Voda, která tuhne jinak

Zmrzlá půda, známá jako permafrost, není kompaktní blok ledu, ale složitá směs minerálních částic, organické hmoty, ledových krystalů a kapalné vody, ukrytých v mikroskopických pórech. Během zamrzání voda v porézním prostředí vytváří tenké vodní filmy na povrchu zrn; tyto filmy často zůstávají kapalné i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. A právě na takové detaily jsme se zaměřili v našem výzkumu.

Kombinovali jsme laboratorní experimenty s pokročilým počítačovým modelováním. Zkoumali jsme, co se s vodou v porézním prostředí děje při postupném zamrzání a rozmrzání a jak tyto procesy ovlivňují transport plynů – včetně skleníkových – a strukturu porézního prostředí. Sledovali jsme je jak na mikroskopické úrovni jednotlivých pórů, tak na větších měřítkách, relevantních pro skutečné arktické půdy.

1. Následky nestability břehu vyvolané roztáváním permafrostu na Herschelově ostrově v Kanadě.

Snímek Boris Radosavljevic, CC BY-SA 2.0

Půda jako složitá mikroskopická mycí houba

Půda a horniny jsou porézní – připomínají velmi nepravidelnou a členitou mycí houbu. Voda v těchto pórech se nechová jako voda v jezírku. Díky kapilárním jevům a interakcím s povrchy částic může zůstat kapalná i při teplotách výrazně nižších než 0 °C. Čím menší pór, tím více klesá teplota, při níž voda skutečně zmrzne. Tento jev je klíčový pro celoroční aktivitu mikroorganismů, transport rozpuštěných látek, a dokonce i pro uvolňování plynných složek, jako je metan nebo oxid uhličitý.

Zamrzání chvíli trvá

V přírodě voda v půdě nezamrzá naráz. Jak teplota klesá, nejprve začínají krystalizovat větší objemy vody v otevřenějších pórech, zatímco voda v těsnějších pórech zůstává kapalná. Dochází k fázovým přechodům, objemovým změnám a přeskupení ledových struktur. Tyto změny ovlivňují nejen fyzikální vlastnosti půdy, jako je propustnost nebo porozita, ale i možnosti transportu dalších látek – zejména plynů.

V našem výzkumu jsme se soustředili na následující klíčové jevy: Jak voda mrzne a taje ve složitě tvarovaných pórech. Jak se mění mikroskopická struktura zeminy, když voda v pórech zamrzá nebo taje. Jak se během těchto procesů mění transportní vlastnosti prostředí – zejména pro plyny rozpuštěné ve vodě.

Vzhledem ke komplexnosti těchto jevů jsme museli vyvinout nové přístupy jak na straně měření, tak numerických simulací.

2. Příklad numerické simulace formování ledu v porézní struktuře prostřednictvím matematického modelu zamrzání v porézním prostředí, který vyvinul Michal Beneš a Alexandr Žák na katedře matematiky FJFI ČVUT. Ve třech časových hladinách je znázorněno rozložení ledu a vody v pórech v horním řádku a rozložení teploty v dolním řádku. Výsledky numerických simulací byly porovnávány s výsledky laboratorních experimentů připravovaných na Katedře hydromeliorací a krajinného inženýrství Fakulty stavební ČVUT v Praze a Katedře inženýrství pevných látek FJFI ČVUT.

Obrázek Michal Beneš

Laboratoř i počítač: dvě strany jedné mince