گاما رو نصب کن!

{{ number }}
اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

پربازدیدها: #{{ tag.title }}

میتونی لایو بذاری!

یخ‌زدگی آب: افزایش حجم آب هنگام یخ زدن که باعث شکستن سنگ می‌شود.

بروزرسانی شده در: 18:14 1404/10/13 مشاهده: 24     دسته بندی: کپسول آموزشی

یخ‌زدگی آب: نیروی نامرئی شکافنده‌ی سنگ‌ها

چگونه افزایش حجم آب هنگام یخ زدن، باعث خرد شدن سنگ‌ها و شکل‌دهی به مناظر اطراف ما می‌شود؟
چکیده: آیا تا به حال دیده‌اید که یک بطری پر از آب در فریزر ترک می‌خورد؟ این اتفاق ساده، نمونه‌ای از یک نیروی قدرتمند طبیعت به نام یخ‌زدگی آب1 است. در این مقاله به زبان ساده می‌آموزیم که چرا حجم آب هنگام یخ زدن افزایش می‌یابد و این پدیده چگونه در طول زمان می‌تواند حتی سخت‌ترین سنگ‌ها را نیز بشکند. با بررسی تجزیه‌ی مکانیکی سنگ، چرخه‌ی ذوب و انجماد و فرسایش شیمیایی، نقش این فرآیند در شکل‌دهی به کوه‌ها، جاده‌ها و حتی سازه‌های دست‌ساز انسان را درک خواهیم کرد.

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.

نکته‌ی علمی: دلیل اصلی این انبساط، شکل‌گیری پیوندهای هیدروژنی3 منظم و فاصله‌دار بین مولکول‌های آب در ساختار بلوری یخ است که فضای بیشتری نسبت به حالت مایع اشغال می‌کند. اگر این اتفاق نمی‌افتاد، یخ‌ها در ته دریاچه‌ها جمع می‌شدند و بسیاری از موجودات زنده از بین می‌رفتند.

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.

یک آزمایش ساده: یک بطری پلاستیکی محکم را کاملاً پر از آب کنید، درب آن را محکم ببندید و یک شب در فریزر بگذارید. صبح خواهید دید که بطری باد کرده یا ترک خورده است. این همان نیروی مخرب انبساط یخ است که در مقیاس کوچک مشاهده می‌کنید. هشدار: این آزمایش را با بطری شیشه‌ای انجام ندهید، زیرا خرده‌های شیشه خطرناک هستند.

پرسش‌های مهم و اشتباهات رایج

سوال ۱: آیا یخ‌زدگی آب تنها عامل شکستن سنگ‌ها است؟

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.

سوال ۲: اگر آب ناخالص باشد (مثل آب دریا یا آب گل‌آلود)، باز هم هنگام یخ زدن منبسط می‌شود؟

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.

سوال ۳: چرا گفته می‌شود این فرآیند در کوه‌های بلند و مناطقی که دمای هوا در شب و روز حول نقطه‌ی انجماد نوسان می‌کند، شدیدتر است؟

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).

جمع‌بندی:

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.

یخ‌زدگی آب انبساط یخ تخریب سنگ فرسایش مکانیکی چرخه ذوب و انجماد