یخزدگی آب: نیروی نامرئی شکافندهی سنگها
آب، مادهای با رفتار عجیب
تقریباً همهی مواد جهان وقتی سرد میشوند، منقبض میشوند (حجمشان کم میشود). اما آب یک استثنای جالب است. آب از دمای 4 درجهی سلسیوس به پایین، شروع به انبساط2 میکند و در نقطهی انجماد (صفر درجه)، حجم آن حدود 9% افزایش مییابد. به همین خاطر است که یخ روی آب شناور میماند.
مراحل یک فرآیند مخرب: از ترک کوچک تا سنگ خرد شده
نیروی انبساط آب در یخزدگی چگونه بر سنگ تأثیر میگذارد؟ این فرآیند گام به گام و طی سالها اتفاق میافتد:
| مرحله | شرح | مثال ملموس |
|---|---|---|
| ۱. نفوذ آب | باران یا آب ذوبشده به درون ترکهای ریز، درزها و خلل و فرج سنگ نفوذ میکند. | مانند آبی که در یک ترک روی آسفالت خیابان جمع میشود. |
| ۲. انجماد | با کاهش دما (معمولاً در شب)، این آب یخ میزند و حجمش افزایش مییابد. | شبهای سرد زمستانی که گِلِ خیابان یخ میزند. |
| ۳. اعمال فشار | یخ در حال انبساط، به دیوارههای ترک فشار شدیدی وارد میکند. این فشار میتواند به 2100 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع برسد! | فشاری که با گذاشتن یک فیل روی نوک مداد احساس میشود! |
| ۴. گسترش ترک | این فشار باعث میشود ترکهای موجود گشادتر و عمیقتر شوند. | ترک دیوار خانه پس از زمستان سرد. |
| ۵. تکرار چرخه | چرخهی ذوب (روز) و انجماد (شب) بارها و بارها تکرار میشود و در نهایت سنگ را کاملاً خرد میکند. | سنگفرشهای شکستهی یک پیادهرو قدیمی. |
سنگشکن طبیعت در عمل: از کوه تا خانه
این پدیده فقط در کوههای دورافتاده رخ نمیدهد. اثرات آن را میتوانیم در اطراف خود ببینیم:
۱. شکلگیری خاک: اولین مرحله برای به وجود آمدن خاک حاصلخیز، خرد شدن سنگهای بستر است. یخزدگی آب یکی از عوامل اصلی این خردسازی در مناطق سرد و کوهستانی است.
۲. ایجاد مناظر طبیعی: در کوهستان، ترکهای بزرگ سنگها پر از آب میشود و پس از یخ زدن، قطعات بزرگی از سنگ را جدا میکند. این قطعات در پای کوه انباشته شده و خردهسنگدان4 یا پرتگاههای سنگی را تشکیل میدهند.
۳. تخریب سازههای انسانساز: این فرآیند میتواند به آسفالت جادهها، دیوارهای آجری یا سنگی و حتی بنای تاریخی آسیب بزند. وقتی آب به درزهای میان آجرها نفوذ کند و یخ بزند، میتواند باعث جدا شدن آجرها شود.
مثال ملموس: به چالههای کوچک و بزرگ جاده در بهار دقت کنید. بسیاری از این چالهها نتیجهی همین فرآیند در زمستان هستند. آب به ترکهای ریز آسفالت نفوذ کرده، یخ زده و آن ترک را بزرگتر کرده است. با عبور ماشینها، این قسمتهای ضعیف شده فرو میریزند و چاله ایجاد میکنند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. این فرآیند که تجزیهی مکانیکی5 نام دارد، فقط یکی از راههای فرسایش6 سنگ است. عوامل دیگری مانند ریشهی گیاهان، تغییرات شدید دما (گرم و سرد شدن متوالی) و واکنشهای شیمیایی آب باران با کانیهای سنگ نیز در شکستن سنگها نقش دارند. اما یخزدگی در مناطق با آب و هوای سرد، نقش بسیار برجستهای دارد.
پاسخ: بله، اما میزان انبساط ممکن است کمی کمتر باشد. نمکهای حلشده نقطهی انجماد آب را پایین میآورند، اما وقتی آب دریا (با شوری معمول) بالاخره در دمای پایینتر یخ بزند، باز هم منبسط میشود. همین پدیده در اقیانوسهای منجمد شمالی و جنوبی رخ میدهد.
پاسخ: زیرا کلید اصلی، تکرار چرخهی ذوب و انجماد است. در این مناطق، آب در طول روز که هوا گرمتر است ذوب شده و به اعماق ترکها نفوذ میکند. سپس در شب که دما زیر صفر میرود، یخ میزند و فشار وارد میکند. اگر همیشه هوا زیر صفر باشد، آب یکبار یخ میزند و اثر تخریبی کمتری دارد (چون چرخهای در کار نیست).
یخزدگی آب و افزایش حجم آن، یک نیروی طبیعی ساده اما بسیار قدرتمند است. این پدیده با وارد کردن فشار از درون، به آرامی اما مطمئن، سنگهای سخت را خرد میکند. نقش این فرآیند را در شکلگیری خاک، ایجاد مناظر کوهستانی و حتی تخریب جادهها و سازهها میتوان مشاهده کرد. درک این مکانیسم به ما کمک میکند تا بهتر بتوانیم از میراث طبیعی و سازههای خود در برابر این نیروی تدریجی محافظت کنیم. پس دفعهی بعد که یک سنگ ترکخورده یا چالهای در جاده دیدید، به یاد نیروی مخرب $H_2O$ بیفتید!
پاورقی
1یخزدگی آب (Water Freezing): فرآیند تبدیل آب از حالت مایع به جامد (یخ).
2انبساط (Expansion): افزایش حجم یک ماده.
3پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): نوعی نیروی جذب بین مولکولی که در آب بسیار قوی است و خواص منحصر به فردی به آن میدهد.
4خردهسنگدان (Scree/Talus): تودهای از سنگهای خردشده که در پای صخرهها یا دامنهی کوهها جمع میشوند.
5تجزیهی مکانیکی (Mechanical Weathering): شکسته و خرد شدن سنگها به قطعات کوچکتر بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آنها.
6فرسایش (Weathering): فرآیند کلی تخریب و تغییر سنگها در سطح زمین تحت تأثیر عوامل فیزیکی، شیمیایی و زیستی.
