Vječno smrznuta tla: područja distribucije, temperatura, karakteristike razvoja

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-02-12 04:33

Iz ovog članka ćete naučiti o karakteristikama 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 dvije ili više godina. Većina permafrosta nalazi se na visokim geografskim širinama (u i oko arktičkih i antarktičkih regija), ali, na primjer, u Alpima se nalazi na većim nadmorskim visinama.

Prizemni led nije uvijek prisutan, kao što može biti slučaj sa neporoznom osnovom, ali se često nalazi u količinama koje su veće od potencijalnog hidrauličkog zasićenja prizemnog materijala. Permafrost čini 0,022% ukupne vode na Zemlji i postoji na 24% otvorenog kopna na sjevernoj hemisferi. Takođe se javlja pod vodom na kontinentalnim policama kontinenata koji okružuju Arktički okean. Prema jednoj grupi naučnika, globalni porast temperature od 1,5 °C (2,7 °F) iznad trenutnenivoi će biti dovoljni za početak odmrzavanja permafrosta u Sibiru.

Studij

Za razliku od relativnog malog broja izvještaja o smrznutom tlu u Sjevernoj Americi prije Drugog svjetskog rata, literatura o inženjerskim aspektima permafrosta bila je dostupna na ruskom jeziku. Počevši od 1942. godine, Simon William Muller je ulazio u relevantnu literaturu koju su držale Kongresna biblioteka i Biblioteka Geološkog zavoda Sjedinjenih Država kako bi vladi pružio inženjerski priručnik i tehnički izvještaj 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 u zavisnosti od sezone, ali se kreće od 0,3 do 4 metra (plitko duž arktičke obale; duboko u južnom Sibiru i Qinghai-Tibetanskoj visoravni).

Geografija

Šta je sa širenjem permafrosta? Obim permafrosta varira u zavisnosti od klime: danas je na sjevernoj hemisferi 24% kopnene površine bez leda - što je ekvivalentno 19 miliona kvadratnih kilometara - manje ili više zahvaćeno permafrostom.

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

klima

Permafrost se obično formira u bilo kojoj klimi gdje je prosječna godišnja temperatura zraka ispod tačke smrzavanja vode. Izuzeci se mogu naći u vlažnim zimskim klimama, kao što su sjeverna Skandinavija i sjeveroistok Rusije zapadno od Urala, gdje snijeg djeluje kao izolacijski pokrivač. Glacijalna područja mogu biti izuzeci. Budući da se svi glečeri u svom podnožju zagrijavaju geotermalnom toplinom, umjereni glečeri koji su blizu svoje tačke topljenja pod pritiskom mogu imati tekuću vodu na granici sa kopnom. Stoga su bez permafrosta. "Fosilne" hladne anomalije u geotermalnom gradijentu u područjima gdje se duboki permafrost razvio tokom pleistocena opstaju i do nekoliko stotina metara. To je vidljivo iz mjerenja temperature bušotine u Sjevernoj Americi i Evropi.

Temperatura ispod zemlje

Tipično, temperatura ispod zemlje varira od sezone do sezone manje odtemperatura vazduha. Istovremeno, prosječne godišnje temperature imaju tendenciju porasta sa 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. Tipično, permafrost će ostati diskontinuiran u klimama gdje je prosječna godišnja temperatura površine tla -5 do 0°C (23 do 32°F). Gore pomenuta područja sa vlažnim zimama možda neće imati ni 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 pejzaža 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 pejzaža i obično se javlja na srednjim godišnjim temperaturama između 0 i -2 °C (32 i 28 °F). U nauci o tlu, sporadična zona permafrosta je SPZ, dok je ekstenzivna diskontinuirana zona permafrosta zona daljinskog istraživanja. Izuzeci se javljaju u neglaziranom Sibiru i Aljasci, gdje je trenutna dubina permafrosta ostatak klimatskih uslova tokom 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 da se odmrzne permafrost i formira kontinuirana zona permafrosta (skraćeno CPZ). Linija kontinuiranog permafrosta na sjevernoj hemisferi predstavlja najjužniju granicu gdje je zemljište prekriveno neprekidnim permafrostom ili glacijalnim ledom.

Iz očiglednih razloga, projektovanje na permafrostu je izuzetno težak zadatak. Kontinuirana linija permafrosta mijenja se na sjever ili jug širom svijeta zbog regionalnih klimatskih promjena. Na južnoj hemisferi većina ekvivalentne linije bila bi u Južnom okeanu da postoji kopno. Veći dio antarktičkog kontinenta prekriven je glečerima, ispod kojih je većina terena podložna topljenju u tlu. Izloženo zemljište Antarktika je uglavnom permafrost.

Alpe

Procjene ukupne površine zone permafrosta u Alpima uvelike variraju. Bockheim i Munro su kombinovali tri izvora i napravili tabelarne procjene po regijama (ukupno 3,560,000 km2).

Alpski permafrost u Andima nije bio na mapi. Obim u ovom slučaju je modeliran za procjenu količine vode u ovim područjima. 2009. godine, istraživač sa Aljaske otkrio je permafrost na 4.700 m (15.400 stopa) na najvišem vrhu Afrike, planini Kilimandžaro, oko 3° sjeverno od ekvatora. Temelji na zemljištu permafrosta na ovim geografskim širinama nisu neuobičajeni.

Zamrznuto more i smrznuto dno

Morski permafrost se javlja ispod morskog dna i postoji na polarnim kontinentalnim policamaregioni. Ova područja su nastala tokom posljednjeg ledenog doba, kada je većina Zemljine vode bila zatvorena u ledenim pločama na kopnu, a nivo mora bio nizak. Kako su se ledeni pokrivači topili i ponovo postajali morska voda, permafrost je postao potopljene police pod relativno toplim i slanim graničnim uvjetima u poređenju sa permafrostom na površini. Dakle, podvodni permafrost postoji u uslovima koji dovode do njegovog smanjenja. Prema Osterkampu, podmorski permafrost je faktor u „dizajnu, 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 sa Zemlje i prosječna godišnja temperatura površine dostižu ravnotežnu temperaturu od 0 °C. Dubina baze permafrosta doseže 1.493 metra (4.898 stopa) u sjevernim slivovima rijeka Lena i Yana u Sibiru. Geotermalni gradijent je stopa povećanja 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 u zavisnosti od toplotne provodljivosti geološkog materijala i manja je za permafrost u tlu nego u stenama.

Led u zemlji

Kada sadržaj leda u permafrostu prelazi 250 posto (od ledene mase do suvog tla), on se klasifikuje 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 prečnik od najmanje 10 metara. Prva zabilježena viđenja u Sjevernoj Americi evropski naučnici su napravili na rijeci Canning na Aljasci 1919. godine. Ruska književnost daje raniji datum 1735. i 1739. godine tokom Velike severne ekspedicije P. Lasinija i Kh. P. Lapteva, respektivno. Dve 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 glečera.

Zatrpani površinski led može biti iz snijega, smrznutog jezerskog ili morskog leda, aufeis (smotani riječni led) i vjerovatno najčešća varijanta je zatrpani glacijalni led.

Zamrzavanje podzemnih voda

Intradiestimalni led nastaje kao rezultat smrzavanja podzemnih voda. Ovdje prevladava segregacijski led, koji nastaje kao rezultat kristalizacijske diferencijacije koja nastaje prilikom smrzavanja vlažnih padavina. Proces je praćen migracijom vode na frontu smrzavanja.

Intradiestimalni (konstitucijski) led je naširoko posmatran i proučavan širom Kanade, a uključuje i intruzivni led i led za injekcije. Osim toga, ledeni klinovi, posebna vrsta prizemnog leda, proizvode prepoznatljive poligone s uzorkom ili poligone tundre. Ledeni klinovi se formiraju u već postojećem geološkom stanjusupstrat. Prvi put su opisani 1919. godine.

Cikus ugljenika

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 padavine kroz kriogene procese. Dio ovog ugljika se prenosi u okean i druge dijelove svijeta kroz globalni ciklus ugljika. Ciklus uključuje razmjenu ugljičnog dioksida i metana između kopnenih komponenti i atmosfere, te transport ugljika između kopna i vode u obliku metana, otopljenog organskog ugljika, otopljenog neorganskog ugljika, neorganskih čestica ugljika i čestica organskog ugljika.

Historija

Permafrost Arktika se smanjivao tokom vekova. Posljedica toga je odmrzavanje tla, koje može biti slabije, i oslobađanje metana, što doprinosi povećanju stope globalnog zagrijavanja u povratnoj petlji. Područja distribucije tla permafrosta stalno su se mijenjala u istoriji.

Na posljednjem glacijskom maksimumu, neprekidni permafrost pokrivao je mnogo veće područje nego danas. U Sjevernoj Americi, samo je vrlo uzak pojas permafrosta postojao južno od ledenog pokrivača 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 dokazi o nekadašnjoj vječnostipermafrost ovog perioda u centralnom Otagu i u argentinskoj Patagoniji, ali je vjerovatno bio diskontinuiran i povezan sa tundrom. Alpski permafrost se takođe javljao u Drakensbergu tokom postojanja glečera iznad 3.000 metara (9.840 stopa). Ipak, temelji i temelji na permafrostu se i tamo postavljaju.

Struktura tla

Tlo se može sastojati od mnogih supstratnih materijala, uključujući stijene, sedimente, organsku materiju, vodu ili led. Smrznuto tlo je sve ispod tačke smrzavanja vode, bez obzira da li je voda prisutna u supstratu ili ne. Mleveni led nije uvek prisutan, kao što može biti slučaj sa neporoznim stenama, ali je uobičajen i može biti prisutan u količinama koje prevazilaze potencijalnu hidrauličku zasićenost odmrznutog supstrata.

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

Urušavanje nagiba

Tokom prošlog stoljeća, bilo je mnogo prijavljenih slučajeva neuspjeha alpskih padina u planinskim lancima širom 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 strukturalne 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 padina. Povećanje temperature omogućava dublje dubine aktivnog sloja, što za sobom povlači još veći prodor vode. Led u tlu se topi, uzrokujući gubitak čvrstoće tla, ubrzano kretanje i potencijalne tokove otpada. Stoga je gradnja na permafrostu vrlo nepoželjna.

Postoje i informacije o masivnim padovima kamenja i leda (do 11,8 miliona m³), zemljotresima (do 3,9 miliona milja), poplavama (do 7, 8 miliona m³ vode) i brz tok kamenitog leda. Ovo je uzrokovano "nestabilnošću padina" u uslovima permafrosta u visoravnima. Nestabilnost nagiba u permafrostu na povišenim temperaturama blizu smrzavanja u topljenju permafrosta povezana je sa efektivnim stresom i povećanim pritiskom vode u porama u ovim tlima.

Razvoj permafrost tla

Jason Kea i koautori izumili su novi kruti pijezometar bez filtera (FRP) za mjerenje pritiska vode u porama u djelimično smrznutim tlima kao što je permafrost koji zagrijava. Proširili su upotrebu koncepta efektivnog naprezanja na djelomično smrznuta tla za korištenje u analizi stabilnosti padina zatopljenih padina permafrosta. Primjena koncepta efektivnog stresa ima mnoge prednosti, na primjer, mogućnost izgradnje baza i temelja napermafrost tla.

Organski

U sjevernom cirkumpolarnom području, permafrost sadrži 1.700 milijardi tona organskog materijala, skoro polovinu sve organske tvari. Ovaj basen je stvaran milenijumima i polako se uništava u hladnim uslovima Arktika. Količina ugljika izdvojenog u permafrostu je četiri puta veća od količine ugljika koji se oslobađa u atmosferu ljudskom aktivnošću u moderno doba.

Posljedice

Formiranje permafrosta ima značajne implikacije na ekološke sisteme, prvenstveno zbog ograničenja postavljenih na korijenske zone, kao i ograničenja na geometriju jazbina i jazbina za faunu kojoj su potrebni podzemni domovi. Sekundarni uticaji utiču na vrste zavisne od biljaka i životinja čije je stanište ograničeno permafrostom. Jedan od najčešćih primjera je prevalencija crne smreke u ogromnim područjima permafrosta, jer ova vrsta može tolerirati naseljavanje koje je ograničeno blizu površine.

Proračuni tla permafrosta ponekad se rade za analizu organskog materijala. Jedan gram tla iz aktivnog sloja može sadržavati preko milijardu bakterijskih ćelija. Kada se postavljaju jedna uz drugu, bakterije iz jednog kilograma tla aktivnog sloja formiraju lanac dug 1000 km. Broj bakterija u tlu permafrosta uvelike varira, obično između 1 i 1000 miliona po gramu tla. Većina ovihbakterije i gljive u tlu permafrosta ne mogu se uzgajati u laboratoriji, ali se identitet mikroorganizama može otkriti korištenjem metoda zasnovanih na DNK.

Arktička regija i globalno zagrijavanje

Arktička regija je jedan od prirodnih izvora gasova staklene bašte metana. Globalno zagrijavanje ubrzava njegovo oslobađanje. Velika količina metana se skladišti na Arktiku u ležištima prirodnog gasa, permafrostu i u obliku podvodnih klatrata. Drugi izvori metana uključuju podmorski taliks, riječni transport, povlačenje ledenih kompleksa, podmorski permafrost i raspadajuće naslage gasnih hidrata. Preliminarna kompjuterska analiza pokazuje da permafrost može proizvesti ugljik koji je jednak oko 15 posto današnjih emisija iz ljudskih aktivnosti. Zagrijavanje i odmrzavanje zemljišnih masiva čini gradnju na permafrostu još opasnijom.