Evigt frusna jordar: distributionsområden, temperatur, utvecklingsegenskaper

2024 Författare: Henry Conors | [email protected]. Senast ändrad: 2024-02-12 12:56

I den här artikeln kommer du att lära dig om egenskaperna hos permafrostjordar som är vanliga i permafrostzoner. Inom geologin är permafrost land, inklusive stenig (kryotisk) jord, som är närvarande vid en frystemperatur på 0 °C eller lägre i två eller fler år. Det mesta av permafrosten finns på höga breddgrader (i och runt de arktiska och antarktiska områdena), men till exempel i Alperna finns den på högre höjder.

Markis är inte alltid närvarande, vilket kan vara fallet med icke-porös berggrund, men den finns ofta i mängder som överstiger den potentiella hydrauliska mättnaden av markmaterialet. Permafrost utgör 0,022 % av det totala vattnet på jorden och finns i 24 % av det öppna landet på norra halvklotet. Det förekommer också under vattnet på kontinentalsocklarna på kontinenterna som omger Ishavet. Enligt en grupp forskare, en global temperaturökning på 1,5 °C (2,7 °F) över den nuvarandenivåerna kommer att räcka för att börja tina permafrost i Sibirien.

Studier

I motsats till den relativa få rapporter om frusna jordar i Nordamerika före andra världskriget, fanns litteratur om de tekniska aspekterna av permafrost tillgänglig på ryska. Med början 1942 grävde Simon William Muller i relevant litteratur som innehas av Library of Congress och Library of the United States Geological Survey för att förse regeringen med en teknisk manual och teknisk rapport om permafrost 1943.

Definition

Permafrost är jord, sten eller sediment som har frusit i mer än två år i rad. I icke istäckta områden finns de under ett lager av jord, sten eller sediment som fryser och tinar varje år och kallas det "aktiva lagret". I praktiken betyder det att permafrost uppstår vid en årlig medeltemperatur på -2 °C (28,4 °F) eller lägre. Tjockleken på det aktiva lagret varierar med säsongen, men varierar från 0,3 till 4 meter (grunt längs den arktiska kusten; djupt inne i södra Sibirien och den Qinghai-tibetanska platån).

Geografi

Hur är det med spridningen av permafrost? Omfattningen av permafrosten varierar beroende på klimat: idag på norra halvklotet är 24 % av den isfria landytan – motsvarande 19 miljoner kvadratkilometer – mer eller mindre påverkad av permafrost.

Något mer än hälften av detta område är täckt av kontinuerlig permafrost,cirka 20 procent är diskontinuerlig permafrost och knappt 30 procent är sporadisk permafrost. Det mesta av detta territorium ligger i Sibirien, norra Kanada, Alaska och Grönland. Under det aktiva lagret blir årliga temperaturfluktuationer i permafrost mindre med djupet. Det djupaste djupet av permafrost uppstår där geotermisk värme håller temperaturen över fryspunkten. Över denna gräns kan det finnas permafrost, vars temperatur inte ändras årligen. Detta är "isotermisk permafrost". Områden med permafrostjordar är dåligt lämpade för aktivt människoliv.

Klimat

Permafrost bildas vanligtvis i alla klimat där den genomsnittliga årliga lufttemperaturen är under vattnets fryspunkt. Undantag kan hittas i blöta vinterklimat, som i norra Skandinavien och nordöstra Ryssland väster om Ural, där snön fungerar som ett isolerande täcke. Glaciala områden kan vara undantag. Eftersom alla glaciärer värms upp vid sina baser av geotermisk värme, kan tempererade glaciärer som är nära sin trycksatta smältpunkt ha flytande vatten vid gränsen till landet. Därför är de fria från permafrost. "Fossila" kalla anomalier i den geotermiska gradienten i områden där djup permafrost utvecklades under Pleistocen kvarstår upp till flera hundra meter. Detta framgår av brunnstemperaturmätningar i Nordamerika och Europa.

Temperature underground

Vanligtvis varierar temperaturen under jorden från säsong till säsong mindre änlufttemperatur. Samtidigt tenderar de genomsnittliga årstemperaturerna att öka med djupet som ett resultat av jordskorpans geotermiska gradient. Således, om den genomsnittliga årliga lufttemperaturen bara är något under 0 °C (32 °F), kommer permafrost endast att bildas på platser som är skyddade - vanligtvis på norra sidan - vilket skapar diskontinuerlig permafrost. Vanligtvis kommer permafrosten att förbli diskontinuerlig i klimat där den genomsnittliga årliga markytans temperatur är -5 till 0°C (23 till 32°F). De områden med våta vintrar som nämns ovan kanske inte ens har intermittent permafrost ner till -2 °C (28 °F).

Typer av permafrost

Permafrost delas ofta ytterligare in i omfattande diskontinuerlig permafrost, där permafrost täcker 50 till 90 procent av landskapet och vanligtvis finns i områden med medeltemperaturer på -2 till -4 °C (28 till 25 °F), och sporadisk permafrost, där permafrost täcker mindre än 50 procent av landskapet och vanligtvis förekommer vid årliga medeltemperaturer mellan 0 och -2 °C (32 och 28 °F). Inom markvetenskap är den sporadiska permafrostzonen SPZ, medan den omfattande diskontinuerliga permafrostzonen är fjärranalyszonen. Undantag förekommer i oglasade Sibirien och Alaska, där det nuvarande djupet av permafrost är en rest av klimatförhållandena under istiden, där vintrarna var 11 °C (20 °F) kallare än idag.

Permafrosttemperatur

När den genomsnittliga årliga markytans temperatur är under -5 °C (23 °F), påverkan av aspektenkan aldrig räcka för att tina permafrosten och bilda en sammanhängande permafrostzon (CPZ förkortas). Linjen av kontinuerlig permafrost på norra halvklotet representerar den sydligaste gränsen där landet är täckt av kontinuerlig permafrost eller glacial is.

Av uppenbara skäl är design på permafrost en extremt svår uppgift. Den kontinuerliga permafrostlinjen förändras norrut eller söderut runt om i världen på grund av regionala klimatförändringar. På södra halvklotet skulle det mesta av motsvarande linje vara i södra oceanen om det fanns land. Större delen av den antarktiska kontinenten är täckt av glaciärer, under vilka större delen av terrängen är föremål för smältning i marken. Antarktis exponerade land är till stor del permafrost.

Alperna

Uppskattningar av den totala arean av permafrostzonen i Alperna varierar mycket. Bockheim och Munro kombinerade de tre källorna och gjorde tabelluppskattningar per region (tot alt 3 560 000 km2).

Alpin permafrost i Anderna fanns inte på kartan. Omfattningen i detta fall modelleras för att uppskatta mängden vatten i dessa områden. 2009 upptäckte en forskare från Alaska permafrost på 4 700 m (15 400 fot) på Afrikas högsta topp, Mount Kilimanjaro, cirka 3° norr om ekvatorn. Grunder på permafrostjordar på dessa breddgrader är inte ovanliga.

Fryst hav och frusen botten

Marin permafrost förekommer under havsbotten och finns på polära kontinentalsockelregioner. Dessa områden bildades under den senaste istiden, då det mesta av jordens vatten var instängt i inlandsisar på land och havsnivån var låg. När inlandsisarna smälte och blev havsvatten igen blev permafrosten nedsänkta hyllor under relativt varma och s alta gränsförhållanden jämfört med permafrosten vid ytan. Därför finns undervattenspermafrost under förhållanden som leder till att den minskar. Enligt Osterkamp är undervattenspermafrost en faktor i design, konstruktion och drift av kustanläggningar, havsbottenstrukturer, konstgjorda öar, undervattensrörledningar och brunnar som borras för prospektering och produktion.

Permafrost sträcker sig till basens djup, där geotermisk värme från jorden och den genomsnittliga årliga yttemperaturen når en jämviktstemperatur på 0 °C. Djupet på permafrostbasen når 1 493 meter (4 898 fot) i de norra bassängerna av floderna Lena och Yana i Sibirien. Den geotermiska gradienten är graden av temperaturökning i förhållande till ökningen av djupet i jordens inre. Långt från gränserna för den tektoniska plattan är det cirka 25-30 °C/km nära ytan i de flesta länder i världen. Den varierar med det geologiska materialets värmeledningsförmåga och är mindre för permafrost i jord än i berggrund.

Is i jorden

När ish alten i permafrost överstiger 250 procent (från ismassa till torr jord) klassificeras den sommassiv is. Massiva iskroppar kan variera i sammansättning från isig lera till ren is. Massiva islager har en minsta tjocklek på minst 2 meter, en kort diameter på minst 10 meter. De första registrerade observationerna i Nordamerika gjordes av europeiska forskare på Canning River i Alaska 1919. Rysk litteratur anger ett tidigare datum på 1735 och 1739 under den stora norra expeditionen av P. Lassinius respektive Kh. P. Laptev. De två kategorierna av massiv markis är begravd ytis och så kallad "intra-shed ice". Skapandet av någon grund på permafrost kräver att det inte finns några stora glaciärer i närheten.

Begravd ytis kan komma från snö, frusen sjö- eller havsis, aufeis (rullad flodis) och förmodligen den vanligaste varianten är begravd isis.

Grundvatten fryser

Intradiestimal is bildas som ett resultat av att grundvattnet fryser. Här råder segregationsis som uppstår som ett resultat av kristallisationsdifferentiering som uppstår vid frysning av våt nederbörd. Processen åtföljs av vattenmigration till frysfronten.

Intradiestimal (konstitutionell) is har i stor utsträckning observerats och studerats i hela Kanada och inkluderar även påträngande is och injektionsis. Dessutom producerar iskilar, en separat typ av markis, igenkännbara mönstrade polygoner eller tundrapolygoner. Iskilar bildas i en redan existerande geologisksubstrat. De beskrevs första gången 1919.

Carbon cycle

Permafrostens kolcykel handlar om överföring av kol från permafrostjordar till markvegetation och mikrober, till atmosfären, tillbaka till vegetationen och slutligen tillbaka till permafrostjorden genom nedgrävning och nederbörd genom kryogena processer. En del av detta kol överförs till havet och andra delar av jordklotet genom den globala kolcykeln. Kretsloppet innefattar utbyte av koldioxid och metan mellan markbundna komponenter och atmosfären, och transport av kol mellan land och vatten i form av metan, löst organiskt kol, löst oorganiskt kol, oorganiska kolpartiklar och organiska kolpartiklar.

Historia

Permafrosten i Arktis har krympt genom århundradena. Konsekvensen av detta är upptining av marken, som kan vara svagare, och frigöring av metan, vilket bidrar till en ökning av den globala uppvärmningshastigheten i en återkopplingsslinga. Utbredningsområdena för permafrostjordar har ständigt förändrats i historien.

Vid det sista glaciala maximum täckte kontinuerlig permafrost ett mycket större område än idag. I Nordamerika fanns bara ett mycket sm alt bälte av permafrost söder om New Jerseys latitudinlands i södra Iowa och norra Missouri. Den var omfattande i de torrare västra regionerna, där den sträckte sig till den södra gränsen till Idaho och Oregon. På södra halvklotet finns det några bevis på en tidigare evighetpermafrost från denna period i centrala Otago och i det argentinska Patagonien, men den var förmodligen diskontinuerlig och associerad med tundran. Alpin permafrost förekom också i Drakensberg under förekomsten av glaciärer över 3 000 meter (9 840 fot). Ändå håller man på att etablera grunder och grunder på permafrost även där.

Markstruktur

Mark kan bestå av många substratmaterial, inklusive berggrund, sediment, organiskt material, vatten eller is. Frusen mark är allt under vattnets fryspunkt, oavsett om vatten finns i substratet eller inte. Markis är inte alltid närvarande, vilket kan vara fallet för icke-porös berggrund, men den är vanlig och kan förekomma i mängder som överstiger den potentiella hydrauliska mättnaden för det tinade substratet.

Som ett resultat ökar nederbörden, vilket i sin tur försvagar och eventuellt kollapsar byggnader i områden som Norilsk i norra Ryssland, som ligger i permafrostzonen.

Lutningskollaps

Under det senaste århundradet har det rapporterats många fall av alpina sluttningar i bergskedjor runt om i världen. En stor mängd strukturella skador förväntas vara förknippade med smältande permafrost, som tros vara orsakad av klimatförändringar. Smältande permafrost tros ha bidragit till jordskredet i Val Pola 1987 som dödade 22 människor i de italienska alperna. Stor i bergskedjoren del av den strukturella stabiliteten kan bero på glaciärer och permafrost. När klimatet värms upp tinar permafrosten, vilket leder till mindre stabil bergsstruktur och så småningom fler sluttningar. Ökning av temperaturen möjliggör djupare djup av det aktiva lagret, vilket medför ännu mer vatteninträngning. Isen i jorden smälter, vilket orsakar förlust av markstyrka, accelererad rörelse och potentiella skräpflöden. Därför är konstruktion på permafrost högst oönskad.

Det finns också information om massiva fall av stenar och is (upp till 11,8 miljoner m³), jordbävningar (upp till 3,9 miljoner miles), översvämningar (upp till 7, 8 miljoner m³ vatten) och det snabba flödet av stenig is. Detta orsakas av "sluttningsinstabilitet" under permafrostförhållanden i höglandet. Lutningsinstabilitet i permafrost vid förhöjda temperaturer nära fryspunkten i värmande permafrost är förknippad med effektiv stress och ökat porvattentryck i dessa jordar.

Utveckling av permafrostjord

Jason Kea och medförfattare har uppfunnit en ny filterlös stel piezometer (FRP) för att mäta porvattentrycket i delvis frusna jordar som värmande permafrost. De utvidgade användningen av konceptet effektiv stress till delvis frusna jordar för användning i sluttningsstabilitetsanalyser av värmande permafrostsluttningar. Tillämpningen av begreppet effektiv stress har många fördelar, till exempel förmågan att bygga baser och grunder påpermafrostjordar.

Ekologisk

I den norra cirkumpolära regionen innehåller permafrost 1 700 miljarder ton organiskt material, nästan hälften av allt organiskt material. Denna bassäng har skapats under årtusenden och håller långsamt på att förstöras under de kalla förhållandena i Arktis. Mängden kol som binds i permafrost är fyra gånger den mängd kol som släpps ut i atmosfären av mänsklig aktivitet i modern tid.

Konsekvenser

Bildandet av permafrost har betydande konsekvenser för ekologiska system, främst på grund av restriktioner för rotzoner, såväl som restriktioner för geometrin hos hålor och hålor för fauna som kräver underjordiska hem. Sekundära effekter påverkar arter som är beroende av växter och djur vars livsmiljö begränsas av permafrost. Ett av de vanligaste exemplen är förekomsten av svartgran i stora områden med permafrost, eftersom denna art tål etablering som är begränsad nära ytan.

Beräkningar av permafrostjordar görs ibland för analys av organiskt material. Ett gram jord från ett aktivt lager kan innehålla över en miljard bakterieceller. När de placeras längs varandra bildar bakterier från ett kilo jord av det aktiva lagret en kedja som är 1000 km lång. Antalet bakterier i permafrostjord varierar kraftigt, vanligtvis mellan 1 och 1000 miljoner per gram jord. De flesta av dessabakterier och svampar i permafrostjord kan inte odlas i laboratoriet, men mikroorganismernas identitet kan avslöjas med DNA-baserade metoder.

Den arktiska regionen och den globala uppvärmningen

Den arktiska regionen är en av de naturliga källorna till metanväxthusgaser. Den globala uppvärmningen påskyndar dess utsläpp. En stor mängd metan lagras i Arktis i naturgasfyndigheter, permafrost och i form av undervattensklatrater. Andra källor till metan inkluderar ubåtstaliker, flodtransporter, iskomplexreträtt, ubåtspermafrost och ruttnande gashydratavlagringar. Preliminär datoranalys tyder på att permafrost kan producera kol som motsvarar cirka 15 procent av dagens utsläpp från mänsklig verksamhet. Uppvärmning och upptining av jordmassiv gör det ännu farligare att bygga på permafrost.