає вода замерзала на її тильній стороні. Явище, при якому лід плавиться в місцях підвищених напруг і потім замерзає в місцях розвантаження, одержало назву режеляціі [2]. Так, наприклад, рухаються льодовики кам'янистим, шорсткуватої ложу. Саме завдяки цього явища і відбувається переміщення внутріпорового льоду через фільтр слідом за крижаним тілом. Неважко зрозуміти, що для перетікання рідини до тильної стороні перешкоди (наприклад, дроту) необхідно існування навколо нього плівки незамерзаючих води.

Ми детально зупинилися на простому лабораторному експерименті, щоб виділити основні елементи і їх причинно-наслідкові зв'язки в даному процесі. Відзначимо їх ще раз: поверхневі сили істотно змінюють умови термодинамічної рівноваги льоду і води в грунтах у порівнянні з умовами, характерними для їх об'ємних фаз. Це призводить до присутності незамерзаючих води в стані рівноваги при мінусових температурах, яка здатна текти, як звичайна рідина. У свою чергу стають можливими процеси міграції вологи та переміщення льоду всередині пористої матриці за рахунок режеляціі. Зростання крижаних тіл як на поверхні, так і всередині грунту відбувається тільки за наявності цих двох процесів. Насос, що викликає рух води в бік зростаючого льоду, працює виключно завдяки поверхневим силам, величина яких зростає в напрямку від теплої сторони фільтру до холодною.

Все це представляє якісний бік явищ. Однак, щоб прогнозувати розвиток реальних процесів в природних умовах, необхідно встановити строгі кількісні зв'язку між змістом незамерзаючих води, температурою і тиском в середовищі, а також величинами відповідних потоків тепла і маси. Їх запис заснована на ретельному аналізі численних експериментів і вимагає залучення фундаментальних понять термодинаміки, механіки деформівних тіл, гідродинаміки. У сукупності утворюється цілий напрямок, досліджує фізику кріогенних процесів, які можуть відбуватися в холодних регіонах Землі і космосі. Вершина цієї діяльності - математичні моделі процесів, що дозволяють давати кількісну оцінку самих різних за масштабами та значенням подій минулого, сьогодення і майбутнього. Роль моделей важлива і для обгрунтованого проектування інженерних споруд.

Баротерміческій ефект

Повернемося до мерзлої грунту. Добре відомо, що тверді тіла при стисненні нагріваються. Відбувається це внаслідок переходу енергії деформації в тепло, а також за рахунок внутрішнього тертя елементів середовища. Проте погляньте на діаграми температурного ходу для зразків мерзлих грунтів під навантаженням (рис. 2).
        Рис. 2. Тимчасової хід температури мерзлого грунту при його навантаженні і розвантаженні. Зліва - крива для супіски пилуватого   при початковій температурі te = -0.5 ° C, праворуч - для глини при te = -0.75 ° C. В обох випадках зовнішнє навантаження дорівнює 3 МПа.              

Вони показують, що в момент навантаження температура грунту стрибкоподібно знижується і відновлюється практично до вихідного значення при знятті вантажу. Звернемо увагу, що його величина в кілька разів менше, ніж потрібно для плавлення звичайного шматка льоду при тій же негативною температурі. Чому? Відповідь легко можна отримати, якщо ми згадаємо, що на контакті з пористим тілом лід плавиться при істотно менших навантаженнях. Але для плавлення необхідно підвести тепло, яке може бути взято тільки з внутрішніх запасів грунту, що визначаються його теплоємність. Відбувається охолодження всієї системи. Цей ефект названий баротерміческім, оскільки пов'язує зміни тиску і температури в мерзлому грунті в процесі його стиснення [3].

Крім того, важливо, що виділяється волога дренує в спеціальну обойму з щільної промокальним папери, в якій розташований зразок грунту. Папір має дуже тонкопорістой структурою, і вода в ній не замерзає. Якщо ж взяти обойму з більш грубого матеріалу, то віджимається вода в ній замерзне, а тепловий ефект від фазових перетворень зникне. У цьому випадку на перший план вийдуть сили тертя між частками грунту, і температура зразка дещо підвищиться. Це і відбувається, наприклад, в талих, а також мерзлих, але маловлажних грунтах. В останньому випадку всередині грунту є численні повітряні порожнини, які збирається віджимання вода і там знову замерзає. Природні грунти, як правило, водонасищени, і баротерміческій ефект проявляється у природних умовах несподіваним чином.

Подивимося уважно на рис. 3, де ромбиками показані фактичні дані вимірювання температури мерзлих порід у спеціально обладнаної термометричні свердловині на півночі Тюменської області. Експеримент готувався дуже ретельно, що забезпечило точність вимірювання в 0.01 ° С, тому що сумніви в достовірності даних відпадають. Шар мерзлого грунту, що залягає в інтервалі глибин h = 140-240 м, перекривається талим водонасиченому прошарками товщиною близько 50 м. Вище, до самої поверхні масиву, лежить ще один шар мерзлій породи, який не показаний на малюнку. Нижній шар мерзлоти утворився під час минулих похолодань клімату, а наступні потепління викликали оттаивание тільки верхній частині масиву. Грунт, що залишився, при цьому в мерзлому стані, називається реліктовим.
                 Рис. 3. Фактичний розподіл температури мерзлих порід (чорні ромбики) по свердловині, обладнаній на півночі Тюменської   обл., і його динаміка з моменту витаіванія льоду в обсязі реліктового шару (за результатами модельних розрахунків). 1 - початкове рівноважний розподіл, 2 --   через 100 років після початку процесу, 3 - через 500 років, 4 - через 1000 років.     

Подальше похолодання призвело до утворення верхнього шару мерзлих порід, який, однак, не досяг покрівлі нижнього шару мерзлоти. Кліматичні трансформації тривали кілька тисячоліть. За такий значний час температура всередині реліктового шару повинна була встановитися відповідно до умов термодинамічної рівноваги в товщі. Рівноважна крива (1) на рис. 3 має нахил через вплив гідростатичного тиску на точку фазового рівноваги води в мерзлому грунті. Значне відхилення фактичних даних від кривої рівноваги представляється абсолютно несподіваним. Реліктовий шар виявляється охолодженим нижче рівноважної температури, незважаючи на те, що розташований між двома талими утвореннями, що мають позитивну температуру. У цьому можна було б угледіти навіть порушення другого початку термодинаміки. Будь-яке традиційне пояснення такого розподілу температури практично неможливо. Наприклад, можна припустити будь-яке специфічне розподіл концентрації розчинених солей у поровое розчині, які зміщати б точку рівноваги фаз у шарі. Проте автори спостережень підкреслюють, що мінералізація грунтової води надзвичайно мала і не впливає на криву рівноваги. Не проходять і інші докази, зокрема засновані на коливаннях температури поверхні масиву через існування потужного Таліка над реліктовим шаром.

Відповідь на запитання міститься в діаграмах рис. 2 та аналізі освіти реліктового шару. В період потепління, коли верхній шар грунту розморожувати, нижній мерзлий - нагрівався. У якийсь момент навантаження від вищерозміщених товщі стала перевищувати рівноважний значення для внутрігрунтового льоду, який при більш низьких температурах знаходився в термодинамічній рівновазі з навколишнім породою. (Підвищення навантаження від верхнього шару є результат ослаблення стримуючого впливу мерзлого грунту, сили зчеплення частинок якого слабшають з підвищенням температури.) З цього моменту лід почав танути, що й призвело до охолодження масиву. Плавлення льоду в усьому обсязі реліктового шару протікає дуже повільно, і що спостерігається розподіл температури може зберігатися багато сотень і тисячі років.

Строгі рівняння, які переводять наші міркування в площину кількісних розрахунків, підтверджують цей висновок. Криві 2-4 на рис. 3, отримані розрахунковим шляхом, показують, наскільки тривалим може бути цей процес. Важливо тут і те, що витаівающая рідина рухається по незамерзаючим комунікацій мерзлого грунту в талі освіти по обидва боки реліктового шару. Цікаво, як чуйно реагує мерзлий масив на зміну зовнішніх умов згідно з загальним принципом Лешательє. Потепління клімату викликає охолодження масиву!

шаруватість - пам'ять про минуле

Розглянемо ще одне цікаве явище, супутнє процесу промерзання грунту. На рис. 4 показана колонка грунту після промерзання в лабораторних умовах. Нижня основа колонки під час досвіду знаходилося в контакті з джерелом води. Талий грунт зберігся в нижній частині колонки і залишився абсолютно однорідним. Промерзла ж частина сильно змінилася: утворилася чітко виражена шаруватість. Шари мерзлого грунту перемежовуються лінзами чистого льоду, товщина яких змінюється з глибиною цілком певним чином.
          Рис. 4. Кріогенна текстура грунту, отримана в лабораторії.              

Картина шаруватості - текстура мерзлого грунту - виявляється пов'язаної з властивостями грунту та умовами його промерзання. Наприклад, при деяких умов для грунту даного типу товщина крижаних лінз може перевищити висоту початковій талої колонки. Взагалі ж за текстурою мерзлого грунту можна в принципі відновити температурні умови його промерзання. Подібну шаруватість ми бачимо і в природних товщах мерзлій породи. Вона простежується до досить значних глибин - 100-150 м. Максимальна ж товщина крижаних лінз спостерігається у верхніх 10-40 м. Нижче їх товщина монотонно знижується, а відстань між лінзами збільшується. Досить часто у верхніх шарах мерзлого грунту виявляються шари льоду товщиною від одиниць до декількох десятків метрів.

Застигла картина шаруватості в промерзлих пухких відкладеннях безпосередньо пов'язана з кліматом минулих тисячоліть. Пізнати ж закономірності зміни клімату означає знайти ключ до розгадки багатьох таємниць, які хвилюють людство. Яким же чином виникає шаруватість? Можна відразу сказати, що зростання окремих лінз цілком аналогічний картині, яку ми описали для крижаного тіла на поверхні керамічного фільтра. Але чим викликана їх виникнення в даному конкретному місці і чому вони припиняють своє зростання через якийсь час? Відповідь на ці питання вимагає аналізу внутрішніх напружень у промерзають грунті, а точніше в тій зоні, де розташована коренева система зростаючої лінзи.

Якщо при стаціонарному зростанні льоду на поверхні фільтра довжина кореневої зони не міняється, то при промерзанні грунту її довжина все час збільшується і внутрішні напруги в окремих компонентах грунту також змінюються. За законами механіки, у кожному поперечному перерізі зони кореневої системи величина зовнішнього навантаження завжди повинна дорівнювати сумі напруг в окремих компонентах грунту. Иньїми словами, навантаження дорівнює сумі внутріпорових напруг (обумовлених внутрішнім тиском в льоді і незамерзаючих воді) і напружень в скелеті мінеральних часток грунту. Цей баланс має на увазі, що при постійній загальної навантаженні збільшення тиску всередині пор супроводжується зменшенням напруги в скелет.

У певний момент у певному перетині зони кореневої системи поровое тиск, монотонно наростаючи, досягає значення зовнішньої навантаження. У скелеті грунту починають виникати що розтягують напруги. Однак пухкі відкладення не мають міцність на розрив, і мінеральні частинки починають розходитися в просторі, що негайно заповнюється льодом. Так утворюється нова лінза льоду, що перекриває всі поперечний переріз зразка і позбавляє харчування водою попередню лінзу. Остання відразу ж припиняє своє зростання. Далі процес повторюється, що і призводить до утворення шаруватої текстури. Кількісно її параметри (розміри крижаних лінз і відстані між ними) визначаються математичної моделлю текстурообразованія, що враховує в рівняннях весь комплекс факторів, які впливають на цей процес.

На рис. 5 наведені результати обчислень основних параметрів текстури для промерзає в природних умовах грунту. Ліва частина малюнка підтверджує загальну закономірність немонотонного розподілу товщини крижаних лінз з глибиною. Права - демонструє можливість утворення потужного шару льоду у верхній частині розрізу. Однак головна перевага даної математичної моделі полягає в тому, що вона вказує ясні причини і конкретні умови, за яких формуються ті чи інші картини розподілу льоду в масиві. Так, зменшення товщини крижинок, починаючи з деякої глибини, обумовлено вагою вищерозміщених товщі, що гасить процес виділення льоду. Освіта ж масивного крижаного тіла обумовлено досить м'якими умовами промерзання і високою проникністю вихідної талої породи.

Рис. 5. Розрахункові залежності параметрів шаруватої кріогенної текстури від глибини при коефіцієнті гідропроводності 10-11 (ліворуч) і 10-10 м3 • с • кг-1. Криві (1) показують немонотонного зміна товщини крижаних лінз; при підвищеній водопроникності грунту (праворуч) розрахунок передбачає утворення масивного крижаного тіла у верхній частині пласта. Криві (2) відповідають монотонного збільшенню з глибиною відстаней між крижинками.

Наскільки корисним інструментом дослідження може виявитися розглянута модель, показує наступний приклад. Помічено, що розташування крижаних лінз по розрізу іноді не цілком регулярно. Вони то зближуються, то знову розбігаються, нагадуючи нерівномірно розтягнуту гармошку. Це спостерігається і в порівняно однорідних за складом і властивостями відкладеннях. До недавнього часу такі аномалії не піддавалися навіть якісного пояснення. Зокрема, сезонні коливання температури на поверхні масиву хоча і мають значну амплітуду, але не проникають в глиб Землі більше ніж на 10-15 м. Отже, вони не можуть змінити картину розподілу нижче цього рівня. Длінноперіодние ж коливання (в межах десятків років), зумовлені зміною клімату, мають дуже малу амплітуду і також не роблять істотного впливу на цей процес.

Які ж ще обурення здатні порушити плавні зміни параметрів кріотекстури? Згадаймо, що природні масиви грунту, як правило, мають гідравлічну зв'язок з відкритими водоймами, коливання рівня яких так само природно, як і коливання температури на поверхні. Однак на відміну від температури зміну тиску в грунтовій воді, викликане коливанням рівня, розповсюджується по гідросистемі на великі відстані практично без загасання. Наскільки серйозно такий вплив на процес утворення кріотекстури?

Результати розрахунку конкретного прикладу показані на рис. 6, на якому для порівняння наведені аналогічні дані при незмінному рівні водойми [4]. Розподіл льдістості разюче змінилося. Залежність проміжків між крижаними лінзами набула вигляду згаданої "гармошки", а залежність їх товщини від глибини стала носити коливальний, затухаючий характер. Цікаво, що періодичність розташування льоду не цілком відповідає періодичності накладених збурень. Тут йде складний процес інтерференції коливань тиску і зміни порові напруг, що призводить до утворення структур, схожих з застиглої картиною биття, відомої в коливальних процесах. Для підтвердження впливу гідростатики водойми на параметри кріотекстури необхідно порівняння з конкретним геологічним матеріалом. Проте вже на підставі виконаних розрахунків можна висловити припущення, що криогенні текстури консервують ритміку гідрологічної обстановки минулих епох і можуть служити її палеокліматичні індикатором.
                 Рис. 6. Порушення плавної зміни параметрів кріотекстури при коливаннях рівня водойми, з яким грунт має   гідравлічну зв'язок. Товсті лінії відповідають постійним рівнем води, тонкі - коливань рівня з амплітудою 10 м. 1 - крива розподілу по   глибині товщини крижинок, 2 - відстаней між ними.     

Математична модель текстурообразованія дає пояснення та інших цікавих фактів, які помічені в натурних і лабораторних дослідженнях. Наприклад, відомо, що якщо в тонкодисперсної товщі знаходився піщаний шар, то після промерзання зона в 1.5-2 м над ним практично не містить крижаних лінз. Пояснюється це дотиком кореневої системи черговий зростаючої лінзи піщаного шару і швидким замерзанням останнього. Вся справа в протяжності зони кореневої системи, що на глибинах понад 15-20 м має довжину близько метра.

Інший приклад взятий з лабораторної практики. На рис. 7 показано зміну швидкості росту льоду в залежності від температури охолодження. Були проведені два схожих досвіду, але незрозумілим чином в одному випадку швидкість зростала зі зниженням температури, а в іншому - падала. Пояснити це вдається, тільки за допомогою точних рівнянь. Виявляється, при одних і тих самих зовнішніх умовах можливе існування двох стійких режимів росту, відрізняються довжиною кореневої системи і по-різному реагують на зміну температури.
 
                       

Рис. 7. Експериментальні визначення швидкості росту льоду в двох дослідах з близькими зовнішніми умовами. В одному випадку (ліворуч) масоперенос збільшується з пониженням температури, в іншому - падає. Ключову роль тут грає довжина кореневої системи, яка може приймати два стійких значення при однакових зовнішніх параметрах. Ці режими зростання відрізняються напрямком реакції системи на зміну температури охолодження. На правому малюнку кольоровий кривою показаний розмір промерзають зони.

Загадка рідких включень

Звичайно, не будь-який міститься в грунті лід утворюється так, як описано вище. Він може бути просто похований під наносами мулу або утворитися з води, впровадять під напором у вже мерзлі шари. Завжди важливо точно встановити умови її формування, оскільки саме вони і відтворюють конкретну обстановку минулого. Суттєву допомогу надають результати численних досліджень включень, що містяться в природних льодах, -- газоподібних, твердих або рідких. Бульбашки газу можуть багато розповісти про склад атмосфери в минулі часи, тверді частинки характеризують властивості вміщуючих порід, а рідкі включення - походження і склад замерзлої води.

Капелька концентрує всередині себе більшу частину домішок і тому залишається незамерзаючих у крижаному тілі. При накладанні на лід градієнтного поля температури всі мікроскопічні освіти починають повільно переміщатися в більш теплу бік льоду. У цих умовах з плином часу відбувається його самоочищення. Наприклад, так відбувається опріснення морського льоду, який у момент формування містить численні крапельки розсолу. Для оцінки віку самого льоду важливо знати закономірності переміщення включень. У лабораторіях створюються спеціальні кріоскопічної установки (рис. 8), де спостерігаються в мікроскоп процеси виводяться на екран телевізора або комп'ютера, а запам'ятовуючі пристрої дозволяють відтворити всі деталі явищ.
                   Рис. 8. Загальний вигляд установки для дослідження мікропроцеси в промерзають зразках.     

Одна загадка довгий час позбавляла сну дослідників, які спостерігали рух краплі в льоду. (Такий рух відбувається внаслідок відтавання льоду з теплою боку краплі і її замерзання з протилежного, тобто завдяки відомому нам процесу режеляціі.) Справа в тому, що при русі в бік підвищених температур крапелька ще і збільшується в розмірах. Це зрозуміло, оскільки відбувається часткове відтавання льоду так, що концентрація розчину в ній знижується відповідно до умов фазового рівноваги. Але внаслідок різниці щільності води і льоду при фактичному збільшенні розмірів краплі всередині неї повинні виникати дуже великі розтягують напруги, які призводять до внутрішніх розривів і газовиділенням. Проте жоден мікроскоп у світі не зафіксував це явище! Розгадка полягає в незвичних властивостях льоду. Цей твердий мінерал при довготривалих навантаженнях може текти, як дуже в'язка рідина [5]. Саме плинність льоду і розвантажує краплю від високих розтягуючих напруг. Теорія, побудована з урахуванням даного властивості льоду, демонструє цю обставину в числах.

Два графіка на рис. 9 показують, що внаслідок плинності льоду напруги у краплі знижуються за абсолютною величиною більш ніж на три порядку від значень, що відповідають її недеформіруемой ідеалізації. Правильно побудована теорія дозволяє вирішити цілий ряд інших важливих питань. Наприклад, з теорії руху крапель випливає, що їх швидкість не повинна залежати від початкового радіуса - це дійсно спостерігається в досвіді. Інший висновок теорії, який не піддавався експериментальної перевірки, полягає в тому, що аналогічні рідкі включення переміщуються і в мерзлому грунті, причому з швидкістю в кілька разів вище, ніж в льоду. Причина - істотно менші витрати в цьому випадку на фазовий перехід, тому що частина рідини заміщається мінеральними частками. Отримує пояснення і ще один загадковий факт - блукання великих скупчень розсолу, так званих кріопегов, всередині мерзлій товщі. (Згадаймо, що швидкість переміщення включень не залежить від їх радіусу.) Це явище відзначено в Якутії і на західному узбережжі Ямалу. Найімовірніше, блукання кріопегов зобов'язане природним температурним градієнтам, які завжди присутні у природному середовищі.
          Рис. 9. Розтягуюче напруження всередині рідкого включення в льоду при різних температурах. Внаслідок плинності льоду напруги   у краплі знижуються за абсолютною величиною більш ніж на три порядки (крива 1) у порівнянні зі значеннями, що відповідають його недеформіруемой ідеалізації   (крива 2). Завдяки цьому рухається в льоду крапля не містить бульбашок пари.              

Ще одна несподівана додаток теоретичних результатів - одержання прісної води з айсбергів (рис. 10). У крижаному гіганті бурят свердловину глибиною в кілька сотень метрів. Спеціальним нагрівачем на забої проплавляется порожнину, в якій пиловідводним насосом створюється максимально можливе розрядження. Під дією перепаду тиску між водою в океані і в порожнині лід починає текти всередину порожнини. При включеному нагрівачі він безперервно тане на її кордонах, а що утворюється вода відкачується на судно. Розрахунки показують, що для отримання 30 т води на добу діаметр порожнини повинен складати приблизно 6 м. При цьому швидкість течії льоду на її кордонах досить мала - кілька мікрон в секунду.
                   Рис. 10. Схема видобутку прісної води з крижаних масивів. 1 - айсберг, 2 - стовбур свердловини, 3 - нагрівач, 4 - насос, 5 --   шланг, 6 - танкер, 7 - проплавлення порожнину, 8 - патрубок.     

* * *

У короткому нарисі неможливо охопити все різноманіття явищ в мерзлих грунтах, які мають фізичну природу. Ми навіть не торкнулися чудових фактів існування льоду всередині порід при позитивних температурах, незвичайної форми включений в льоду, низьку температуру плавлення малих крижаних тіл, і багато чого іншого, що розбурхує фантазію дослідника. Але все ж сказаного досить, щоб вважати мерзлий грунт дивним освітою природи.

Література

1. Дерягин Б.В., Чурай Н.В. Змочуються плівки. М., 1984.

2. Маено Н. Наука про льоді. М., 1988.

3. Горелик Я.Б., Колунін В.С., Решетников А.К.// Кріосфера Землі. 1999. Т.3. № 1. С.69-77.

4. Горелик Я.Б., Колунін В.С.// Кріосфера Землі. 2000. Т.4. № 2. С.41-51.

5. Войтковскій К.Ф. Механічні властивості льоду. М., 1960.