Z tego artykułu dowiesz się o cechach gleb wiecznej zmarzliny, które są powszechne w strefach wiecznej zmarzliny. W geologii wieczna zmarzlina to ziemia, w tym gleba kamienista (kriotyczna), która jest obecna w temperaturze zamarzania 0 °C lub niższej przez co najmniej dwa lata. Większość wiecznej zmarzliny znajduje się na dużych szerokościach geograficznych (w okolicach Arktyki i Antarktyki), ale na przykład w Alpach można ją znaleźć na wyższych wysokościach.
Lód gruntowy nie zawsze jest obecny, jak to może mieć miejsce w przypadku nieporowatego podłoża skalnego, ale często występuje w ilościach przekraczających potencjalne nasycenie hydrauliczne gruntu. Wieczna zmarzlina stanowi 0,022% całkowitej ilości wody na Ziemi i występuje na 24% otwartej przestrzeni na półkuli północnej. Występuje również pod wodą na szelfach kontynentalnych kontynentów otaczających Ocean Arktyczny. Według jednej z grup naukowców globalny wzrost temperatury o 1,5 ° C (2,7 ° F) powyżej prądupoziomy wystarczą, aby rozpocząć rozmrażanie wiecznej zmarzliny na Syberii.
Badanie
W przeciwieństwie do względnego niedoboru raportów na temat zamarzniętych gleb w Ameryce Północnej przed II wojną światową, literatura na temat technicznych aspektów wiecznej zmarzliny była dostępna w języku rosyjskim. Począwszy od 1942 r., Simon William Muller zagłębił się w odpowiednią literaturę posiadaną przez Bibliotekę Kongresu i Bibliotekę Służby Geologicznej Stanów Zjednoczonych, aby do 1943 r. dostarczyć rządowi podręcznik inżynieryjny i raport techniczny na temat wiecznej zmarzliny.
Definicja
Wieczna zmarzlina to gleba, skała lub osad, które zostały zamrożone przez ponad dwa kolejne lata. Na obszarach niepokrytych lodem znajdują się pod warstwą gleby, skał lub osadów, która co roku zamarza i topnieje i jest nazywana „warstwą aktywną”. W praktyce oznacza to, że wieczna zmarzlina występuje przy średniej rocznej temperaturze -2 °C (28,4 °F) lub niższej. Grubość warstwy aktywnej zmienia się w zależności od pory roku, ale waha się od 0,3 do 4 metrów (płytko wzdłuż wybrzeża Arktyki; głęboko w południowej Syberii i na płaskowyżu Qinghai-tybetańskim).
Geografia
A co z rozprzestrzenianiem się wiecznej zmarzliny? Zasięg wiecznej zmarzliny różni się w zależności od klimatu: dziś na półkuli północnej 24% powierzchni wolnej od lodu – co odpowiada 19 milionom kilometrów kwadratowych – jest mniej lub bardziej dotknięte przez wieczną zmarzlinę.
Nieco ponad połowa tego obszaru pokryta jest wieczną zmarzliną,około 20 procent to wieczna zmarzlina nieciągła, a prawie 30 procent to wieczna zmarzlina sporadyczna. Większość tego terytorium znajduje się na Syberii, północnej Kanadzie, Alasce i Grenlandii. Poniżej warstwy aktywnej roczne wahania temperatury wiecznej zmarzliny zmniejszają się wraz z głębokością. Najgłębsza głębokość wiecznej zmarzliny występuje, gdy ciepło geotermalne utrzymuje temperaturę powyżej zera. Powyżej tej granicy może występować wieczna zmarzlina, której temperatura nie zmienia się co roku. To jest „wieczna zmarzlina izotermiczna”. Obszary gleb wiecznej zmarzliny są słabo przystosowane do aktywnego życia ludzkiego.
Klimat
Wieczna zmarzlina zwykle tworzy się w każdym klimacie, w którym średnia roczna temperatura powietrza jest poniżej punktu zamarzania wody. Wyjątki można znaleźć w wilgotnym klimacie zimowym, na przykład w północnej Skandynawii i północno-wschodniej Rosji na zachód od Uralu, gdzie śnieg pełni funkcję osłony izolacyjnej. Wyjątkiem mogą być obszary lodowcowe. Ponieważ wszystkie lodowce są ogrzewane u podstaw przez ciepło geotermalne, lodowce umiarkowane, które znajdują się w pobliżu ich temperatury topnienia pod ciśnieniem, mogą mieć ciekłą wodę na granicy z lądem. Dlatego są wolne od wiecznej zmarzliny. „Skamieniałe” anomalie zimne w gradiencie geotermalnym na obszarach, gdzie w plejstocenie rozwinęła się głęboka wieczna zmarzlina, utrzymują się do kilkuset metrów. Wynika to z pomiarów temperatury w odwiercie w Ameryce Północnej i Europie.
Temperatura pod ziemią
Zwykle temperatura pod ziemią zmienia się w zależności od sezonu mniej niżtemperatura powietrza. Jednocześnie średnie roczne temperatury mają tendencję do wzrostu wraz z głębokością w wyniku gradientu geotermalnego skorupy ziemskiej. Tak więc, jeśli średnia roczna temperatura powietrza jest tylko nieznacznie poniżej 0 ° C (32 ° F), wieczna zmarzlina utworzy się tylko w miejscach chronionych - zwykle po północnej stronie - tworząc nieciągłą wieczną zmarzlinę. Zazwyczaj wieczna zmarzlina pozostaje nieciągła w klimacie, w którym średnia roczna temperatura powierzchni gleby wynosi od -5 do 0°C (23 do 32°F). Wspomniane powyżej obszary z mokrymi zimami mogą nawet nie mieć okresowej wiecznej zmarzliny do -2 °C (28 °F).
Rodzaje wiecznej zmarzliny
Wieczna zmarzlina jest często dalej dzielona na rozległą, nieciągłą zmarzlinę, przy czym wieczna zmarzlina pokrywa od 50 do 90 procent krajobrazu i zwykle występuje na obszarach o średnich rocznych temperaturach od -2 do -4 °C (28 do 25 °F). i sporadyczna wieczna zmarzlina, gdzie wieczna zmarzlina pokrywa mniej niż 50 procent krajobrazu i zwykle występuje w średnich rocznych temperaturach od 0 do -2 °C (32 do 28 °F). W gleboznawstwie sporadyczną strefą wiecznej zmarzliny jest SPZ, podczas gdy ekstensywna nieciągła strefa wiecznej zmarzliny jest strefą teledetekcji. Wyjątki zdarzają się na nieszkliwionej Syberii i na Alasce, gdzie obecna głębokość wiecznej zmarzliny jest pozostałością warunków klimatycznych z epoki lodowcowej, gdzie zimy były o 11 °C (20 °F) chłodniejsze niż obecnie.
Temperatura wiecznej zmarzliny
Gdy średnie roczne temperatury powierzchni gleby są poniżej -5 °C (23 °F), wpływ aspektunigdy nie wystarczy, aby rozmrozić wieczną zmarzlinę i utworzyć ciągłą strefę wiecznej zmarzliny (w skrócie CPZ). Linia ciągłej wiecznej zmarzliny na półkuli północnej reprezentuje najbardziej wysuniętą na południe granicę, gdzie ląd jest pokryty ciągłą wieczną zmarzliną lub lodem lodowcowym.
Z oczywistych względów projektowanie na wiecznej zmarzlinie jest niezwykle trudnym zadaniem. Ciągła linia wiecznej zmarzliny zmienia się na północ lub południe na całym świecie z powodu regionalnych zmian klimatycznych. Na półkuli południowej większość równoważnej linii znajdowałaby się na Oceanie Południowym, gdyby istniał ląd. Większość kontynentu antarktycznego pokrywają lodowce, pod którymi większość terenu ulega topnieniu w ziemi. Odsłonięta Antarktyda to w dużej mierze wieczna zmarzlina.
Alpy
Szacunki dotyczące całkowitej powierzchni strefy wiecznej zmarzliny w Alpach są bardzo zróżnicowane. Bockheim i Munro połączyli te trzy źródła i oszacowali tabelarycznie według regionu (łącznie 3 560 000 km2).
Alpejskiej wiecznej zmarzliny w Andach nie było na mapie. Zasięg w tym przypadku jest modelowany w celu oszacowania ilości wody na tych obszarach. W 2009 roku badacz z Alaski odkrył wieczną zmarzlinę na wysokości 4700 m (15400 stóp) na najwyższym szczycie Afryki, Kilimandżaro, około 3° na północ od równika. Fundamenty na glebach wiecznej zmarzliny na tych szerokościach geograficznych nie są rzadkością.
Zmarznięte morza i zamarznięte dno
Morska wieczna zmarzlina występuje pod dnem morskim i występuje na polarnych szelfach kontynentalnychregiony. Obszary te powstały podczas ostatniej epoki lodowcowej, kiedy większość wód Ziemi była zamknięta w pokrywach lodowych na lądzie, a poziom morza był niski. Gdy pokrywy lodowe stopiły się i ponownie zamieniły się w wodę morską, wieczna zmarzlina przekształciła się w zanurzone półki w stosunkowo ciepłych i słonych warunkach granicznych w porównaniu z wieczną zmarzliną na powierzchni. Dlatego podwodna zmarzlina istnieje w warunkach, które prowadzą do jej redukcji. Według Osterkampa wieczna zmarzlina podmorska jest czynnikiem „projektowania, budowy i eksploatacji obiektów przybrzeżnych, konstrukcji dna morskiego, sztucznych wysp, rurociągów podmorskich i studni wierconych w celu poszukiwania i produkcji.
Wieczna zmarzlina rozciąga się w głąb podstawy, gdzie ciepło geotermalne z Ziemi i średnia roczna temperatura powierzchni osiągają temperaturę równowagi 0 °C. Głębokość podstawy wiecznej zmarzliny sięga 1493 metrów (4898 stóp) w północnych dorzeczach rzek Lena i Yana na Syberii. Gradient geotermalny to tempo wzrostu temperatury w stosunku do wzrostu głębokości we wnętrzu Ziemi. Daleko od granic płyty tektonicznej, w większości krajów świata temperatura wynosi około 25-30°C/km blisko powierzchni. Zmienia się ona w zależności od przewodności cieplnej materiału geologicznego i jest mniejsza w przypadku wiecznej zmarzliny w glebie niż w podłożu skalnym.
Lód w glebie
Gdy zawartość lodu w wiecznej zmarzlinie przekracza 250 procent (od masy lodu do suchej gleby), jest ona klasyfikowana jakoogromny lód. Masywne bryły lodu mogą mieć różny skład, od lodowatego błota do czystego lodu. Masywne warstwy lodu mają minimalną grubość co najmniej 2 metrów, a krótką średnicę co najmniej 10 metrów. Pierwszych odnotowanych obserwacji w Ameryce Północnej dokonali europejscy naukowcy na rzece Canning na Alasce w 1919 roku. Literatura rosyjska podaje wcześniejszą datę 1735 i 1739 podczas Wielkiej Północnej Ekspedycji, odpowiednio, P. Lassinius i Kh. P. Laptev. Dwie kategorie masywnego lodu gruntowego to zakopany lód powierzchniowy i tak zwany „lód wewnątrz szopy”. Tworzenie jakichkolwiek fundamentów na wiecznej zmarzlinie wymaga, aby w pobliżu nie było dużych lodowców.
Pochowany lód powierzchniowy może pochodzić ze śniegu, zamarzniętego lodu jeziornego lub morskiego, aufeis (walcowany lód rzeczny) i prawdopodobnie najczęstszym wariantem jest zakopany lód lodowcowy.
Zamrożenie wody gruntowej
Śróddiestimalny lód powstaje w wyniku zamarzania wód gruntowych. Dominuje tu segregacja lodu, która powstaje w wyniku zróżnicowania krystalizacyjnego zachodzącego podczas zamarzania mokrego opadu. Procesowi temu towarzyszy migracja wody do frontu zamarzania.
Śróddiestimalny (konstytucyjny) lód był szeroko obserwowany i badany w całej Kanadzie, a także obejmuje lód inwazyjny i wstrzykiwany. Ponadto kliny lodowe, osobny rodzaj lodu gruntowego, tworzą rozpoznawalne wielokąty wzorzyste lub wielokąty tundry. Kliny lodowe tworzą się w istniejącej wcześniej geologicznejpodłoże. Po raz pierwszy zostały opisane w 1919 roku.
Cykl węglowy
Cykl węgla w wiecznej zmarzlinie dotyczy transferu węgla z gleb wiecznej zmarzliny do roślinności lądowej i drobnoustrojów, do atmosfery, z powrotem do roślinności i wreszcie z powrotem do gleby wiecznej zmarzliny poprzez zakopywanie i wytrącanie w wyniku procesów kriogenicznych. Część tego węgla jest przenoszona do oceanów i innych części globu w ramach globalnego obiegu węgla. Cykl obejmuje wymianę dwutlenku węgla i metanu między składnikami lądowymi a atmosferą oraz transport węgla między lądem a wodą w postaci metanu, rozpuszczonego węgla organicznego, rozpuszczonego węgla nieorganicznego, cząstek węgla nieorganicznego i cząstek węgla organicznego.
Historia
Wieczna zmarzlina Arktyki kurczy się przez wieki. Konsekwencją tego jest rozmrażanie gleby, która może być słabsza, oraz uwalnianie się metanu, co przyczynia się do wzrostu tempa globalnego ocieplenia w pętli sprzężenia zwrotnego. Obszary występowania gleb wiecznej zmarzliny stale się zmieniały w historii.
Na ostatnim maksimum lodowcowym ciągła wieczna zmarzlina pokryła znacznie większy obszar niż obecnie. W Ameryce Północnej na południe od pokrywy lodowej New Jersey w południowej części stanu Iowa i północnym Missouri istniał tylko bardzo wąski pas wiecznej zmarzliny. Był rozległy w bardziej suchych regionach zachodnich, gdzie sięgał do południowej granicy Idaho i Oregonu. Na półkuli południowej istnieją dowody na istnienie dawnego wiecznościwieczna zmarzlina tego okresu w środkowym Otago iw argentyńskiej Patagonii, ale prawdopodobnie była nieciągła i związana z tundrą. Wieczna zmarzlina alpejska wystąpiła również w Drakensberg podczas istnienia lodowców powyżej 3000 metrów (9840 stóp). Niemniej jednak fundamenty i fundamenty na wiecznej zmarzlinie powstają nawet tam.
Struktura gleby
Gleba może składać się z wielu materiałów podłoża, w tym podłoża skalnego, osadów, materii organicznej, wody lub lodu. Zamarznięty grunt to wszystko, co znajduje się poniżej punktu zamarzania wody, niezależnie od tego, czy woda jest obecna w podłożu. Lód gruntowy nie zawsze jest obecny, jak może to mieć miejsce w przypadku nieporowatego podłoża skalnego, ale jest powszechny i może występować w ilościach przekraczających potencjalne nasycenie hydrauliczne rozmrożonego podłoża.
W rezultacie ilość opadów wzrasta, co z kolei osłabia i prawdopodobnie zawala budynki na obszarach takich jak Norylsk w północnej Rosji, który leży w strefie wiecznej zmarzliny.
Zawinięcie skarpy
W ciągu ostatniego stulecia odnotowano wiele przypadków awarii stoków alpejskich w pasmach górskich na całym świecie. Oczekuje się, że topnienie wiecznej zmarzliny będzie związane z topnieniem wiecznej zmarzliny, co prawdopodobnie jest spowodowane zmianą klimatu. Uważa się, że topnienie wiecznej zmarzliny przyczyniło się do osunięcia się ziemi w Val Pola w 1987 r., które zabiło 22 osoby we włoskich Alpach. Duże w pasmach górskichczęść stabilności strukturalnej może wynikać z lodowców i wiecznej zmarzliny. W miarę ocieplania się klimatu wieczna zmarzlina topnieje, co prowadzi do mniej stabilnej struktury górskiej i ostatecznie do większych awarii stoków. Podwyższenie temperatury pozwala na głębsze głębokości warstwy aktywnej, co pociąga za sobą jeszcze większą penetrację wody. Lód w glebie topi się, powodując utratę wytrzymałości gleby, przyspieszony ruch i potencjalne spływy gruzu. Dlatego budowa na wiecznej zmarzlinie jest wysoce niepożądana.
Istnieją również informacje o ogromnych upadkach skał i lodu (do 11,8 mln m3), trzęsieniach ziemi (do 3,9 mln mil), powodziach (do 7, 8 milionów m3 wody) i szybki przepływ skalistego lodu. Jest to spowodowane „niestabilnością zbocza” w warunkach wiecznej zmarzliny na wyżynach. Niestabilność nachylenia w wiecznej zmarzlinie w podwyższonych temperaturach bliskich zamarzaniu w ocieplającej się zmarzlinie jest związana ze skutecznym stresem i zwiększonym ciśnieniem wody w porach w tych glebach.
Rozwój gleb wiecznej zmarzliny
Jason Kea i współautorzy wynaleźli nowy bezfiltrowy sztywny piezometr (FRP) do pomiaru ciśnienia wody w porach w częściowo zamarzniętych glebach, takich jak ocieplająca się wieczna zmarzlina. Rozszerzyli zastosowanie koncepcji efektywnego naprężenia na częściowo zamarznięte gleby w celu wykorzystania ich w analizie stabilności skarp ocieplających się skarp wiecznej zmarzliny. Zastosowanie koncepcji efektywnego naprężenia ma wiele zalet, np. możliwość budowania podstaw i fundamentów nagleby wiecznej zmarzliny.
Organiczne
W północnym regionie okołobiegunowym wieczna zmarzlina zawiera 1700 miliardów ton materii organicznej, czyli prawie połowę całej materii organicznej. Basen ten był tworzony przez tysiąclecia i powoli ulega zniszczeniu w zimnych warunkach Arktyki. Ilość węgla sekwestrowanego w wiecznej zmarzlinie jest czterokrotnie większa od ilości węgla uwalnianego do atmosfery w wyniku działalności człowieka w czasach współczesnych.
Konsekwencje
Tworzenie się wiecznej zmarzliny ma znaczące implikacje dla systemów ekologicznych, głównie ze względu na ograniczenia nałożone na strefy korzeni, a także ograniczenia dotyczące geometrii nor i nor dla fauny wymagającej podziemnych domów. Oddziaływania wtórne mają wpływ na gatunki zależne od roślin i zwierząt, których siedlisko jest ograniczone przez wieczną zmarzlinę. Jednym z najczęstszych przykładów jest występowanie czarnego świerka na rozległych obszarach wiecznej zmarzliny, ponieważ gatunek ten toleruje zadomowienie ograniczone w pobliżu powierzchni.
Obliczenia gleb wiecznej zmarzliny są czasami wykonywane w celu analizy materiału organicznego. Jeden gram gleby z warstwy aktywnej może zawierać ponad miliard komórek bakteryjnych. Bakterie ułożone obok siebie z jednego kilograma gleby warstwy aktywnej tworzą łańcuch o długości 1000 km. Liczba bakterii w glebie wiecznej zmarzliny jest bardzo zróżnicowana, zwykle od 1 do 1000 milionów na gram gleby. Większosć z tychBakterie i grzyby w wiecznej zmarzlinie nie mogą być hodowane w laboratorium, ale tożsamość mikroorganizmów można ustalić za pomocą metod opartych na DNA.
Region Arktyki i globalne ocieplenie
Region Arktyki jest jednym z naturalnych źródeł gazów cieplarnianych metanu. Globalne ocieplenie przyspiesza jego uwalnianie. Duża ilość metanu jest magazynowana w Arktyce w złożach gazu ziemnego, wiecznej zmarzlinie oraz w postaci podwodnych klatratów. Inne źródła metanu to podwodne taliki, transport rzeczny, wycofywanie się kompleksów lodowych, wieczna zmarzlina podwodna i rozkładające się złoża hydratów gazowych. Wstępna analiza komputerowa wskazuje, że wieczna zmarzlina może wytwarzać węgiel równy około 15% dzisiejszych emisji z działalności człowieka. Ocieplenie i rozmrożenie masywów glebowych sprawia, że budowanie wiecznej zmarzliny jest jeszcze bardziej niebezpieczne.
