Večno zmrznjena tla: distribucijska območja, temperatura, razvojne značilnosti

2024 Avtor: Henry Conors | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-02-12 12:31

Iz tega članka boste izvedeli o značilnostih tal permafrosta, ki so pogoste na območjih permafrosta. V geologiji je permafrost zemljišče, vključno s kamnito (kriotično) zemljo, ki je dve leti ali več prisotno pri temperaturi ledišča 0 °C ali nižje. Večina permafrosta se nahaja na visokih zemljepisnih širinah (na Arktiki in Antarktiki ter okoli nje), vendar je na primer v Alpah na višjih nadmorskih višinah.

Led ni vedno prisoten, kot je lahko v primeru neporoznih kamnin, vendar ga pogosto najdemo v količinah, ki presegajo potencialno hidravlično nasičenost zemeljskega materiala. Permafrost predstavlja 0,022 % celotne vode na Zemlji in obstaja na 24 % odprtih površin na severni polobli. Pojavlja se tudi pod vodo na epikontinentalnih policah celin, ki obkrožajo Arktični ocean. Po mnenju ene skupine znanstvenikov se globalna temperatura dvigne za 1,5 °C (2,7 °F) nad trenutnoravni bodo dovolj za začetek odmrzovanja permafrosta v Sibiriji.

Študij

V nasprotju z relativnim pomanjkanjem poročil o zamrznjenih tleh v Severni Ameriki pred drugo svetovno vojno je bila literatura o inženirskih vidikih permafrosta na voljo v ruščini. Od leta 1942 se je Simon William Muller poglobil v ustrezno literaturo, ki sta jo hranili Kongresna knjižnica in Knjižnica Geološkega zavoda Združenih držav, da bi vladi zagotovil inženirski priročnik in tehnično poročilo o permafrostu do leta 1943.

Definicija

Permafrost je prst, kamnina ali usedlina, ki je bila zamrznjena več kot dve zaporedni leti. Na območjih, ki niso pokriti z ledom, obstajajo pod plastjo zemlje, kamnin ali usedlin, ki vsako leto zmrznejo in odtajajo in se imenujejo "aktivna plast". V praksi to pomeni, da se permafrost pojavlja pri povprečni letni temperaturi -2 °C (28,4 °F) ali nižje. Debelina aktivne plasti se spreminja glede na letni čas, vendar se giblje od 0,3 do 4 metre (plitvo vzdolž arktične obale; globoko v južni Sibiriji in na Qinghai-Tibetanski planoti).

Geografija

Kaj pa širjenje permafrosta? Obseg permafrosta je odvisen od podnebja: danes na severni polobli 24 % površine brez ledu – kar ustreza 19 milijonom kvadratnih kilometrov – bolj ali manj vpliva na permafrost.

Malo več kot polovica tega območja je pokrita s stalnim permafrostom,približno 20 odstotkov je diskontinuirnega permafrosta in nekaj manj kot 30 odstotkov sporadičnega permafrosta. Večina tega ozemlja se nahaja v Sibiriji, severni Kanadi, Aljaski in Grenlandiji. Pod aktivno plastjo se letna temperaturna nihanja permafrosta z globino zmanjšujejo. Najgloblja globina permafrosta se pojavi tam, kjer geotermalna toplota vzdržuje temperature nad lediščem. Nad to mejo je lahko permafrost, katere temperatura se letno ne spreminja. To je "izotermična permafrost". Območja permafrostnih tal so slabo primerna za aktivno človeško življenje.

podnebje

Permafrost običajno nastane v katerem koli podnebju, kjer je povprečna letna temperatura zraka pod lediščem vode. Izjeme lahko najdemo v mokrih zimskih podnebjih, na primer v severni Skandinaviji in severovzhodni Rusiji zahodno od Urala, kjer sneg deluje kot izolacijska prevleka. Ledeniška območja so lahko izjema. Ker se vsi ledeniki segrejejo v svojih bazah z geotermalno toploto, imajo lahko zmerni ledeniki, ki so blizu njihovega tlačnega tališča, tekočo vodo na meji s kopnim. Zato so brez permafrosta. "Fosilne" hladne anomalije v geotermalnem gradientu na območjih, kjer se je v pleistocenu razvil globok permafrost, vztrajajo do nekaj sto metrov. To je razvidno iz meritev temperature vrtine v Severni Ameriki in Evropi.

Temperatura pod zemljo

Običajno se temperatura pod zemljo od sezone do sezone razlikuje manj kottemperatura zraka. Hkrati se povprečne letne temperature povečujejo z globino, kar je posledica geotermalnega gradienta zemeljske skorje. Če je povprečna letna temperatura zraka le malo pod 0 °C (32 °F), se bo permafrost oblikoval le na zaščitenih mestih - običajno na severni strani - in ustvaril neprekinjeno večno zmrzal. Običajno bo permafrost ostala neprekinjena v podnebjih, kjer je povprečna letna temperatura površine tal -5 do 0 °C (23 do 32 °F). Zgoraj omenjena območja z mokrimi zimami morda nimajo niti občasne permafroste do -2 °C (28 °F).

Vrste permafrosta

Permafrost je pogosto nadalje razdeljen na obsežno neprekinjeno zmrzal, kjer permafrost pokriva 50 do 90 odstotkov pokrajine in se običajno nahaja na območjih s povprečno letno temperaturo od -2 do -4 °C (28 do 25 °F) in sporadična permafrost, kjer permafrost pokriva manj kot 50 odstotkov pokrajine in se običajno pojavlja pri srednjih letnih temperaturah med 0 in -2 °C (32 in 28 °F). V znanosti o tleh je sporadično območje permafrosta SPZ, medtem ko je obsežno območje neprekinjenega permafrosta območje daljinskega zaznavanja. Izjeme so v nezastekljeni Sibiriji in Aljaski, kjer je trenutna globina permafrosta ostanek podnebnih razmer v ledeni dobi, kjer so bile zime 11 °C (20 °F) hladnejše kot danes.

temperatura permafrost

Ko so povprečne letne temperature površine tal pod -5 °C (23 °F), je vpliv vidikanikoli ne more biti dovolj za odmrzovanje permafrosta in oblikovanje neprekinjenega območja permafrosta (na kratko CPZ). Črta neprekinjenega permafrosta na severni polobli predstavlja najjužnejšo mejo, kjer je zemljišče pokrito s stalnim permafrostom ali ledeniškim ledom.

Iz očitnih razlogov je načrtovanje na permafrostu izjemno težka naloga. Neprekinjena linija permafrosta se spreminja na severu ali jugu po vsem svetu zaradi regionalnih podnebnih sprememb. Na južni polobli bi bila večina enakovredne črte v južnem oceanu, če bi bilo kopno. Večji del antarktične celine pokrivajo ledeniki, pod katerimi se večina terena topi v tleh. Izpostavljena dežela Antarktike je večinoma permafrost.

Alpe

Ocene celotne površine cone permafrosta v Alpah se zelo razlikujejo. Bockheim in Munro sta združila tri vire in naredila tabelarične ocene po regijah (skupaj 3.560.000 km2).

Alpskega permafrosta v Andih ni bilo na zemljevidu. Obseg v tem primeru je modeliran za oceno količine vode na teh območjih. Leta 2009 je aljaški raziskovalec odkril permafrost na 4700 m (15 400 ft) na najvišjem afriškem vrhu, gori Kilimandžaro, približno 3° severno od ekvatorja. Temelji na permafrostnih tleh na teh zemljepisnih širinah niso redki.

Zamrznjeno morje in zamrznjeno dno

Morski permafrost se pojavlja pod morskim dnom in obstaja na polarnih epikontinentalnih policahregije. Ta območja so nastala v zadnji ledeni dobi, ko je bila večina zemeljske vode zaprta v ledenih ploščah na kopnem in je bila gladina morja nizka. Ko so se ledene plošče stopile in spet postale morska voda, je permafrost postala potopljene police v razmeroma toplih in slanih mejnih pogojih v primerjavi s permafrostom na površini. Zato podvodna permafrost obstaja v pogojih, ki vodijo do njenega zmanjšanja. Po besedah Osterkampa je podmorski permafrost dejavnik pri načrtovanju, gradnji in delovanju obalnih objektov, struktur morskega dna, umetnih otokov, podmorskih cevovodov in vrtin, izvrtanih za raziskovanje in proizvodnjo.

Permafrost sega do globin baze, kjer geotermalna toplota iz Zemlje in povprečna letna površinska temperatura dosežeta ravnotežno temperaturo 0 °C. Globina podlage permafrosta doseže 1.493 metrov (4.898 ft) v severnih porečjih rek Lena in Yana v Sibiriji. Geotermalni gradient je stopnja povečanja temperature glede na povečanje globine v notranjosti Zemlje. Daleč od meja tektonske plošče je približno 25-30 °C/km blizu površine v večini držav sveta. Razlikuje se glede na toplotno prevodnost geološkega materiala in je manjša za permafrost v tleh kot v kamnini.

Led v zemlji

Ko vsebnost ledu v permafrostu preseže 250 odstotkov (od ledene mase do suhe zemlje), je razvrščen kotogromen led. Masivna ledena telesa so lahko po sestavi od ledenega blata do čistega ledu. Masivne plasti ledu imajo najmanjšo debelino najmanj 2 metra, kratek premer pa najmanj 10 metrov. Prva zabeležena opažanja v Severni Ameriki so evropski znanstveniki opravili na reki Canning na Aljaski leta 1919. Ruska literatura navaja zgodnejši datum 1735 in 1739 med Veliko severno odpravo P. Lassiniusa in Kh. P. Lapteva. Dve kategoriji masivnega zemeljskega ledu sta zakopani površinski led in tako imenovani "led v lopi". Ustvarjanje kakršnih koli temeljev na permafrostu zahteva, da v bližini ni velikih ledenikov.

Zakopani površinski led lahko izvira iz snega, zamrznjenega jezerskega ali morskega ledu, aufeis (zvaljani rečni led) in verjetno je najpogostejša različica zakopanega ledeniškega ledu.

Zmrzovanje podzemne vode

Intradiestimalni led nastane kot posledica zmrzovanja podtalnice. Tu prevladuje segregacijski led, ki nastane kot posledica kristalizacijske diferenciacije, ki nastane pri zmrzovanju mokrih padavin. Proces spremlja migracija vode na fronto zmrzovanja.

Intradiestimal (konstitucijski) led je bil široko opažen in preučen po vsej Kanadi ter vključuje tudi vsiljiv in injekcijski led. Poleg tega ledeni klini, ločena vrsta zemeljskega ledu, proizvajajo prepoznavne vzorčaste poligone ali poligone tundre. Ledeni klini se oblikujejo v že obstoječem geološkem prostorusubstrat. Prvič so bili opisani leta 1919.

Cikel ogljika

Cikel ogljika permafrosta se ukvarja s prenosom ogljika iz tal permafrosta v kopensko vegetacijo in mikrobe, v ozračje, nazaj v vegetacijo in končno nazaj v tla permafrosta z zakopavanjem in padavinami skozi kriogene procese. Nekaj tega ogljika se skozi globalni cikel ogljika prenese v ocean in druge dele sveta. Cikel vključuje izmenjavo ogljikovega dioksida in metana med zemeljskimi komponentami in atmosfero ter transport ogljika med zemljo in vodo v obliki metana, raztopljenega organskega ogljika, raztopljenega anorganskega ogljika, delcev anorganskega ogljika in delcev organskega ogljika.

Zgodovina

Permafrost na Arktiki se je skozi stoletja krčila. Posledica tega je odtajanje tal, ki je lahko šibkejša, in sproščanje metana, ki v povratni zanki prispeva k povečanju stopnje globalnega segrevanja. Območja razširjenosti permafrostnih tal so se v zgodovini nenehno spreminjala.

Na zadnjem ledeniškem maksimumu je neprekinjen permafrost pokrival veliko večje območje kot danes. V Severni Ameriki je obstajal le zelo ozek pas permafrosta južno od ledene plošče širine New Jersey v južni Iowi in severnem Missouriju. Obsežna je bila v bolj suhih zahodnih regijah, kjer se je razširila do južne meje Idaha in Oregona. Na južni polobli je nekaj dokazov o nekdanji večnostipermafrost tega obdobja v osrednjem Otagu in v argentinski Patagoniji, vendar je bil verjetno diskontinuiran in povezan s tundro. Alpski permafrost se je pojavil tudi v Drakensbergu med obstojem ledenikov nad 3.000 metri (9.840 ft). Kljub temu se temelji in temelji na permafrostu vzpostavljajo tudi tam.

Struktura tal

Tla je lahko sestavljena iz številnih substratnih materialov, vključno s kamnino, sedimentom, organskimi snovmi, vodo ali ledom. Zamrznjena tla so vse pod lediščem vode, ne glede na to, ali je v substratu voda ali ne. Zmleti led ni vedno prisoten, kot je lahko v primeru neporoznih kamnin, vendar je pogost in je lahko prisoten v količinah, ki presegajo potencialno hidravlično nasičenost odmrznjenega substrata.

Zaradi tega se padavine povečujejo, kar posledično slabi in morda ruši zgradbe na območjih, kot je Norilsk v severni Rusiji, ki leži v območju permafrosta.

zrušitev pobočja

V preteklem stoletju so poročali o številnih primerih izpada alpskih pobočij v gorskih verigah po vsem svetu. Pričakuje se, da bo velika strukturna škoda povezana s taljenjem permafrosta, ki naj bi ga povzročile podnebne spremembe. Verjame se, da je taljenje permafrosta prispevalo k plazu Val Pola leta 1987, ki je v italijanskih Alpah ubil 22 ljudi. Velika v gorskih verigahdel strukturne stabilnosti je lahko posledica ledenikov in permafrosta. Ko se podnebje segreje, se permafrost odtaja, kar vodi v manj stabilno gorsko strukturo in sčasoma večjo propad pobočja. Zvišanje temperature omogoča globlje globine aktivne plasti, kar pomeni še večji prodor vode. Led v tleh se topi, kar povzroči izgubo trdnosti tal, pospešeno gibanje in morebitne tokove odpadkov. Zato je gradnja na permafrostu zelo nezaželena.

Obstajajo tudi podatki o množičnih padcih skal in ledu (do 11,8 milijona m³), potresih (do 3,9 milijona milj), poplavah (do 7, 8 milijonov m³ vode) in hiter tok kamnitega ledu. To je posledica "nestabilnosti pobočja" v razmerah permafrosta v visokogorju. Nestabilnost pobočja v permafrostu pri povišanih temperaturah blizu ledišča pri segrevanju permafrosta je povezana z učinkovitim stresom in povečanim tlakom porne vode v teh tleh.

Razvoj permafrost tal

Jason Kea in soavtorji so izumili nov trdi piezometer (FRP) brez filtra za merjenje pornega tlaka vode v delno zamrznjenih tleh, kot je segrevanje permafrosta. Razširili so uporabo koncepta učinkovite napetosti na delno zmrznjena tla za uporabo pri analizi stabilnosti pobočij pri segrevanju pobočij permafrosta. Uporaba koncepta učinkovitega stresa ima številne prednosti, na primer sposobnost gradnje podlag in temeljev napermafrost tla.

organsko

V severni cirkumpolarni regiji permafrost vsebuje 1700 milijard ton organskega materiala, kar je skoraj polovico vse organske snovi. Ta bazen je nastajal skozi tisočletja in se v mrzlih razmerah Arktike počasi uničuje. Količina ogljika, ki se zadrži v permafrostu, je štirikrat večja od količine ogljika, ki ga v sodobnem času sprosti človekova dejavnost.

posledice

Nastajanje permafrosta ima pomembne posledice za ekološke sisteme, predvsem zaradi omejitev na območjih korenin, pa tudi zaradi omejitev glede geometrije brlogov in rovov za favno, ki potrebuje podzemne domove. Sekundarni vplivi vplivajo na vrste, ki so odvisne od rastlin in živali, katerih habitat je omejen s permafrostom. Eden najpogostejših primerov je razširjenost črne smreke na velikih območjih permafrosta, saj lahko ta vrsta prenaša naselitev, ki je omejena blizu površine.

Za analizo organskega materiala se včasih naredijo izračuni tal permafrosta. En gram zemlje iz aktivne plasti lahko vsebuje več kot milijardo bakterijskih celic. Ko so postavljene ena ob druge, bakterije iz enega kilograma zemlje aktivne plasti tvorijo verigo, dolgo 1000 km. Število bakterij v tleh permafrosta se zelo razlikuje, običajno med 1 in 1000 milijoni na gram zemlje. Večina tehbakterij in gliv v tleh permafrosta ni mogoče gojiti v laboratoriju, vendar je mogoče identiteto mikroorganizmov razkriti z metodami, ki temeljijo na DNK.

Arktična regija in globalno segrevanje

Arktična regija je eden od naravnih virov toplogrednih plinov metana. Globalno segrevanje pospešuje njegovo sproščanje. Velika količina metana je shranjena na Arktiki v nahajališčih zemeljskega plina, permafrostu in v obliki podvodnih klatratov. Drugi viri metana vključujejo podmorski taliks, rečni transport, umik ledenih kompleksov, podmorski permafrost in razpadajoča nahajališča plinskih hidratov. Preliminarna računalniška analiza kaže, da lahko permafrost proizvede ogljik, ki je enak približno 15 odstotkom današnjih emisij iz človeških dejavnosti. Zaradi segrevanja in odmrzovanja masivov tal je gradnja na permafrostu še nevarnejša.