<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1610082</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2025.1610082</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Heat and superdiffusive melting fronts in unsaturated porous media</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Flekk&#xf8;y et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2025.1610082">10.3389/fphy.2025.1610082</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Flekk&#xf8;y</surname>
<given-names>Eirik G.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Hansen</surname>
<given-names>Alex</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/73058/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Eiser</surname>
<given-names>Erika</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2650748/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>PoreLab, Department of Physics, University of Oslo</institution>, <addr-line>Oslo</addr-line>, <country>Norway</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>PoreLab, Department of Chemistry, Norwegian University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Trondheim</addr-line>, <country>Norway</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>PoreLab, Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Trondheim</addr-line>, <country>Norway</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/28605/overview">Zbigniew R. Struzik</ext-link>, The University of Tokyo, Japan</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/10077/overview">Paolo Grigolini</ext-link>, University of North Texas, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/72779/overview">Haroldo V. Ribeiro</ext-link>, State University of Maring&#xe1;, Brazil</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2574187/overview">Vaughan Voller</ext-link>, University of Minnesota Twin Cities, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3159634/overview">Milad Mozafarifard</ext-link>, University of Nevada, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Eirik G. Flekk&#xf8;y, <email>flekkoy@fys.uio.no</email>; Alex Hansen, <email>alex.hansen@ntnu.no</email>; Erika Eiser, <email>erika.eiser@ntnu.no</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>29</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>13</volume>
<elocation-id>1610082</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>11</day>
<month>04</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>08</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Flekk&#xf8;y, Hansen and Eiser.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Flekk&#xf8;y, Hansen and Eiser</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>When water is present in a medium with pore sizes in a range of approximately 10 nm, the corresponding freezing-point depression will cause long-range broadening of a melting front. Describing the freezing-point depression by the Gibbs&#x2013;Thomson equation and the pore-size distribution by a power law, we derive a nonlinear diffusion equation for the fraction of melted water. This equation yields superdiffusive spreading of the melting front with a diffusion exponent, which is given by the spatial dimension and the exponent describing the pore size distribution. We derive this solution analytically from energy conservation in the limit where all the energy is consumed by the melting and explore the validity of this approximation numerically. Finally, we explore a geological application of the theory to the case of one-dimensional subsurface melting fronts in granular or soil systems. These fronts, which are produced by heating of the surface, spread at a superdiffusive rate and affect the subsurface to significantly larger depths than a system without the effects of freezing-point depression.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>Gibbs&#x2013;Thomson equation</kwd>
<kwd>pore size distribution</kwd>
<kwd>non-linear diffusion equation</kwd>
<kwd>superdiffusive spreading</kwd>
<kwd>melting front</kwd>
<kwd>diffusion exponent</kwd>
<kwd>spatial dimension</kwd>
<kwd>energy conservation</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Interdisciplinary Physics</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Water residing in <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 10 nm pores will stay in the liquid state at temperatures well below the bulk freezing point. Such freezing-point depression is caused by the Gibbs&#x2013;Thomson effect, which in a porous medium with a range of pore sizes, will cause residual amounts of liquid water in small pores while water in the larger pores freezes. The frozen state of a single pore is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, where a pre-melted layer of liquid water is assumed to be present. The situation where pores of different sizes coexist is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. Several experimental studies of the freezing-point depression in small pores have been carried out, showing that quantitatively, the effect depends on such factors as salinity [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], wetting properties [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], and the pore geometry [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>].</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Left: A pore of total volume <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> containing a liquid film and a core of ice. Right: A smaller pore containing liquid water at the same temperature.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g001.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram showing two circular regions. The left circle represents ice, with a shaded outer ring labeled \(V_0T\mu\) and an inner radius labeled \(R\). A radial line inside marks \(r\) with \(V(r)\). The right circle is labeled &#x22;Water.&#x22; Both circles are shaded in different tones.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Pores containing water. Ice melting with (upper figure) and without (lower figure) the freezing-point depression. Ice is shown in gray, and liquid water is shown in blue.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g002.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram showing two sets of blue circles increasing in size as they move up. The top set is labeled &#x22;Ice,&#x22; while the bottom set shows an increase in temperature, labeled &#x22;T - increase.&#x22; An upward arrow indicates the growth direction.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The equilibrium states of frozen systems have been studied experimentally in both natural [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] and synthetic media, such as cylindrical silica nanopores [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] of controlled sizes in the 2&#x2013;10 nm range. However, much less has been learned about the non-equilibrium processes of heat propagating through such systems, where only a fraction of the ice melts. When sufficient amounts of water are present at the right temperature, the energy required for this melting will dominate the energy balance; that is, the latent heat is larger than the energy needed to change the temperature due to the heat capacity. When different pore sizes are present, the heat may be consumed by melting only in a narrow range of these sizes (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>). This causes an increased spreading of the heat as well as the fraction <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of melted water. We will show that this fraction may spread in a superdiffusive manner when the pore size distribution is given by a power law. By comparison, a melting front in a medium where all the pores have the same size and melt at the same temperature will stop abruptly at the point in space where the available energy is consumed and thus has no long tail. Superdiffusion is characterized by the fact that the second spatial moment of the water fraction <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases with time <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the exponent <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the normal diffusion value being <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This behavior may arise in physical, biological, or geological systems; examples include Levy flights [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], particle motion in random potentials, or the seemingly random paths of objects moving in turbulent flows [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>In addition to the shift in the equilibrium freezing point itself, there may be an effect of metastable states that cause superheating or supercooling. In order to address this question, we discuss qualitatively how the Gibbs&#x2013;Thomson effect may be modified by nucleation barriers as well as the pore geometry and shapes of the ice. However, because the melting process is generally less affected by nucleation barriers and alternative nucleation pathways [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] than the freezing process, our theory is formulated for melting fronts and proceeds on the basis that metastable states may be neglected [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>].</p>
<p>We show that when the porous medium has a power law pore size distribution, the fraction of liquid water satisfies a non-linear diffusion equation. Solving this equation analytically, we proceed to demonstrate that this results in a superdiffusive, and, in some cases, even hyper-ballistic spreading of the heat and liquid concentration. The diffusion exponent is given in terms of the exponent governing the pore size distribution and the dimensionality.</p>
<p>These results may be of relevance for modeling melting in environments such as tundras. We therefore apply the model result to explore potential consequences for the depths at which the Gibbs&#x2013;Thomson effect may affect the melting of ice in such contexts. Given the above assumptions, the depths at which the ice fraction is perturbed may be up to a factor 10 larger than without the effect of freezing-point depression. We also show numerically that this effect survives, even with realistic values for the energy consumed by the heat capacity of the water and the solid medium.</p>
<p>The article is organized as follows: In the theory section, we introduce the standard thermodynamics of the Gibbs&#x2013;Thomson effect, deriving the expression for the freezing-point depression. Following the discussion of the equilibrium states, we discuss the assumption of a power law distribution for the pore sizes before we turn to the consequences for a time-dependent equation that governs the evolution of the melted water fraction and obtain its solutions in different spatial dimensions. Finally, we interpret these results in an assumed geological scenario where a melting front is caused by surface heating, which leads to a long-range, superdiffusive spreading of the melting front.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Theory</title>
<p>In the following, we obtain the volume fraction of liquid water as a function of temperature for a porous medium with a given pore size distribution and water/ice saturation <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For this purpose, we need the freezing point as a function of pore size.</p>
<p>It is a general fact that most water-bearing solids, or even ice itself [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], will have a pre-melted liquid layer [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] of a thickness <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>nm, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. While the thickness of the melted films varies with the interaction energy between the water molecules and the walls [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], the existence of the film is quite insensitive to the corresponding wetting properties of the wall.</p>
<p>Being interested in pores on the nano- to micrometer scale, we will assume that the chemical potential <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is constant over the pores. This is justified by the fact that diffusion is fast on these scales, and so the water will quickly equilibrate to the chemical potential of the surroundings. This will be assumed to be the case whether the pore is open to the surrounding pore volume or not. The situation is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. In this case, a body of ice will adjust its volume <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so as to minimize the Landau, or grand canonical, potential <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in equilibrium. We will not consider the case where the increase in specific volume of the water during freezing leads to significant pressure changes. So, the theory is limited to the cases where there is some freedom for the water to expand or be absorbed, as is generally the case in unsaturated or unconsolidated porous media with boundaries that are open to the surroundings.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Freezing-point depression and the thermodynamics of the Gibbs&#x2013;Thomson effect in spherical pores</title>
<p>The net energy effect of introducing a liquid layer between a solid (or vapor) and ice may be described by the Landau free energy<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the surface area, and <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the liquid layer thickness. We have introduced the Hamaker constant <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> J (albeit with an unconventional sign to keep <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> positive).</p>
<p>Adding the free energy of the ice&#x2013;water interface <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the area of this interface and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the ice&#x2013;water surface energy per unit area, to the energy of the pre-melted layer given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> yields the total free energy<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where the bulk free energy <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is independent of the interface contributions. Because in general <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the combined potential for both the liquid and ice is<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where the ice pressure <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and water pressure <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will in general differ.</p>
<p>At the bulk melting temperature <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 273 K, there will be no change in <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under a change in <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are kept fixed, so, using the fact that <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can write<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the total ice&#x2013;water energy, entropy, and molecule number, respectively. The heat needed to melt a volume <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of ice is <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the ice mass density and <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the latent heat per unit mass. Using this, the above equation may also be written<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>Because <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> change very little over a modest temperature variation, we may also get <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the case where <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by writing<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>which indicates that the free energy change due to an ice volume increase is negative below the bulk freezing point. Integrating from <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, yields<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>which, when inserted in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>, gives<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>The change in this energy as <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is increased from <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The equilibrium value of the ice radius is given by the global minimum of <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, for sufficiently small <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values, will be at <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that is, for the complete liquid state. Above this critical pore size, the minimum will be at <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2272;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a value that is given by the equilibrium thickness of the surface melted layer. As may be noted from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, this minimum does not change much with the pore size <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there will still be ice. The condition for complete melting is that <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which yields the freezing-point depression.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The Landau free energy per unit area in a pore of radius <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nm with a surface layer of water as a function of the radius <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the ice volume at temperatures around <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 264 K. The black curves show the free energy with <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 10<sup>&#x2212;20</sup> J, while the red curves show the free energy with <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> J. For the blue curves, <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g003.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph showing &#x394;&#x3A9; (Joules per square centimeter) versus r/R. Three temperature conditions are depicted: T equals T sub F minus 3 Kelvin (black dotted line), T equals T sub F plus 3 Kelvin (black dashed line), and T equals T sub F (blue solid line). The curves start near zero, initially decreasing before sharply increasing, particularly at higher r/R values. Temperature variations affect curve shapes and peak points.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Taking <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gives the free energy change in passing from a liquid to a fully frozen pore<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The condition <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> implies that a pore of radius <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will freeze at a temperature <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>This is the standard expression for the Gibbs&#x2013;Thomson effect. For a cylindrical pore, the geometrical factor of 3 must be replaced by 2. In the following, we shall use the value 3. Note that, due to the tendency of the surface tension to minimize the interface area, these smooth geometrical shapes will also be relevant in more complex pore geometries.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Corrections to the Gibbs&#x2013;Thomson effect due to nucleation barriers</title>
<p>Thus far, we have ignored the time it takes for a metastable state to be replaced by the equilibrium state, implicitly assuming that the system has had time to reach the overall minimum state for the free energy. This is in general not the case as some metastable states may be very long-lived, a phenomenon that is quantified in classical nucleation theory [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], which is based on the probability that a free energy barrier is traversed by the thermal activation energy <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, the stability against melting may be very different from the stability against the reverse process of freezing. It is generally much more difficult to superheat a solid than to supercool a liquid [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. Superheated crystalline solids have only been observed in some rather singular cases where the heated region is along a single crystal plane or the crystals are confined inside a non-melting matrix [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. The existence of supercooled liquids, on the other hand, only requires the absence of nucleation sites.</p>
<p>Assuming our pre-melted surface layer of water, there is no extra energy cost (nucleation barrier) in forming a new liquid&#x2013;ice surface during the melting process. Yet, there will be a nucleation barrier that must be crossed during melting when the temperature is <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The reason for this is that when melting happens around <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the bulk free energy must increase, while the surface energy is decreased. Thus, as <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases from a value around <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, the free energy initially increases. As a result, there is a free energy barrier against both melting and freezing. This fact implies the possible existence of solid ice that is superheated relative to its depressed freezing point <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using nucleation theory, it is possible to estimate the lifetime of these metastable states as <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where the free energy <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> and takes its maximum at <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Requiring that the lifetime be within a realistic range, it is possible to show that the melting temperature must be increased above <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by an amount that corresponds to a reduction of the freezing-point depression <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 20% for pore sizes greater than <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1 nm.</p>
<p>It may be shown that nucleation barriers are significantly more influential during freezing (supercooled liquid). In this case, however, nucleation pathways other than ice forming as a spherical crystal are likely to dominate, as has been shown for the case where ice nucleates in pockets or corner geometries [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>In the following, we will consider melting on the basis that metastable states may be neglected, although there is a nucleation barrier to be passed both for the melting and freezing transition in isolated pores. For melting, this assumption implies that there may be quantitative corrections to the depression <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 20%, which are ignored.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Heat in a nanoporous medium with partially frozen water</title>
<p>Having dealt with the equilibrium problem of the freezing-point depression, we now investigate the non-equilibrium effects of this phenomenon in the context of a nanoporous material. We shall consider a melting front, for which the shift in melting temperature is small, and so the shift in the freezing-point depression will not be applied. Note, however, that a freezing front may differ significantly from the melting front through the possible existence of metastable pockets of supercooled liquid.</p>
<p>The pore size distributions may be estimated through nitrogen absorption [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], electron microscopy, or mercury injection experiments and measurements of the heat capacity variations with temperature when there is water present [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. For silts, clays, and synthetic media made of glass powders [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], they may yield distributions that extend down at least to the nm scale. Freezing and melting of water confined in silica nanopores have been observed down to pore sizes of 3 nm [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>].</p>
<p>The distributions may be given in terms of a relative volume fraction per unit length <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so that <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the porosity of the medium. Our main assumption is that this distribution may be approximated with a power law above a minimum cut-off length <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the normalization.</p>
<p>Mercury intrusion experiments are challenged by the fact that high injection pressures may crush or deform the smallest pores. Yet, in rigid materials, such as cement, the technique may be used to measure pores down to <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1 nm [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. In order to cover the smaller pore ranges, nitrogen adsorption techniques are often better [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]. Zhao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] measured pore size distribution for porous sandstone from the Ordos basin by mercury injection, finding <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-distributions that are well described by <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 10 nm and <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> over 1 to 2 decades in pore sizes. Using <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>N</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> adsorption techniques on porous glass powders, Fujinomori soil, and bentonite clay, Watanabe et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] found <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-distributions where <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1 nm, <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 3&#x2013;4 nm, and <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1&#x2013;2. Park et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] measured pore-size distributions. Different sediments produced <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values from 1 nm to 100 nm with distributions that could be described by a <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> power law over roughly a decade. There is thus a range of natural and synthetic materials that seem to fulfill the assumed pore-size power law distribution over an adequate range of length scales.</p>
<p>In a medium that is described by <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>, all the pores are frozen when<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where we have introduced the length <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3.3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>nm. Correspondingly, there is an upper temperature<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where all pore water is melted.</p>
<p>The initial filling fraction of water in the pores <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gives the total water (ice or liquid) fraction <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The fraction of liquid water, <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is the fraction contained in the pores that are so small that they have not frozen. These pores have sizes less than<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>This means that when <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>by use of <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>. Close to the absolute freezing point <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the above denominator is close to <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so we shall use<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>by use of <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> and the definition of <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Contribution of pre-melted surface layers</title>
<p>Having neglected the thickness of the pre-melted films in the ice-filled pores by setting <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we should compare the relative contributions to <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from these films and the liquid-filled pores. Because there is no film in the liquid-filled pores, we need only take the <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pores into account. We take the film contribution to be given by the film thickness <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where the fraction <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the ratio of the film volume to the pore volume. Then,<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the upper cut-off for <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, this integral is easily evaluated to give<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Taking the <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> term to dominate in this expression and using <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>, the ratio becomes<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>which may well be larger than one when <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>However, as we shall see below, it is the rates of change <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the volume fractions that are important, not the absolute value of <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The film thickness <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be estimated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> as the minimum of <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This gives the standard expression [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>where we can use the relatively high value <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> J. Together with the constants given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, this gives <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>1 nm, while the other relevant length, which appears in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>, is <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3 nm.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Material constants.</p>
</caption>
<table>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ice</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2.3 W<inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>(mK)</td>
<td align="right">Thermal conductivity of ice</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.6 W<inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>(mK)</td>
<td align="right">Thermal conductivity of water</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1 W<inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>(mK)</td>
<td align="right">Typical thermal conductivity of clays</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.33 MJ<inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>kg</td>
<td align="right">Latent heat of fusion for water</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.033 N<inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>m</td>
<td align="right">Water&#x2013;ice surface energy per unit area</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 917 kg<inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="right">Mass density of <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>O ice</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ice</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2.3 MJ<inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Km</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="right">Heat capacity of ice</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 4.2 MJ<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Km</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="right">Heat capacity of water</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> J</td>
<td align="right">Typical values of the Hamaker constant</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Because <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and, to leading order <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have that <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so that the ratio of the changes in these two quantities due to a temperature change when <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>close to the absolute freezing point <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, we have used <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> to substitute <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. The condition that <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be taken as a condition on the range of pore sizes <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>or, equivalently,<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>When <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30 nm, for instance, and <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 1<inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>273, we get that <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is quite natural that the condition for the domination of pore-<italic>versus</italic> film fluid is a limited range of pore sizes, as a domination of the large pores, which all carry a film contribution, would leave a smaller fraction of the porosity to be represented by smaller pores.</p>
<p>In other words, when <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes relatively slowly with <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, but <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes significantly. In this case, we may neglect the variations in the film contribution to the overall change in liquid volume fraction. For this reason, we shall only use the <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the following, keeping in mind that it is the fraction of liquid pore water, and not the total fraction of liquid water.</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>2.5 Governing equation for the evolution of melted water concentration</title>
<p>In a 1D setting, the conservation of energy in a slab of thickness <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> over a time <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be written<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross-sectional area, <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the combined specific heat capacity of the porous medium and the water, and <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the temperature. In <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 28</xref>, the left-hand side is the net energy transfer to the slab, the first term on the right is the energy consumed by melting (latent heat), and the last term is the energy absorbed due to the heat capacities of the water, ice, and the porous medium itself. As <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 28</xref> becomes<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>To describe the heat flow, we apply the Fourier law, which takes the form<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the bulk thermal conductivity of the porous medium, so inserting this in <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Equation 29</xref> gives<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>where we have used <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Generalizing to arbitrary dimension <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and replacing <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref> yields the diffusion equation<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>and <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s is the average thermal diffusivity of the porous medium, and<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The last expression comes from replacing <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by the expression in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref>, and <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using the material constants in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> gives<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.4 nm. So <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when the range of pore sizes is limited and as long as <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does not become too small.</p>
<p>We shall proceed to analyze the case where the <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-term may be dropped, leaving the equation<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We note at this point that the condition for neglecting the energy needed to change temperature, which is represented by the <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-term, coincides with the condition to neglect the contribution of pre-melted films. Both conditions may be fulfilled by media with a limited range of pore sizes above a minimum size <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>10 nm.</p>
<p>The fact that we have neglected the energy contribution given by the heat capacities means that we have assumed that all the energy is spent melting the ice in the pores. We note in passing that the same assumption is made in treatments of the moving boundary problem associated with melting fronts (the Stefan problem) [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>].</p>
<p>The mobile energy density <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which means that <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Equation 36</xref> may be read as a statement of energy conservation. We will consider the response to a localized addition of energy that causes a local initial volume <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of melted water. Solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Equation 36</xref> subject to the normalization condition<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>in <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] for a point source initial <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gives<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an integration constant given by the normalization condition. It takes the value of [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>].<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The functional form given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">Equation 38</xref> immediately yields the second moment for the concentration profile<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>with [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. Here<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>or, in terms of <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula>
<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>When the dimension <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain hyper-ballistic spreading <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and superdiffusion <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A value of <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which would correspond to a linear initial growth of <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, gives <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which should be compared to the ballistic value <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the normal diffusive value of <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A heat pulse will thus spread at an accelerating rate, causing a rapid, long-range front of melting.</p>
<p>The <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> case is relevant when a heat pulse spreads downward in the ground. In this case, <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gives <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gives <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, both superdiffusive values.</p>
<p>The superdiffusive spread of <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and thus <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with time follows from the fact that a heat pulse will lower the local melting temperature, thus keeping the remaining ice from receiving more latent heat as the temperature is rising. In contrast, a melting front that propagates through a medium with a single pore size will only spread diffusively, propagating at a speed <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Potential applications to tundra-like surfaces</title>
<p>On the tundra, an increase in heat penetration depth due to superdiffusion will increase the water melting caused by annual heating, thus increasing the melting depth. Freezing and melting on a tundra is believed to affect the subsurface over depths of the order <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>4 m. Provided the relevant range of pore sizes is present, we may speculate that when the ground is heated by the sun, melting fronts lasting days or months will propagate downward, giving rise to a one-dimensional problem of the type we have discussed above. This raises the question of how much deeper a superdiffusive spreading of heat, or <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-fluctuations, will propagate than the normal melting front, and will this affect the release of trapped methane?</p>
<p>It is instructive first to consider the case of a medium with a single pore size <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and look at the case where a heat pulse propagates from the surface. Then, <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and all the pores melt at the same temperature <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by setting <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>. Taking this to be the initial temperature in the ground, the temperature will spread out downward until it reaches the melting front below which <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The volume fraction as a function of <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Lorentz&#x2013;Heaviside function, and<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>which is zero away from the melting front. In this case, <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cannot be assumed to be larger than <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; rather, for <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Equation 31</xref> reduces to the normal diffusion equation<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>which describes standard diffusive spreading of <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>At the point where all the energy supplied at the surface has been consumed as latent heat at the melting front, the front propagation stops. This will happen at a depth <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1&#x2013;4 m where <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thermal energy per unit area initially supplied at the surface and <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the total mass density. This layer is usually called the &#x201c;active layer.&#x201d;</p>
<p>Now, returning to the case we have considered, where <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, what happens in the one-dimensional case when a heat pulse propagates from the surface and downward? This question may be answered by examining the analytic solutions given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">Equation 38</xref>. Choosing <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and setting <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">Equation 44</xref> gives the diffusion exponent <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, then <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These values are sufficiently close that it may be hard to distinguish between them experimentally, and so the end result will not depend strongly on the <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-value. So, we shall use <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which corresponds to a linear increase in <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> near <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the value of the thermal diffusivity for ice <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1 mm<sup>2</sup>/s and <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 60 nm, which yields <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.015 <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s, we can estimate the typical penetration depths with the superdiffusive contribution of the latent heat. In [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], it is shown that the second moment of <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The 1D solution is given by setting <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial thickness of the active (melted) layer, and <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the porosity. The factor 2 comes from the fact that our solution describes the symmetric situation where <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> spreads out symmetrically in both directions from <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while we are interested in the case where it only spreads downward. Setting <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 2 m, <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>1, and <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>1, the result becomes<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>Inserting the numbers <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 2 m, and <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.01&#x2013;0.1 <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s, the <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be written as<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>year</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>which is a typical factor of 10 or so larger than <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This result shows that superdiffusive spreading of heat may cause temperature variations almost an order of magnitude deeper than the variations caused by a normal diffusive melting front.</p>
<p>The main approximation made in our theory is the neglect of the heat capacities compared to the latent heat contributions. We now solve the full heat balance equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref>, numerically, including the finite value of the heat capacity.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> show the results of this. Note that the analytic solutions are only plotted for <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values where <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the freezing temperature of pores of size <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is seen that the full solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref> gives a somewhat smaller <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-value where <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approaches zero, but the scaling of <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with time is still seen to hold for the first months after the heat pulse, as may be seen from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. Note that from <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> and the assumption that <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have that <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and so, a the agreement between the analytical <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approximation and numerical results is expected to improve as <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is increased. This is indeed observed in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Top: The melted water fraction as a function of depth at different times <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>4 months, 8 months, and 12 months. The black curves show the analytic solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref> in the domains where they are assumed to apply, that is, where <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The red curves show the corresponding numerical solution of the full heat equation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref>. The blue curve shows the case where there is a constant pore size and no superdiffusive spreading. Bottom: The corresponding temperature. Here, <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 5 nm, and <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>MJ<inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as is close to both the ice and typical clay/silt values.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g004.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Top graph shows concentration (C) in percentage decreasing with depth (z) in meters. Three black and two red curves display different rates of decrease. Bottom graph illustrates temperature difference (T - Tr) in Kelvin, also decreasing with depth, shown by three black curves.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The same results as in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, but with <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30 nm.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g005.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph showing concentration (C in percentage) versus distance (z in meters). The plot includes several curves. A blue line starting at 20% at z&#x3d;0 drops to 0% by z&#x3d;5 m. Black and red curves show different decay rates, starting at around 18% and decreasing rapidly towards 0% between z&#x3d;5 and z&#x3d;20 meters.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The increase in rms depth of the melted water fraction as a function of time for different minimum pore sizes. The time increases from <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0, and <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the fact that, for numerical reasons, the initial <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-profile is not a <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-function but has a finite width. The full lines, drawn in colors that correspond to the <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x25e6;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-points, show the theoretical value of <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Equation 48</xref> (so, they all have slope <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) while the <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x25e6;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-points show the values measured from the numerical solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref>. The parameter values are the same as in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-13-1610082-g006.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Log-log plot showing the relationship between the logarithm of root mean square height \( \log_{10}(r_{\text{rms}}) \) in meters and the logarithm of time \( \log_{10}((t&#x2b;t_0) \) in months. Four datasets with different \( R_{\text{min}} \) values (60 nm, 30 nm, 10 nm, 5 nm) are indicated by black, red, green, and blue circles respectively. The blue dataset also includes a line with a slope of 2/3.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Even in the <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>10&#x2013;60 nm cases, the penetration of <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1% fluctuations extends deeper than 10 m, as may be seen from <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Discussion and conclusion</title>
<p>Starting from the thermodynamics of the Gibbs&#x2013;Thomson effect describing the melting of ice in pores and a power law distribution of pore sizes, we have shown that the requirement of energy conservation produces a non-linear equation that yields superdiffusive spreading of the melted water fraction.</p>
<p>The physical picture that emerges from this analysis is that the spreading of heat, or the melted water concentration, is strongly increased by the fact that the heat will bypass any pore that is either too big for melting to occur or so small that the melting has already happened. This is true in the range of temperatures where some pores contain water and some contain ice. As a result, a subsurface porous medium containing ice will experience melting perturbations at depths that greatly exceed those that are expected from a treatment that ignores the freezing-point depression.</p>
<p>Formalisms involving time fractional derivatives can cover descriptions of anomalous diffusion, both in the subdiffusive and superdiffusive domains [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. These formalisms are not focused on the effects of freezing-point depression as in the present case. However, they are relevant to heat flow in media with complex geometries, like porous media and fractured systems, and in some cases, they yield analytic solutions.</p>
<p>In the present modeling, we have neglected all effects coming from the deformations of the solid skeleton that are caused by the difference in specific volume between water and ice. While such effects are key to important phenomena like frost heave [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], they have no important role in the energy budget associated with melting and freezing that we are considering. The added work that is carried out by ice displacing parts of the solid skeleton could, in principle, be incorporated as a small correction to <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the latent heat of fusion. This correction is ignored in the present work.</p>
<p>The superdiffusive spreading of temperature or melted water fraction may also be used as a method to measure pore size distributions: The estimate given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref> shows that close to <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the sensitivity to temperature variations is mainly in the pore liquid fraction <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and not the liquid fraction contained in the surface melted films. In the cases where the pore size distribution is in fact given by a power law distribution, the measurement of a spreading temperature profile may thus provide a value for the diffusion exponent <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and thus for the pore size distribution exponent <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Due to the higher sensitivity to the bulk pore water, this method may be superior to conventional NMR measurements, which cannot distinguish between the liquid water that resides in the pores and that which is contained in the films. Compared to mercury injection measurements, which need high pressures to probe the smallest pores, the temperature technique is less likely to alter the medium through crushing of the smallest pores. It does, however, rely on the basic assumption of a power law pore size distribution.</p>
<p>Our study is not restricted to pure water&#x2013;solid systems. Methane hydrates, which may exist in the subsurface where glaciers have recently withdrawn, have similar values of density and latent heat as water ice [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]. This may give rise to superd&#xed;ffusive behavior, even when the active substance is not water, but methane in combination with water. Measurements showing the freezing-point depression of methane and <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> hydrates in natural sediments [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] support this assertion.</p>
<p>Finally, we note that experimental verification of our predictions would be of great interest. Nanoporous man-made materials, such as activated carbons, zeolites, aluminas, mesoporous silicas, and microporous metal-organic frameworks, may all be tailored to have pores in the <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nm range. They are thus promising candidates for applications in experimental studies of superdiffusive heat flows, provided proper control and monitoring of the temperature variations are designed.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The data generated by the numerical modeling can be obtained from the authors upon request.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>EF: Writing &#x2013; original draft, Methodology, Software, Conceptualization, Investigation, Formal Analysis, Funding acquisition, Writing &#x2013; review and editing, Project administration. AH: Conceptualization, Funding acquisition, Writing &#x2013; review and editing. EE: Conceptualization, Writing &#x2013; review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. This work was partly supported by the Research Council of Norway through its Centers of Excellence funding scheme, project number 262644. AH acknowledges funding from the European Research Council (Grant Agreement 101141323 AGIPORE).</p>
</sec>
<ack>
<p>We thank Daan Frenkel for valuable suggestions on the significance of the nucleation effects.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
<p>The author(s) declared that they were an editorial board member of Frontiers, at the time of submission. This had no impact on the peer review process and the final decision.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s9">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Watanabe</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mizoguchi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Amount of unfrozen water in frozen porous media saturated with solution</article-title>. <source>Cold regions Sci Technology</source> (<year>2002</year>) <volume>34</volume>:<fpage>103</fpage>&#x2013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0165-232X(01)00063-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>EB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>JT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Molinero</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Liquid-ice coexistence below the melting temperature for water confined in hydrophilic and hydrophobic nanopores</article-title>. <source>J Phys Chem C</source> (<year>2012</year>) <volume>116</volume>:<fpage>7507</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp3012409</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marcolli</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Deposition nucleation viewed as homogeneous or immersion freezing in pores and cavities</article-title>. <source>Atmos Chem Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>14</volume>:<fpage>2071</fpage>&#x2013;<lpage>104</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5194/acp-14-2071-2014</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Christenson</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nucleation- and emergence-limited growth of ice from pores</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>120</volume>:<fpage>165701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.120.165701</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">29756921</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lazarenko</surname>
<given-names>MM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zabashta</surname>
<given-names>YF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alekseev</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yablochkova</surname>
<given-names>KS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ushcats</surname>
<given-names>MV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dinzhos</surname>
<given-names>RV</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Melting of crystallites in a solid porous matrix and the application limits of the Gibbs-Thomson equation</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2022</year>) <volume>157</volume>:<fpage>034704</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0093327</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">35868920</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Findenegg</surname>
<given-names>GH</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xE4;hnert</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Akcakayiran</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schreiber</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Freezing and melting of water confined in silica nanopores</article-title>. <source>ChemPhysChem</source> (<year>2008</year>) <volume>9</volume>:<fpage>2651</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cphc.200800616</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">19035394</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bouchaud</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Georges</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Anomalous diffusion in disordered media: statistical mechanisms, models and physical applications</article-title>. <source>Phys Rep</source> (<year>1990</year>) <volume>195</volume>:<fpage>127</fpage>&#x2013;<lpage>293</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(90)90099-n</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gosh</surname>
<given-names>SK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cherstvy</surname>
<given-names>AG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grebenkov</surname>
<given-names>DS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metzler</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Anomalous non-Gaussian tracer diffusion in crowded two-dimensional environments</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>18</volume>:<fpage>013027</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/18/1/013027</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Richardson</surname>
<given-names>LF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Atmospheric diffusion shown on a distance-neighbour graph</article-title>. <source>Proc Roy Soc Lond A</source> (<year>1926</year>) <volume>110</volume>:<fpage>709</fpage>&#x2013;<lpage>37</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.1926.0043</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schlesinger</surname>
<given-names>MF</given-names>
</name>
<name>
<surname>West</surname>
<given-names>BJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klafter</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Levy dynamics of enhanced diffusion: application to turbulence</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1987</year>) <volume>58</volume>:<fpage>1100</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.58.1100</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10034339</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marcolli</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Pre-activation of aerosol particles by ice preserved in pores</article-title>. <source>Atmos Chem Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1595</fpage>&#x2013;<lpage>622</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5194/acp-17-1595-2017</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frenkel</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mathot</surname>
<given-names>VBF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Free energy barrier to melting of single-chain polymer crystallite</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2003</year>) <volume>118</volume>:<fpage>3455</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1553980</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Frenken</surname>
<given-names>WMJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>van der Veen</surname>
<given-names>JF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Observation of surface melting</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1985</year>) <volume>54</volume>:<fpage>134</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.54.134</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10031263</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Elbaum</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schick</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Application of the theory of dispersion forces to the surface melting of ice</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1991</year>) <volume>66</volume>:<fpage>1713</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.66.1713</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10043288</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wilen</surname>
<given-names>LA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wettlaufer</surname>
<given-names>JS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elbaum</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schick</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dispersion-force effects in interfacial premelting of ice</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>1995</year>) <volume>52</volume>:<fpage>12426</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.52.12426</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9980386</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Israelachvili</surname>
<given-names>JN</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Intermolecular and surface forces</source>. <publisher-name>Elsevier</publisher-name> (<year>2011</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vehkamaki</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Classical nucleation theory in multicomponent systems</source>. <edition>1 edn.</edition> <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Frenkel</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smit</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Understanding molecular simulation: from algorithms to applications</source>. <edition>2nd ed.</edition> <publisher-name>Elsevier Science, Academic Press</publisher-name> (<year>2023</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Daeges</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gleiter</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perepezko</surname>
<given-names>JH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Superheating of metal crystals</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>1986</year>) <volume>119</volume>:<fpage>79</fpage>&#x2013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0375-9601(86)90418-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gr&#xe5;b&#xe6;k</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bohr</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anderson</surname>
<given-names>HH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarholt-Kristensen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Melting, growth and faceting of lead precipitates in aluminum</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>1992</year>) <volume>45</volume>:<fpage>2628</fpage>&#x2013;<lpage>37</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.45.2628</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sing</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The use of nitrogen adsorption for the characterisation of porous materials</article-title>. <source>Colloids Surf A</source> (<year>2001</year>) <volume>187</volume>:<fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0927-7757(01)00612-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tombari</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salvetti</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferrari</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johari</surname>
<given-names>GP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic functions of water and ice confined to 2 nm radius pores</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2005</year>) <volume>122</volume>:<fpage>104712</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1862244</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">15836350</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The fractal characteristics of pore size distribution in cement-based materials and its effect on gas permeability</article-title>. <source>Nat Sci Rep</source> (<year>2019</year>) <volume>9</volume>:<fpage>17191</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-019-53828-5</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">31748617</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>CO<sub>2</sub> breakthrough pressure and permeability for unsaturated low-permeability sandstone of the Ordos basin</article-title>. <source>J Hydrol</source> (<year>2017</year>) <volume>550</volume>:<fpage>331</fpage>&#x2013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jhydrol.2017.04.050</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>JY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kwon</surname>
<given-names>TH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Effect of pore size distribution on dissociation temperature depression and phase boundary shift of gas hydrate in various fine-grained sediments</article-title>. <source>Energy Fuels</source> (<year>2018</year>) <volume>32</volume>:<fpage>5321</fpage>&#x2013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.energyfuels.8b00074</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Crowley</surname>
<given-names>AB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the weak solution of moving boundary problems</article-title>. <source>IMA J Appl Mathematics</source> (<year>1979</year>) <volume>24</volume>:<fpage>43</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/imamat/24.1.43</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Flekk&#xf8;y</surname>
<given-names>EG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hansen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baldelli</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hyperballistic superdiffusion and explosive solutions to the non-linear diffusion equation</article-title>. <source>Front Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>9</volume>:<fpage>41</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2021.640560</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pattle</surname>
<given-names>RE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Diffusion from an instantaneous point source with a concentration-dependent coefficient</article-title>. <source>Mech Appl Math</source> (<year>1959</year>) <volume>12</volume>:<fpage>407</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/qjmam/12.4.407</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#x17D;ecov&#xE1;</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Terp&#xE1;k</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Heat conduction modeling by using fractional-order derivatives</article-title>. <source>Appl Math Comput</source> (<year>2015</year>) <volume>257</volume>:<fpage>365</fpage>&#x2013;<lpage>73</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.amc.2014.12.136</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Suzuki</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fomin</surname>
<given-names>SA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chugunov</surname>
<given-names>VA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niibori</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hashida</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fractional diffusion modeling of heat transfer in porous and fractured media</article-title>. <source>Int J Heat Mass Transfer</source> (<year>2016</year>) <volume>103</volume>:<fpage>611</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.08.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nikan</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Avazzadeh</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Machado</surname>
<given-names>JT</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Numerical approach for modeling fractional heat conduction in porous medium with the generalized Cattaneo model</article-title>. <source>Appl Math Model</source> (<year>2021</year>) <volume>100</volume>:<fpage>107</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2021.07.025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rempel</surname>
<given-names>AW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wettlaufer</surname>
<given-names>JS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Worster</surname>
<given-names>MG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Premelting dynamics in a continuum model of frost heave</article-title>. <source>J Fluid Mech</source> (<year>2004</year>) <volume>498</volume>:<fpage>227</fpage>&#x2013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0022112003006761</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chuvilin</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davletshina</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Formation and accumulation of pore methane hydrates in permafrost: experimental modeling</article-title>. <source>Geosciences</source> (<year>2018</year>) <volume>8</volume>:<article-title>467</article-title>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/geosciences8120467</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>