4.2. Сублимация и десублимация влаги в мерзлых породах

Согласно термодинамическим представлениям сублимация льда представляет собой фазовый переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, сопровождающийся поглощением тепла (теплота сублимации 2,83 кДж/г). Механизм процессов сублимации и аблимации с точки зрения молекулярно-кинетической теории заключается в следующем. Молекулы Н₂О, находящиеся в структурной решетке поверхности льда и обладающие в данный момент наибольшей скоростью теплового (кинетического, колебательного) движения (Е_к > Е_св), вылетают в окружающее газовое пространство, освобождаясь от взаимодействия с остальными молекулами. Одновременно с этим возможен процесс захвата поверхностными силами, льда отдельных молекул и их групп, хаотично движущихся в окружающем газовом пространстве и соударяющихся с поверхностью льда. Эти молекулы при соударении теряют кинетическую энергию своего поступательного движения и включаются в кристаллическую решетку поверхности льда. При этом процесс сублимации льда развивается при условии, что отрыв молекул Н₂О с поверхности льда преобладает над захватом их из окружающего газового пространства. В противном случае развивается процесс аблимации водяных паров на кристаллической поверхности льда.

Если принять гипотезу о наличии квазижидкой пленки на поверхности льда, то под процессом сублимации льда следует понимать процесс испарения этой планки с пополнением ее запасов за счет подплавления льда. Как показывают микрофотографические исследования, процесс сублимации происходит не равномерно со всей поверхности льда, а с отдельных наиболее энергетически неустойчивых участков. Такими участками могут являться разнообразные дефекты кристаллической структуры льда, а также ребра и вершины кристаллов льда на его поверхности. Известно, что процесс сублимации льда в дисперсных грунтах связан как с процессами собственно фазовых переходов и десорбции, так и с процессами внутреннего и внешнего переноса тепла и влаги. Поэтому по существу он представляет собой процесс иссушения грунтов при отрицательных температурах, т. е. морозное иссушение. Интенсивность сублимации льда в породах экспериментально определяется как плотность потока влаги, проходящего через открытую поверхность образца, т. е. как масса влаги Δm, теряемая породой с единицы площади поперечного сечения F за промежуток времени Δτ: I_c =Δm / F Δτ.

Процесс сублимации льда в дисперсных породах при их взаимодействии с парогазовой средой существенным образом зависит также от молекулярного состава газа. При увеличении молекулярной массы от гелия (М = 4) к воздуху (М = 29) и аргону (М = 38) величина I_c уменьшается, что связано в первую очередь с уменьшением величин коэффициентов диффузии пара при увеличении молекулярной массы М парогазовой среды.

Процесс, обратный сублимации льда,— а б л и м а ц и я, т. е. кристаллизация водяных паров на грунтовых поверхностях, которая сопровождается выделением тепла и образованием кристаллов льда в виде снега. Аблимация происходит в том случае, если температура грунтовой поверхности ниже температуры окружающей парогазовой среды, а ее интенсивность увеличивается с ростом величины указанного перепада температур. В начальной стадии процесс кристаллизации паров носит ярко выраженный избирательный характер. Образование первых кристаллов аблимационного льда при этом происходит на ребрах, вершинах, сколах кристаллов и других дефектах поверхности, обладающих избытком поверхностной энергии. В последующем кристаллы растут, сливаются, образуют на грунтовой поверхности сплошной слой снега. Плотность растущего аблимационного слоя различна по его высоте, она уменьшается по мере удаления от грунтовой поверхности, что связано с развитием процесса метаморфизма (перекристаллизации). С течением времени плотность аблимационного слоя снега растет, что приводит к увеличению его теплопроводящей способности. Одновременно с ростом мощности рассматриваемого слоя с поверхности невлагонасыщенных пород может происходить диффузия влаги внутрь пород.

Близкие значения интенсивности аблимации для влагонасыщенных глин различного минерального состава объясняются тем, что их теплопроводящая способность выражается через величину коэффициента теплопроводности и различается незначительно. Для невлагонасыщенного песка, характеризующегося меньшими значениями коэффициента теплопроводности, обнаруживается соответственно и меньшая интенсивность аблимации по сравнению с влагонасыщенным песком. В случае невлагонасыщенных (например песчаных) образцов грунта аблимация влаги происходит не только на их поверхности, но и внутри породы. В глинистых породах наряду с процессами паропереноса и аблимации происходит перемещение незамерзшей воды под действием grad t. Процесс аблимации водяных паров в крупнообломочных породах имеет свои особенности. Экспериментальные исследования, выполненные на обломках метаморфических и изверженных пород различных размеров показали, что процесс аблимации начинается не по всей поверхности породы, а на обтекаемых потоком поверхностях обломков и затем распространяется внутрь крупнообломочных пород. При этом на щебне образуется более плотный аблимационный снег. Интенсивность же аблимации возрастает с увеличением размеров обломков, что, вероятно, связано с большей их теплопроводностью.