Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen

Stephen Taber og telehivmysteriet

4 kommentarer

Det skjer hvert år: Våren kommer, og avisene skriver om nye veiprosjekter som er ødelagt av telehiv.

Når vann fryser til is nede i bakken blir noen gang overflaten presset oppover, og det er dette vi kaller telehiv. Gjengs oppfatning er at dette skjer fordi at vann utvider seg når det fryser, sånn som vi kan oppleve om vi legger en full flaske i fryseboksen og den sprekker.

Men, hold dere fast: Dette er (nesten aldri) årsaken til telehiv! Flaska i fryseboksen sprenger ikke om du ikke har satt på korken. Vannet nede i jorda er heller ikke spesielt innestengt. Når det fryser og utvider seg, kan det vannet som blir til overs dyttes nedover i jorda. Dessuten så utvider vannet seg med ni prosent når det fryser, mens «hivet» som forårsakes av telen kan bli mye større enn dette skulle tilsi.

For å rette opp i denne misforståelsen kommer nå et innlegg i kategorien Gammel Forskning.

Stephen Taber II

Stephen Taber II

For 101 år siden, i 1912, fikk den unge Dr. Stephen Taber II stillingen som professor ved institutt for geologi og mineralogi ved universitetet i South Carolina. Siden han var eneste professor ved instituttet kunne han gjøre omtrent som han ville.

Stephen Taber hadde lagt merke til tidligere forskning som så ut til å vise at is var i stand til å løfte opp overflaten mye mer enn de ni prosentene utvidelse skulle tilsi. Han var forbløffet over at dette ikke hadde vagt mer oppsikt, og fikk lyst til å studere dette i mer detalj. De første, lovende eksperimentene fikk han gjort noen kalde netter vinteren 1914-1915. Det var imidlertid vanskelig å være avhengig av været for å gjøre eksperimenter, så han la studiet på hylla for noen år. Gjennombruddet kom i 1927. Som han skriver i artikkelen sin:

«In March, 1927, a suitable low-temperature apparatus was placed at my disposal by Mr. E.W. Allen,  district manager of the Frigidaire Corporation, and I began an investigation to determine the factors involved in excessive and differential frost heaving.»

Professoren lagde sylindere av papp, som han dyttet fulle av leire. På innsiden av pappen hadde han smurt parafin så de skulle være vanntette. De var åpne i bunn, og han plasserte dem på et lag med sand nederst i fryseboksen. Så helte han på vann så både leiren av sanda ble helt gjennomvåte. Plassen mellom sylindrene fylte han med tørr sand. Siden kjøleelementene i fryseboksen var på toppen, ville dette være ganske likt sånn som det er i virkeligheten når jord fryser. Da er det jo også kaldest øverst.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Øverst på sylindrene plasserte han forskjellige lodd: av tre, av jern eller begge deler. Det gjorde han fordi han lurte på både hvor mye vekten på toppen ville ha å si, og hva som ville være effekten av temperaturen på toppen av sylinderen. Treloddet er selvfølgelig lettest, mens metall leder varme bedre, så sylinderen med bare jernloddet vil være kaldest oppå.

Hva skjedde?

Alle loddene ble løftet oppover. Det som ble løftet aller mest var ikke det lette treloddet, men det tunge jernloddet! Det betyr at det ikke er vekten, men temperaturen som har mest å si. Jernet klarer å flytte bort mer av varmen fra vannet, så det greier å danne mer is. Med et trelodd oppå får varmen mye motstand for å komme seg bort, og det bremser på frysingen. Det som løftet seg minst var kombinasjonen tre + jern. Her er det vanskelig å få bort varmen, og i tillegg er det en stor vekt som må løftes opp. Det betyr altså at vekten også har noe å si.

Taber noterte også hvor mye loddene ble løftet i forhold til hvor langt ned sylindrene hadde fryst (ratio of uplift to depth of freezing). Om det bare var vannet som satt der fra før som hadde blitt til is, så burde dette bli omtrent ni prosent, eller 0,09. Det han målte var mye mer, rundt 40 prosent.

Det betyr at vann har flyttet seg fra et annet sted og til der hvor isen ble dannet. Det eneste vannet som var tilgjengelig var i den varmere delen av sylinderen under isen, og i sanden nedenfor. Fryseprosessen har altså trukket vannet oppover!

Det minner vel litt om disse trærne jeg snakket om? Helt riktig, vi er tilbake til kapillærkrefter og overflater. Leire (og silt, som bare er litt mer grovkornet) består av bittesmå mineralkorn, med overflater som elsker vann. Siden plassen mellom kornene er så liten, er det vanskelig for vannet både å lage bobler og å fryse til is. Derfor kan temperaturen komme godt under null før vannet begynner å fryse.

Selv om noe av vannet har frosset til is, er ikke mineraloverflatene spesielt lystne på å gi slipp på det flytende vannet sitt. Frosset is og mineraloverflater går nemlig ikke spesielt godt overens. Derfor vil det fortsette å være flytende vann mellom iskrystallen og leirkornene. Når en iskrystall først er dannet, vil det oppstå en liten konflikt: Vannet på isen vil fryse, men isen vil ha et flytende lag rundt seg. Dette gjør at når litt av vannet rundt isen fryser til, skapes et undertrykk som suger vann opp til der hvor det fryser.

Ganske likt det som skjer i trærne. Der brukes litt av vannet opp til fordampning, og nytt vann må suges opp. I jorda brukes noe av vannet opp til å lage is, og nytt vann må suges opp nedenifra.

Dette er også grunnen til at isen ikke er gjevnt fordelt i leira, men legger seg lagvis nedover. Har man først begynt å lage is ett sted er det nemlig mye lettere å fortsette å fryse på den enn å lage ny is et annet sted. Derfor suges vann opp til en islinse til det har blitt kaldt nok et stykke lengre ned til å starte en ny linse der. Taber viser fram et stykke frossen vei han har fått av en kamerat i veibransjen, for å demonstrere at det er det samme som skjer i virkelig telehiv:

Frossen veibit, 1929.

Frossen veibit, 1929.

Noen ganger kan sugekreftene i vann som fryser føre til ganske enorme formasjoner, som disse pingoene.

(om noen vil lese mer, ligger Tabers originale artikkel her)

Advertisements

4 thoughts on “Stephen Taber og telehivmysteriet

  1. Haha, snedig! Pingoer (takk for at du introduserte meg for dette fenomenet) ligner forbløffende på Karis ostesufflé.

  2. Sammenhenger er fascinerende! Telehiv og trær, pingo og ostesufflé.

  3. Tilbaketråkk: OL spesial: Skøyteis | Fysikk og Fascinasjon

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s