Viten

Sannheten om telehiv

De fleste tror det handler om is som utvider seg, men det er feil. Dette er det som virkelig skjer hver vår, når asfalten slår sprekker og det kommer utilsiktede fartsdumper i veibanen.

At vi kjenner og har lært å kontrollere et fenomen, betyr ikke at vi forstår det. Slik så telehiven ut på riksvei 17 et stykke fra avkjøringen fra E6 nord for Steinkjer tidlig på våren i 2011. Stein J. Bjørge

  • Anja Røyne

Når snøen har gått om våren, er ikke alt som før. I løpet av vinteren har asfalten slått sprekker og det er humper i veien. De nylagte hellene på gårdsplassen har fått snublekanter. Ytterdøren lukkes ikke skikkelig før den får et ekstra spark.

Vi kaller det telehiv når is nede i bakken løfter opp overflaten. I et vinterland som vårt er vi nødt til å ta hensyn til de store kreftene som kan oppstå når vann fryser. Veibyggerne har lært seg hvilke tiltak som må gjøres for å unngå at nye veier skal bli ødelagt av telehiv. Likevel hender det at det oppstår skader på dyre veistrekninger, etter spesielt krevende vintre, når andre hensyn har fått gå foran de frosttekniske.

At vi kjenner og har lært å kontrollere et fenomen, betyr ikke at vi forstår det. Mekanismene som forårsaker telehiv er oppsiktsvekkende lite kjent. Reisen til telehivets opprinnelse bringer oss innom noen fundamentale sannheter om isens og vannets natur.

Myten om vannets utvidelse

De aller fleste materialer tar mindre plass når de går fra flytende til fast form. Slik er det ikke med vann. Vann som fryser, utvider seg med nesten ti prosent. Det er derfor is flyter. Hadde det ikke vært slik, ville vann og elver ha frosset fra bunnen når vinteren kom. Det ville ha gjort forutsetningene for liv i kalde områder helt annerledes enn de vi kjenner.

Utvidelsen av vann som fryser kan føre til en del skader, som når glassflasker sprekker i fryseboksen, eller når vannrør fryser og går lekk. I kuldegrader er drivkraften for at vann skal fryse så stor at det kan utvikles enorme krefter. Det er derfor ikke så rart at både Wikipedia, Store Norske Leksikon og Norsk Geologisk Undersøkelse sin geologiske ordbok forteller at det er utvidelsen som skjer fra vann til is som er årsaken til telehiv.

Dette er dessverre en utbredt misforståelse. Det har gjentatte ganger blitt vist i eksperimenter at stoffer som ikke utvider seg når de fryser, som helium, argon og benzen, kan produsere telehiv på samme måte som vann.

Anja Røyne Geir Holm, UiO

Telehiv oppstår når vann fryser nede i bakken. Her er ikke vannet inne i en lukket flaske. Vannet ligger i mellomrommene mellom korn av sand, grus og leire. Når det blir kuldegrader i luften, vil varmen forsvinne gradvis ut av bakken, og kuldegradene brer seg lengre og lengre nedover. Der temperaturen går under null, har vannet mulighet til å fryse, og når det fryser, utvider det seg. Men det trenger ikke sprenge i stykker en lukket beholder for å få plass til å utvide seg — det har massevis av plass under seg, der det ennå ikke har frosset. Selv om det skulle oppstå situasjoner der vannet ble innestengt, ville ikke den prosentvise utvidelsen være på langt nær nok til å løfte bakken opp så mye som det som blir observert.

Is suger til seg vann

Allerede på begynnelsen av forrige århundre ble forskere oppmerksomme på at is så ut til å kunne løfte opp bakken mye mer enn de ti prosentene utvidelse skulle tilsi. I et sett med eksperimenter plasserte Stephen Taber, geologiprofessor ved Universitetet i South Carolina, sylindre av vannmettet leire på et lag med våt sand. Deretter lot han sylindrene fryse fra oversiden, på samme måte som bakken fryser om vinteren. Da han tok ut leirsylindrene, hadde dannet seg gjennomsiktige islinser parallelt med overflaten. Det er dette man også ser i jord som er utsatt for telehiv. Når han målte høyden av sylindrene, viste det seg at de hadde utvidet seg med opptil førti prosent.

Førti prosent utvidelse kan ikke forklares med at vannet i sylindrene utvidet seg med ti prosent. De klare linsene av is forteller at vannet i leira har flyttet på seg. Det har strømmet vann fra sanden under sylindrene, opp til islinsene. Is som fryser fungerer rett og slett som en slags pumpe som trekker vann til seg. Dette er årsaken til telehiv. Mot slutten av det forrige århundre begynte forskere også å bli klar over hvilke mekanismer som gir opphav til dette frysesuget.

Telehiv kan ikke forklares med at vannet utvider seg når det fryser. Vannet har tross alt mer plass under seg enn over. Stein J. Bjørge

Den våte isen

Jeg har sklidd på isen mange ganger. Is er glatt fordi den er våt. Det er nemlig sånn at is misliker sterkt å ha luft helt inntil overflaten. Den misliker det så sterkt at det øverste laget av isen smelter og danner en beskyttende vannfilm mellom isen og luften. Når temperaturen synker, blir vannfilmen tynnere og tynnere til den forsvinner helt ved omtrent femten minusgrader. Det er derfor skiføret blir så trått når det er veldig kaldt.

Snøfnugg er ørsmå iskrystaller, som også har et lag med overflatesmelte på seg. Når to snøfnugg møtes, og to overflater av is kommer nær hverandre, trenger ikke lenger vannet mellom snøfnuggene å være flytende. Når det fryser til, har de to fnuggene blitt til ett. Snøen på bakken henger sammen gjennom et nettverk av slike sterke kontakter, og kan lage fantastiske overheng uten å rase fra hverandre.

Isen misliker ikke bare luft, den er også ganske fiendtlig innstilt til de fleste andre overflater. Derfor ligger det en vannfilm utenpå isen som dannes nede i bakken. Siden det egentlig er for kaldt for flytende vann, oppstår det et undertrykk i den tynne vannfilmen sammenlignet med det varmere vannet lenger nede, og dette undertrykket virker som et sug som trekker vann til seg. Når nytt vann kommer til, kan noe av vannet fryse til is, siden vannfilmen allerede er tykk nok. Denne kontinuerlige tilførselen av vann gjør at det kan bygges opp flere centimeter tykke islinser som løfter opp bakken over.Og det er dette som er det vi i dagligtalen kaller telehiv.

Frostfarlige materialer

For å bygge en frostsikker vei, er det avgjørende å unngå såkalt frostfarlige materialer nær veibanen. Det er de finkornede materialene, slik som leire, som er frostfarlige. Siden vannet trives så godt på overflatene i den finkornede leira, trekkes vannet opp fra vannspeilet under bakken, omtrent som vann suges opp av et tørkepapir. Dette vannet kan fryse til dersom det når frostsonen nær overflaten. Når det fremheves at veibyggerne skal grave dypt, er det for at de skal fjerne nok av det frostfarlige materialet, og erstatte det med sand og grus.

Om det allikevel dannes is under veibanen, gjelder det å hindre at det dannes store ansamlinger av is. Finkornede materialer er en forutsetning for å kunne suge mye vann opp til islinsene. Tenk deg vannet som en tråd. Om du trekker for hardt i tråden, ryker den. På samme måte kan det dannes en boble i vannet når det suges for hardt — det vil si, når trykket blir for lavt. Når vannet er inneklemt i de ørsmå hulrommene mellom leirpartiklene, er det rett og slett ikke plass til å lage bobler, og da ryker ikke vannet. Dersom det bare ligger sand og grus under veibanen, brytes forbindelsen mellom eventuelle islinser og vannet nedenfor lettere, og det vil ikke bygges opp store mengder is.

Det er vanskelig å lage bobler inne i leiren, men det er heller ikke så enkelt å lage is. Det er vanskelig å begynne å bygge en iskrystall der det er altfor lite plass. Derfor kan vannet i leira komme godt under frysepunktet før det fryser. Når det først er blitt dannet en iskrystall et sted, er det enklere for vannet omkring å flytte seg til isoverflaten og fryse på der enn å forsøke å bli til is i sin bitte lille pore. En voksende islinse i leire har derfor god tilgang på kaldt, flytende vann, og har forutsetninger for å bli riktig tykk.

Dette er en viktig grunn til å at leire kan føre til store frostskader, og flere forskergrupper rundt om i verden arbeider med å forstå hvordan disse islinsene oppstår og utvikler seg. Forhåpentligvis vil den forståelsen som forskningen gir oss kunne bidra til å finne smartere og billigere metoder for frostsikring, slik at vinteren ødelegger færre nye veier i fremtiden.

Relevante artikler

  1. VITEN

    Studie av 18.000 norske ungdommer: Disse drikker mest og tidligst

  2. VITEN

    Brukte Munch fugleskitt som kunstnerisk virkemiddel?

  3. VITEN

    Norske pensjonspenger kan ødelegge verdensarv

  4. VITEN

    Savnet romsonde funnet i sprekk på komet

  5. VITEN

    Klimaet begynner å likne Vestlandet: Nedbøren truer Svalbard.

  6. VITEN

    Viten tar sommerferie - her er årets beste og mest leste saker