Vječno smrznuta tla: područja distribucije, temperatura, značajke razvoja

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-02-12 08:08

Iz ovog članka saznat ćete o značajkama tla permafrosta koje su uobičajene u zonama permafrosta. U geologiji, permafrost je zemljište, uključujući kamenito (kriotično) tlo, koje je prisutno na temperaturi smrzavanja od 0 °C ili niže tijekom dvije ili više godina. Većina permafrosta nalazi se na visokim geografskim širinama (u i oko arktičkih i antarktičkih regija), ali, na primjer, u Alpama se nalazi na većim nadmorskim visinama.

Prizemni led nije uvijek prisutan, kao što može biti slučaj s neporoznom osnovom, ali se često nalazi u količinama koje su veće od potencijalne hidrauličke zasićenosti prizemnog materijala. Permafrost čini 0,022% ukupne vode na Zemlji i postoji na 24% otvorenog kopna na sjevernoj hemisferi. Također se javlja pod vodom na kontinentalnim policama kontinenata koji okružuju Arktički ocean. Prema jednoj skupini znanstvenika, globalni porast temperature od 1,5 °C (2,7 °F) iznad trenutnerazine će biti dovoljne za početak odmrzavanja permafrosta u Sibiru.

Studij

Za razliku od relativno malog broja izvješća o smrznutim tlima u Sjevernoj Americi prije Drugog svjetskog rata, literatura o inženjerskim aspektima permafrosta bila je dostupna na ruskom. Počevši od 1942. godine, Simon William Muller je istraživao relevantnu literaturu koju drže Kongresna knjižnica i Biblioteka Geološkog zavoda Sjedinjenih Država kako bi vladi pružio tehnički priručnik i tehničko izvješće o permafrostu do 1943.

Definicija

Permafrost je tlo, stijena ili sediment koji je bio zamrznut više od dvije uzastopne godine. U područjima koja nisu pokrivena ledom, postoje ispod sloja tla, stijena ili sedimenta koji se svake godine smrzava i odmrzava i naziva se "aktivni sloj". U praksi to znači da se permafrost javlja na prosječnoj godišnjoj temperaturi od -2 °C (28,4 °F) ili niže. Debljina aktivnog sloja varira ovisno o sezoni, ali se kreće od 0,3 do 4 metra (plitko duž arktičke obale; duboko u južnom Sibiru i Qinghai-Tibetanskoj visoravni).

Geografija

Što je sa širenjem permafrosta? Opseg permafrosta varira ovisno o klimi: danas je na sjevernoj hemisferi 24% kopnene površine bez leda - što je ekvivalentno 19 milijuna četvornih kilometara - više ili manje pod utjecajem permafrosta.

Nešto više od polovice ovog područja prekriveno je stalnim permafrostom,oko 20 posto je diskontinuirani permafrost, a nešto manje od 30 posto je sporadični permafrost. Većina ovog teritorija nalazi se u Sibiru, sjevernoj Kanadi, Aljasci i Grenlandu. Ispod aktivnog sloja godišnje fluktuacije temperature permafrosta postaju sve manje s dubinom. Najdublja dubina permafrosta događa se tamo gdje geotermalna toplina održava temperature iznad nule. Iznad ove granice može biti permafrost čija se temperatura ne mijenja godišnje. Ovo je "izotermni permafrost". Područja tla permafrosta slabo su prikladna za aktivan ljudski život.

klima

Permafrost obično nastaje u bilo kojoj klimi gdje je prosječna godišnja temperatura zraka ispod točke smrzavanja vode. Iznimke se mogu naći u vlažnim zimskim klimama, kao što su u sjevernoj Skandinaviji i sjeveroistočnoj Rusiji zapadno od Urala, gdje snijeg djeluje kao izolacijski pokrov. Glacijalna područja mogu biti iznimke. Budući da se svi ledenjaci u podnožju zagrijavaju geotermalnom toplinom, umjereni ledenjaci koji su blizu svoje tlačne točke taljenja mogu imati tekuću vodu na granici s kopnom. Stoga su bez permafrosta. "Fosilne" hladne anomalije u geotermalnom gradijentu u područjima gdje se duboki permafrost razvio tijekom pleistocena opstaju do nekoliko stotina metara. To je vidljivo iz mjerenja temperature bušotine u Sjevernoj Americi i Europi.

Temperatura ispod zemlje

Uobičajeno, temperatura ispod zemlje varira od sezone do sezone manje odtemperatura zraka. Istodobno, prosječne godišnje temperature imaju tendenciju porasta s dubinom kao rezultat geotermalnog gradijenta zemljine kore. Dakle, ako je prosječna godišnja temperatura zraka tek nešto ispod 0 °C (32 °F), permafrost će se formirati samo na mjestima koja su zaštićena - obično na sjevernoj strani - stvarajući diskontinuirani permafrost. Uobičajeno, permafrost će ostati diskontinuiran u klimama gdje je prosječna godišnja temperatura površine tla -5 do 0°C (23 do 32°F). Gore spomenuta područja s vlažnim zimama možda neće imati povremeni permafrost do -2 °C (28 °F).

Vrste permafrosta

Permafrost se često dalje dijeli na ekstenzivni diskontinuirani permafrost, gdje permafrost pokriva 50 do 90 posto krajolika i obično se nalazi u područjima sa srednjim godišnjim temperaturama od -2 do -4 °C (28 do 25 °F) i sporadični permafrost, gdje permafrost pokriva manje od 50 posto krajolika i obično se javlja na srednjim godišnjim temperaturama između 0 i -2 °C (32 i 28 °F). U znanosti o tlu, sporadična zona permafrosta je SPZ, dok je ekstenzivna diskontinuirana zona permafrosta zona daljinskog istraživanja. Iznimke se javljaju u neglaziranom Sibiru i Aljasci, gdje je trenutna dubina permafrosta ostatak klimatskih uvjeta tijekom ledenog doba, gdje su zime bile 11 °C (20 °F) hladnije nego danas.

temperatura permafrosta

Kada su prosječne godišnje temperature površine tla ispod -5 °C (23 °F), utjecaj aspektanikada ne može biti dovoljno za odmrzavanje permafrosta i stvaranje kontinuirane zone permafrosta (skraćeno CPZ). Linija kontinuiranog permafrosta na sjevernoj hemisferi predstavlja najjužniju granicu gdje je kopno prekriveno neprekidnim permafrostom ili glacijalnim ledom.

Iz očitih razloga, projektiranje na permafrostu iznimno je težak zadatak. Kontinuirana linija permafrosta mijenja se na sjever ili jug diljem svijeta zbog regionalnih klimatskih promjena. Na južnoj hemisferi većina ekvivalentne linije bila bi u Južnom oceanu da postoji kopno. Veći dio antarktičkog kontinenta prekriven je glečerima, ispod kojih je većina terena podložna topljenju u tlu. Izložena zemlja Antarktika uglavnom je permafrost.

Alpe

Procjene ukupne površine zone permafrosta u Alpama uvelike variraju. Bockheim i Munro kombinirali su tri izvora i napravili tablične procjene po regijama (ukupno 3.560.000 km2).

Alpski permafrost u Andama nije bio na karti. Opseg je u ovom slučaju modeliran za procjenu količine vode u tim područjima. Godine 2009., istraživač s Aljaske otkrio je vječni led na 4.700 m (15.400 stopa) na najvišem vrhu Afrike, planini Kilimanjaro, oko 3° sjeverno od ekvatora. Temelji na tlima permafrosta na ovim geografskim širinama nisu neuobičajeni.

Zamrznuto more i smrznuto dno

Morski permafrost javlja se ispod morskog dna i postoji na polarnim kontinentalnim policamaregije. Ta su područja nastala tijekom posljednjeg ledenog doba, kada je većina Zemljine vode bila zatvorena u ledenim pločama na kopnu, a razina mora bila je niska. Kako su se ledeni pokrivači otopili i ponovno postali morska voda, permafrost je postao potopljene police u relativno toplim i slanim graničnim uvjetima u usporedbi s permafrostom na površini. Stoga podvodni permafrost postoji u uvjetima koji dovode do njegovog smanjenja. Prema Osterkampu, podmorski permafrost je čimbenik u „projektu, izgradnji i radu obalnih objekata, struktura na morskom dnu, umjetnih otoka, podmorskih cjevovoda i bušotina izbušenih za istraživanje i proizvodnju.

Permafrost se proteže do dubine baze, gdje geotermalna toplina iz Zemlje i prosječna godišnja površinska temperatura postižu ravnotežnu temperaturu od 0 °C. Dubina baze permafrosta doseže 1493 metra (4898 stopa) u sjevernim slivovima rijeka Lene i Yana u Sibiru. Geotermalni gradijent je stopa porasta temperature u odnosu na povećanje dubine u unutrašnjosti Zemlje. Daleko od granica tektonske ploče, ona je oko 25-30 °C/km blizu površine u većini zemalja svijeta. Ona varira ovisno o toplinskoj vodljivosti geološkog materijala i manja je za permafrost u tlu nego u temeljnoj stijeni.

Led u tlu

Kada sadržaj leda u permafrostu prelazi 250 posto (od ledene mase do suhog tla), on se klasificira kaomasivni led. Masivna ledena tijela mogu biti u sastavu od ledenog blata do čistog leda. Masivni slojevi leda imaju minimalnu debljinu od najmanje 2 metra, kratki promjer od najmanje 10 metara. Prva zabilježena viđenja u Sjevernoj Americi europski su znanstvenici napravili na rijeci Canning na Aljasci 1919. godine. Ruska književnost navodi raniji datum 1735. i 1739. tijekom Velike sjeverne ekspedicije P. Lassiniusa i Kh. P. Lapteva, redom. Dvije kategorije masivnog prizemnog leda su zatrpani površinski led i takozvani "led u unutrašnjosti". Stvaranje bilo kakvih temelja na permafrostu zahtijeva da u blizini nema velikih ledenjaka.

Zakopani površinski led može potjecati od snijega, smrznutog jezerskog ili morskog leda, aufeis (motani riječni led) i vjerojatno je najčešća varijanta zatrpanog glacijalnog leda.

Zamrzavanje podzemnih voda

Intradiestimalni led nastaje kao rezultat smrzavanja podzemnih voda. Ovdje prevladava segregacijski led koji nastaje kao posljedica kristalizacijske diferencijacije koja nastaje tijekom smrzavanja vlažnih oborina. Proces je popraćen migracijom vode na frontu smrzavanja.

Intradiestimalni (konstitucijski) led je naširoko promatran i proučavan u cijeloj Kanadi, a također uključuje intruzivni i injekcijski led. Osim toga, ledeni klinovi, zasebna vrsta prizemnog leda, proizvode prepoznatljive poligone s uzorkom ili poligone tundre. Ledeni klinovi nastaju u već postojećem geološkomsupstrat. Prvi put su opisani 1919.

Ugljični ciklus

Ugljični ciklus permafrosta bavi se prijenosom ugljika iz tla permafrosta u kopnenu vegetaciju i mikrobe, u atmosferu, natrag u vegetaciju i konačno natrag u tlo permafrosta kroz zakopavanje i oborine kroz kriogene procese. Dio tog ugljika prenosi se u ocean i druge dijelove svijeta kroz globalni ciklus ugljika. Ciklus uključuje izmjenu ugljičnog dioksida i metana između kopnenih komponenti i atmosfere, te prijenos ugljika između kopna i vode u obliku metana, otopljenog organskog ugljika, otopljenog anorganskog ugljika, čestica anorganskog ugljika i čestica organskog ugljika.

Povijest

Permafrost Arktika smanjivao se tijekom stoljeća. Posljedica toga je odmrzavanje tla, koje može biti slabije, te oslobađanje metana, što pridonosi povećanju stope globalnog zatopljenja u povratnoj petlji. Područja distribucije tla permafrosta stalno su se mijenjala u povijesti.

Na posljednjem glacijalnom maksimumu neprekidni permafrost pokrivao je mnogo veće područje nego danas. U Sjevernoj Americi samo je vrlo uzak pojas permafrosta postojao južno od ledene ploče na geografskoj širini New Jerseya u južnoj Iowi i sjevernom Missouriju. Bio je opsežan u sušnijim zapadnim regijama, gdje se prostirao do južne granice Idaha i Oregona. Na južnoj hemisferi postoje neki dokazi o nekadašnjoj vječnostipermafrost ovog razdoblja u središnjem Otagu i u argentinskoj Patagoniji, ali je vjerojatno bio diskontinuiran i povezan s tundrom. Alpski permafrost također se pojavio u Drakensbergu tijekom postojanja ledenjaka iznad 3000 metara (9840 stopa). Ipak, i tamo se postavljaju temelji i temelji na vječnom ledu.

Struktura tla

Tlo se može sastojati od mnogih supstratnih materijala, uključujući temeljnu stijenu, sediment, organsku tvar, vodu ili led. Smrznuto tlo je sve ispod točke smrzavanja vode, bez obzira na to je li voda prisutna u supstratu ili ne. Mleveni led nije uvijek prisutan, kao što može biti slučaj za neporoznu podlogu, ali je uobičajen i može biti prisutan u količinama koje su veće od potencijalnog hidrauličkog zasićenja odmrznutog supstrata.

Kao rezultat toga, padavine su sve veće, što zauzvrat slabi i vjerojatno urušava zgrade u područjima kao što je Norilsk u sjevernoj Rusiji, koji se nalazi u zoni permafrosta.

Kolaps nagiba

Tijekom prošlog stoljeća bilo je mnogo prijavljenih slučajeva neuspjeha alpskih padina u planinskim lancima diljem svijeta. Očekuje se da će velika strukturna oštećenja biti povezana s topljenjem permafrosta, za koji se vjeruje da je uzrokovan klimatskim promjenama. Vjeruje se da je topljenje permafrosta doprinijelo klizištu Val Pola 1987. u kojem su poginule 22 osobe u talijanskim Alpama. Velika u planinskim lancimadio strukturne stabilnosti može biti posljedica glečera i permafrosta. Kako se klima zagrijava, permafrost se otapa, što dovodi do manje stabilne planinske strukture i na kraju do većeg propadanja padine. Povećanje temperature omogućuje dublje dubine aktivnog sloja, što podrazumijeva još veći prodor vode. Led u tlu se topi, uzrokujući gubitak čvrstoće tla, ubrzano kretanje i potencijalne tokove krhotina. Stoga je gradnja na permafrostu vrlo nepoželjna.

Postoje i podaci o masivnim padovima stijena i leda (do 11,8 milijuna m³), potresima (do 3,9 milijuna milja), poplavama (do 7, 8 milijuna m³ vode) i brz protok kamenitog leda. To je uzrokovano "nestabilnošću padina" u uvjetima permafrosta u gorju. Nestabilnost nagiba u permafrostu na povišenim temperaturama blizu smrzavanja u zagrijavanju permafrosta povezana je s učinkovitim stresom i povećanim tlakom vode u porama u tim tlima.

Razvoj tla permafrost

Jason Kea i koautori izumili su novi kruti pijezometar (FRP) bez filtera za mjerenje tlaka vode u porama u djelomično smrznutim tlima kao što je zagrijavanje permafrosta. Proširili su korištenje koncepta učinkovitog naprezanja na djelomično smrznuta tla za korištenje u analizi stabilnosti padina zatopljenih padina permafrosta. Primjena koncepta učinkovitog stresa ima mnoge prednosti, na primjer, sposobnost izgradnje temelja i temelja napermafrost tla.

organski

U sjevernoj cirkumpolarnoj regiji, permafrost sadrži 1700 milijardi tona organskog materijala, gotovo polovicu sve organske tvari. Ovaj bazen nastajao je tisućljećima i polako se uništava u hladnim uvjetima Arktika. Količina ugljika izdvojenog u permafrostu je četiri puta veća od količine ugljika koji se oslobađa u atmosferu ljudskom aktivnošću u moderno doba.

Posljedice

Stvaranje permafrosta ima značajne implikacije na ekološke sustave, prvenstveno zbog ograničenja postavljenih na korijenske zone, kao i ograničenja geometrije jazbina i jazbina za faunu koja zahtijeva podzemne domove. Sekundarni utjecaji utječu na vrste ovisne o biljkama i životinjama čije je stanište ograničeno permafrostom. Jedan od najčešćih primjera je prevalencija crne smreke u golemim područjima permafrosta, jer ova vrsta može tolerirati naseljavanje koje je ograničeno blizu površine.

Proračuni permafrost tla ponekad se rade za analizu organskog materijala. Jedan gram tla iz aktivnog sloja može sadržavati više od milijardu bakterijskih stanica. Kada se smjeste jedna uz drugu, bakterije iz jednog kilograma tla aktivnog sloja tvore lanac dug 1000 km. Broj bakterija u tlu permafrosta uvelike varira, obično između 1 i 1000 milijuna po gramu tla. Većina ovihbakterije i gljive u tlu permafrosta ne mogu se uzgajati u laboratoriju, ali se identitet mikroorganizama može otkriti korištenjem DNK metoda.

Arktička regija i globalno zatopljenje

Arktička regija jedan je od prirodnih izvora stakleničkih plinova metana. Globalno zatopljenje ubrzava njegovo oslobađanje. Velika količina metana pohranjena je na Arktiku u ležištima prirodnog plina, permafrostu i u obliku podvodnih klatrata. Ostali izvori metana uključuju podmorski taliks, riječni transport, povlačenje ledenih kompleksa, podmorski permafrost i raspadajuće naslage plinskih hidrata. Preliminarna računalna analiza pokazuje da permafrost može proizvesti ugljik jednak oko 15 posto današnjih emisija iz ljudskih aktivnosti. Zagrijavanje i odmrzavanje masiva tla čini gradnju na permafrostu još opasnijom.