Solurile înghețate veșnic: zone de distribuție, temperatură, caracteristici de dezvoltare

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-02-12 12:04

Din acest articol veți afla despre caracteristicile solurilor de permafrost care sunt comune în zonele de permafrost. În geologie, permafrostul este pământ, inclusiv sol pietros (criotic), care este prezent la o temperatură de îngheț de 0 °C sau mai mică timp de doi sau mai mulți ani. Cea mai mare parte a permafrost-ului este situată la latitudini mari (în și în jurul regiunilor arctice și antarctice), dar, de exemplu, în Alpi se găsește la altitudini mai mari.

Gheața de sol nu este întotdeauna prezentă, așa cum poate fi cazul rocii de bază neporoase, dar se găsește adesea în cantități care depășesc potențiala saturație hidraulică a materialului de sol. Permafrostul reprezintă 0,022% din totalul apei de pe Pământ și există în 24% din terenurile deschise din emisfera nordică. De asemenea, apare sub apă pe platformele continentale ale continentelor din jurul Oceanului Arctic. Potrivit unui grup de oameni de știință, o creștere a temperaturii globale cu 1,5 °C (2,7 °F) peste nivelul actualnivelurile vor fi suficiente pentru a începe dezghețarea permafrostului în Siberia.

Studiu

Spre deosebire de raritatea relativă a rapoartelor privind solurile înghețate din America de Nord înainte de cel de-al Doilea Război Mondial, literatura despre aspectele inginerești ale permafrostului era disponibilă în limba rusă. Începând cu 1942, Simon William Muller sa aprofundat în literatura relevantă deținută de Biblioteca Congresului și Biblioteca Departamentului de Geologie al Statelor Unite pentru a furniza guvernului un manual de inginerie și un raport tehnic despre permafrost până în 1943.

Definiție

Permafrostul este sol, rocă sau sediment care a fost înghețat mai mult de doi ani consecutivi. În zonele neacoperite cu gheață, ele există sub un strat de sol, rocă sau sediment care îngheață și se dezgheță în fiecare an și este numit „stratul activ”. În practică, aceasta înseamnă că permafrostul are loc la o temperatură medie anuală de -2 °C (28,4 °F) sau mai mică. Grosimea stratului activ variază în funcție de anotimp, dar variază de la 0,3 la 4 metri (de-a lungul coastei arctice; adânc în sudul Siberiei și în Podișul Qinghai-Tibetan).

Geografie

Ce zici de răspândirea permafrostului? Amploarea permafrostului variază în funcție de climă: astăzi, în emisfera nordică, 24% din suprafața uscată fără gheață - echivalentul a 19 milioane de kilometri pătrați - este mai mult sau mai puțin afectată de permafrost.

Puțin mai mult de jumătate din această zonă este acoperită cu permafrost continuu,aproximativ 20% este permafrost discontinuu și puțin sub 30% este permafrost sporadic. Cea mai mare parte a acestui teritoriu este situat în Siberia, nordul Canadei, Alaska și Groenlanda. Sub stratul activ, fluctuațiile anuale ale temperaturii permafrostului devin mai mici odată cu adâncimea. Cea mai adâncă adâncime a permafrostului are loc acolo unde căldura geotermală menține temperaturi peste zero. Peste această limită, poate exista permafrost, a cărui temperatură nu se modifică anual. Acesta este „permafrost izotermic”. Zonele de sol de permafrost nu sunt potrivite pentru viața umană activă.

Clima

Permafrostul se formează de obicei în orice climă unde temperatura medie anuală a aerului este sub punctul de îngheț al apei. Excepții pot fi găsite în climatele umede de iarnă, cum ar fi în nordul Scandinaviei și nord-estul Rusiei la vest de Urali, unde zăpada acționează ca o acoperire izolatoare. Zonele glaciare pot fi excepții. Deoarece toți ghețarii sunt încălziți la bazele lor de căldură geotermală, ghețarii temperați care sunt aproape de punctul lor de topire sub presiune pot avea apă lichidă la limita cu pământul. Prin urmare, acestea sunt libere de permafrost. Anomalii de frig „fosile” în gradientul geotermal în zonele în care permafrostul profund dezvoltat în timpul Pleistocenului persistă până la câteva sute de metri. Acest lucru este evident din măsurătorile de temperatură din puțuri din America de Nord și Europa.

Temperatura subteran

De obicei, temperatura subterană variază mai puțin de la sezon la sezontemperatura aerului. În același timp, temperaturile medii anuale tind să crească odată cu adâncimea ca urmare a gradientului geotermal al scoarței terestre. Astfel, dacă temperatura medie anuală a aerului este doar puțin sub 0 °C (32 °F), permafrostul se va forma doar în locurile protejate - de obicei pe partea de nord - creând permafrost discontinuu. De obicei, permafrostul va rămâne discontinuu în climatele în care temperatura medie anuală a suprafeței solului este de -5 până la 0 ° C (23 până la 32 ° F). Este posibil ca zonele cu ierni umede menționate mai sus să nu aibă nici măcar permafrost intermitent până la -2 °C (28 °F).

Tipuri de permafrost

Permafrostul este adesea împărțit în permafrost discontinuu extins, unde permafrostul acoperă 50 până la 90 la sută din peisaj și se găsește de obicei în zone cu temperaturi medii anuale de -2 până la -4 °C (28 până la 25 °F), și permafrost sporadic, unde permafrostul acoperă mai puțin de 50 la sută din peisaj și apare de obicei la temperaturi medii anuale între 0 și -2 °C (32 și 28 °F). În știința solului, zona de permafrost sporadic este SPZ, în timp ce zona extinsă de permafrost discontinuu este zona de teledetecție. Excepții apar în Siberia și Alaska nestrălucită, unde adâncimea actuală a permafrost-ului este o rămășiță a condițiilor climatice din timpul erei glaciare, unde iernile erau cu 11 °C (20 °F) mai reci decât astăzi.

Temperatura permafrost

Când temperaturile medii anuale ale suprafeței solului sunt sub -5 °C (23 °F), influența aspectuluinu poate fi niciodată suficient pentru a dezgheța permafrostul și a forma o zonă continuă de permafrost (CPZ pe scurt). Linia de permafrost continuu din emisfera nordică reprezintă limita cea mai suică unde pământul este acoperit de permafrost continuu sau gheață glaciară.

Din motive evidente, proiectarea pe permafrost este o sarcină extrem de dificilă. Linia continuă de permafrost se schimbă la nord sau la sud în întreaga lume din cauza schimbărilor climatice regionale. În emisfera sudică, cea mai mare parte a liniei echivalente ar fi în Oceanul de Sud dacă ar exista pământ. Cea mai mare parte a continentului antarctic este acoperită de ghețari, sub care cea mai mare parte a terenului este supusă topirii în pământ. Terenul expus din Antarctica este în mare parte permafrost.

Alpi

Estimările suprafeței totale a zonei de permafrost din Alpi variază foarte mult. Bockheim și Munro au combinat cele trei surse și au făcut estimări tabelare pe regiuni (3.560.000 km2 în total).

Permafrostul alpin din Anzi nu era pe hartă. Amploarea în acest caz este modelată pentru a estima cantitatea de apă din aceste zone. În 2009, un cercetător din Alaska a descoperit permafrostul la 4.700 m (15.400 ft) pe cel mai în alt vârf din Africa, Muntele Kilimanjaro, la aproximativ 3° nord de ecuator. Fundațiile pe solurile de permafrost de la aceste latitudini nu sunt neobișnuite.

Mări înghețate și fund înghețat

Permafrostul marin apare sub fundul mării și există pe platformele continentale polareregiuni. Aceste zone s-au format în timpul ultimei epoci de gheață, când cea mai mare parte a apei Pământului a fost blocată în foi de gheață de pe uscat, iar nivelul mării era scăzut. Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit și au devenit din nou apă de mare, permafrostul a devenit rafturi scufundate în condiții de limită relativ calde și sărate în comparație cu permafrostul de la suprafață. Prin urmare, permafrostul subacvatic există în condiții care duc la reducerea acestuia. Potrivit lui Osterkamp, permafrostul submarin este un factor în „proiectarea, construcția și operarea instalațiilor de coastă, structurilor fundului mării, insulelor artificiale, conductelor submarine și puțurilor forate pentru explorare și producție.

Permafrostul se extinde până la adâncimea bazei, unde căldura geotermală de la Pământ și temperatura medie anuală a suprafeței ating o temperatură de echilibru de 0 °C. Adâncimea bazei de permafrost ajunge la 1.493 de metri (4.898 ft) în bazinele nordice ale râurilor Lena și Yana din Siberia. Gradientul geotermal este rata de creștere a temperaturii în raport cu creșterea adâncimii în interiorul Pământului. Departe de limitele plăcii tectonice, este de aproximativ 25-30 °C/km aproape de suprafață în majoritatea țărilor lumii. Acesta variază în funcție de conductibilitatea termică a materialului geologic și este mai puțin pentru permafrost în sol decât în roca de bază.

Gheață în sol

Când conținutul de gheață al permafrostului depășește 250 la sută (de la masa de gheață la sol uscat), acesta este clasificat cagheață masivă. Corpurile masive de gheață pot varia în compoziție de la noroi înghețat la gheață pură. Straturile masive de gheață au o grosime minimă de cel puțin 2 metri, un diametru scurt de cel puțin 10 metri. Primele observații înregistrate în America de Nord au fost făcute de oamenii de știință europeni pe râul Canning din Alaska în 1919. Literatura rusă oferă o dată anterioară a anilor 1735 și 1739 în timpul Marii Expediții Nordice a lui P. Lassinius și, respectiv, Kh. P. Laptev. Cele două categorii de gheață de sol masivă sunt gheața de suprafață îngropată și așa-numita „gheață intra-vărnă”. Crearea oricăror fundații pe permafrost necesită să nu existe ghețari mari în apropiere.

Gheața de suprafață îngropată poate proveni din zăpadă, gheață înghețată de lac sau mare, aufeis (gheață de râu rulată) și probabil cea mai comună variantă este gheața glaciară îngropată.

Înghețul apelor subterane

Gheața intraestimală se formează ca urmare a înghețului apelor subterane. Aici predomină gheața de segregare, care are loc ca urmare a diferențierii de cristalizare care are loc în timpul înghețului precipitațiilor umede. Procesul este însoțit de migrarea apei pe frontul de îngheț.

Gheața intradițională (constituțională) a fost observată și studiată pe scară largă în toată Canada și include, de asemenea, gheață intruzivă și injectabilă. În plus, pene de gheață, un tip separat de gheață de pământ, produc poligoane cu model sau poligoane de tundră. Pene de gheață se formează într-un mediu geologic preexistentsubstrat. Ele au fost descrise pentru prima dată în 1919.

Ciccul carbonului

Ciclorul carbonului permafrost se referă la transferul carbonului din solurile permafrost la vegetația terestră și microbi, în atmosferă, înapoi la vegetație și, în final, înapoi în solul permafrost prin îngropare și precipitare prin procese criogenice. O parte din acest carbon este transferat către ocean și alte părți ale globului prin ciclul global al carbonului. Ciclul include schimbul de dioxid de carbon și metan între componentele terestre și atmosferă și transportul de carbon între pământ și apă sub formă de metan, carbon organic dizolvat, carbon anorganic dizolvat, particule de carbon anorganic și particule de carbon organic.

Istorie

Permafrostul din Arctica s-a micșorat de-a lungul secolelor. Consecința acestui lucru este dezghețarea solului, care poate fi mai slab, și eliberarea de metan, care contribuie la creșterea ratei de încălzire globală într-o buclă de feedback. Zonele de distribuție ale solurilor de permafrost s-au schimbat constant în istorie.

La ultimul maxim glaciar, permafrostul continuu acoperea o suprafață mult mai mare decât în prezent. În America de Nord, doar o centură foarte îngustă de permafrost a existat la sud de calota de gheață de latitudine New Jersey în sudul Iowa și nordul Missouri. Era extins în regiunile vestice mai uscate, unde s-a extins până la granița de sud a Idaho și Oregon. În emisfera sudică, există unele dovezi ale unui fost eternpermafrost din această perioadă în centrul Otago și în Patagonia argentiniană, dar probabil a fost discontinuu și asociat cu tundra. Permafrostul alpin a apărut și în Drakensberg în timpul existenței ghețarilor peste 3.000 de metri (9.840 ft). Cu toate acestea, fundațiile și fundațiile pe permafrost sunt înființate chiar și acolo.

Structura solului

Solul poate fi compus din multe materiale de substrat, inclusiv roca de bază, sedimente, materie organică, apă sau gheață. Pământul înghețat este orice sub punctul de îngheț al apei, indiferent dacă există sau nu apă în substrat. Gheața de sol nu este întotdeauna prezentă, așa cum poate fi cazul rocii de bază neporoase, dar este obișnuită și poate fi prezentă în cantități care depășesc potențiala saturație hidraulică a substratului dezghețat.

Ca urmare, precipitațiile sunt în creștere, ceea ce, la rândul său, slăbește și poate prăbuși clădirile în zone precum Norilsk din nordul Rusiei, care se află în zona de permafrost.

Răbușire panta

De-a lungul secolului trecut, au fost raportate multe cazuri de eșec al versantului alpin în lanțurile muntoase din întreaga lume. Se așteaptă ca o mare cantitate de daune structurale să fie asociată cu topirea permafrostului, despre care se crede că este cauzată de schimbările climatice. Se crede că topirea permafrostului a contribuit la alunecarea de teren din Val Pola din 1987, care a ucis 22 de persoane în Alpii italieni. Mare în lanțurile muntoaseo parte din stabilitatea structurală se poate datora ghețarilor și permafrostului. Pe măsură ce clima se încălzește, permafrostul se dezgheță, ceea ce duce la o structură montană mai puțin stabilă și, în cele din urmă, la mai multe defecțiuni ale pantei. Creșterea temperaturii permite adâncimi mai profunde ale stratului activ, ceea ce implică și mai multă pătrundere a apei. Gheața din sol se topește, provocând pierderea rezistenței solului, mișcarea accelerată și potențiale fluxuri de resturi. Prin urmare, construcția pe permafrost este extrem de nedorită.

Există, de asemenea, informații despre căderi masive de pietre și gheață (până la 11,8 milioane m³), cutremure (până la 3,9 milioane de mile), inundații (până la 7, 8 milioane m³ de apă) și curgerea rapidă a gheții stâncoase. Acest lucru este cauzat de „instabilitatea pantei” în condițiile de permafrost din zonele în alte. Instabilitatea pantei în permafrost la temperaturi ridicate aproape de îngheț în permafrostul care se încălzește este asociată cu stres efectiv și presiune crescută a apei din pori în aceste soluri.

Dezvoltarea solurilor de permafrost

Jason Kea și coautorii au inventat un nou piezometru rigid fără filtru (FRP) pentru a măsura presiunea apei din pori în soluri parțial înghețate, cum ar fi permafrostul care se încălzește. Ei au extins utilizarea conceptului de stres eficient la solurile parțial înghețate pentru a fi utilizate în analiza stabilității versanților a versanților de permafrost care se încălzesc. Aplicarea conceptului de stres eficient are multe avantaje, de exemplu, capacitatea de a construi baze și fundații pesoluri de permafrost.

Organic

În regiunea circumpolară nordică, permafrostul conține 1.700 de miliarde de tone de material organic, aproape jumătate din toată materia organică. Acest bazin a fost creat de-a lungul mileniilor și este distrus încet în condițiile reci din Arctica. Cantitatea de carbon sechestrată în permafrost este de patru ori mai mare decât cantitatea de carbon eliberată în atmosferă de activitatea umană în vremurile moderne.

Consecințe

Formarea permafrostului are implicații semnificative pentru sistemele ecologice, în primul rând din cauza restricțiilor impuse zonelor rădăcinilor, precum și a restricțiilor privind geometria bârlogurilor și vizuinilor pentru fauna care necesită locuințe subterane. Impacturile secundare afectează speciile dependente de plante și animale al căror habitat este limitat de permafrost. Unul dintre cele mai comune exemple este prevalența molidului negru în zone vaste de permafrost, deoarece această specie poate tolera stabilirea care este limitată în apropierea suprafeței.

Calculele solurilor de permafrost se fac uneori pentru analiza materialului organic. Un gram de sol dintr-un strat activ poate conține peste un miliard de celule bacteriene. Când sunt plasate una de-a lungul alteia, bacteriile dintr-un kilogram de sol al stratului activ formează un lanț lung de 1000 km. Numărul de bacterii din solul permafrost variază foarte mult, de obicei între 1 și 1000 de milioane per gram de sol. Cele mai multe dintre acesteabacteriile și ciupercile din solul permafrost nu pot fi cultivate în laborator, dar identitatea microorganismelor poate fi dezvăluită folosind metode bazate pe ADN.

Regiunea arctică și încălzirea globală

Regiunea arctică este una dintre sursele naturale de gaze metan cu efect de seră. Încălzirea globală își accelerează eliberarea. O mare cantitate de metan este stocată în Arctica în zăcăminte de gaze naturale, permafrost și sub formă de clatrați subacvatici. Alte surse de metan includ talik submarin, transportul fluvial, retragerea complexului de gheață, permafrostul submarin și depozitele de hidrat de gaz în descompunere. Analiza computerizată preliminară indică faptul că permafrostul poate produce carbon egal cu aproximativ 15% din emisiile de astăzi din activitățile umane. Încălzirea și dezghețarea masivelor de sol fac construirea pe permafrost și mai periculoasă.