Věčně zmrzlé půdy: distribuční oblasti, teplota, vývojové vlastnosti

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-12 05:01

Z tohoto článku se dozvíte o vlastnostech permafrostových půd, které jsou běžné v permafrostových zónách. V geologii je permafrost půda, včetně kamenité (kryotické) půdy, která je přítomna při teplotě mrazu 0 °C nebo nižší po dobu dvou nebo více let. Většina permafrostu se nachází ve vysokých zeměpisných šířkách (v arktických a antarktických oblastech a jejich okolí), ale například v Alpách se nachází ve vyšších nadmořských výškách.

Pozemní led není vždy přítomen, jak tomu může být v případě neporézního podloží, ale často se vyskytuje v množství převyšujícím potenciální hydraulické nasycení zemního materiálu. Permafrost tvoří 0,022 % celkové vody na Zemi a existuje na 24 % otevřené pevniny na severní polokouli. Vyskytuje se také pod vodou na kontinentálních šelfech kontinentů obklopujících Severní ledový oceán. Podle jedné skupiny vědců globální nárůst teploty o 1,5 °C (2,7 °F) nad současnouúrovně budou stačit k zahájení tání permafrostu na Sibiři.

Studie

Na rozdíl od relativního nedostatku zpráv o zmrzlé půdě v Severní Americe před druhou světovou válkou byla literatura o technických aspektech permafrostu dostupná v ruštině. Počínaje rokem 1942 se Simon William Muller ponořil do relevantní literatury držené Knihovnou Kongresu a Knihovnou geologického průzkumu Spojených států, aby vládě poskytl technickou příručku a technickou zprávu o permafrostu do roku 1943.

Definice

Permafrost je půda, hornina nebo sediment, které byly zmrzlé déle než dva po sobě jdoucí roky. V oblastech nepokrytých ledem existují pod vrstvou půdy, horniny nebo sedimentu, která každý rok zamrzá a rozmrzá a nazývá se „aktivní vrstva“. V praxi to znamená, že permafrost se vyskytuje při průměrné roční teplotě -2 °C (28,4 °F) nebo nižší. Tloušťka aktivní vrstvy se mění v závislosti na ročním období, ale pohybuje se od 0,3 do 4 metrů (mělká podél arktického pobřeží; hluboko v jižní Sibiři a na Qinghai-tibetské plošině).

Geografie

A co šíření permafrostu? Rozsah permafrostu se liší podle klimatu: dnes na severní polokouli je permafrostem více či méně ovlivněno 24 % plochy bez ledu – což odpovídá 19 milionům čtverečních kilometrů.

O něco více než polovina této oblasti je pokryta souvislým permafrostem,asi 20 procent je nesouvislý permafrost a necelých 30 procent je sporadický permafrost. Většina tohoto území se nachází na Sibiři, v severní Kanadě, na Aljašce a v Grónsku. Pod aktivní vrstvou se roční výkyvy teploty permafrostu s hloubkou zmenšují. Nejhlubší hloubka permafrostu se vyskytuje tam, kde geotermální teplo udržuje teploty nad bodem mrazu. Nad touto hranicí se může vyskytovat permafrost, jehož teplota se každoročně nemění. Jedná se o „izotermický permafrost“. Oblasti permafrostových půd jsou málo vhodné pro aktivní lidský život.

Klima

Permafrost se obvykle tvoří v jakémkoli klimatu, kde je průměrná roční teplota vzduchu pod bodem mrazu vody. Výjimky lze nalézt ve vlhkém zimním klimatu, například v severní Skandinávii a severovýchodním Rusku západně od Uralu, kde sníh působí jako izolační kryt. Výjimkou mohou být ledovcové oblasti. Protože všechny ledovce jsou ohřívány na jejich základnách geotermálním teplem, ledovce mírného pásma, které jsou blízko jejich tlakovému bodu tání, mohou mít kapalnou vodu na hranici s pevninou. Proto jsou bez permafrostu. "Fosilní" chladné anomálie v geotermálním gradientu v oblastech, kde se během pleistocénu vyvinul hluboký permafrost, přetrvávají až několik set metrů. To je zřejmé z měření teploty studní v Severní Americe a Evropě.

Teplota pod zemí

Teplota v podzemí se obvykle liší od sezóny k sezóně méně nežteplota vzduchu. Průměrné roční teploty mají zároveň tendenci růst s hloubkou v důsledku geotermálního gradientu zemské kůry. Pokud je tedy průměrná roční teplota vzduchu jen mírně pod 0 °C (32 °F), permafrost se bude tvořit pouze na chráněných místech – obvykle na severní straně – vytváří nesouvislý permafrost. Typicky zůstane permafrost nespojitý v klimatech, kde je průměrná roční teplota povrchu půdy -5 až 0 °C (23 až 32 °F). Oblasti s vlhkými zimami uvedené výše nemusí mít ani občasný permafrost až do -2 °C (28 °F).

Typy permafrostu

Permafrost se často dále dělí na rozsáhlý nesouvislý permafrost, kde permafrost pokrývá 50 až 90 procent krajiny a obvykle se vyskytuje v oblastech s průměrnými ročními teplotami -2 až -4 °C (28 až 25 °F) a sporadický permafrost, kde permafrost pokrývá méně než 50 procent krajiny a typicky se vyskytuje při průměrných ročních teplotách mezi 0 a -2 °C (32 a 28 °F). V pedologii je sporadická zóna permafrostu SPZ, zatímco rozsáhlá nespojitá zóna permafrostu je zóna dálkového průzkumu. Výjimky se vyskytují na nezasklené Sibiři a Aljašce, kde je současná hloubka permafrostu pozůstatkem klimatických podmínek během doby ledové, kde byly zimy o 11 °C (20 °F) chladnější než dnes.

Teplota permafrostu

Pokud jsou průměrné roční povrchové teploty půdy nižší než -5 °C (23 °F), vliv aspektunemůže nikdy stačit k rozmrazení permafrostu a vytvoření souvislé zóny permafrostu (zkráceně CPZ). Linie souvislého permafrostu na severní polokouli představuje nejjižnější hranici, kde je země pokryta souvislým permafrostem nebo ledovcovým ledem.

Z pochopitelných důvodů je navrhování na permafrostu extrémně obtížný úkol. Souvislá linie permafrostu se po celém světě mění na sever nebo jih v důsledku regionálních klimatických změn. Na jižní polokouli by většina ekvivalentní linie byla v jižním oceánu, kdyby tam byla pevnina. Většinu antarktického kontinentu pokrývají ledovce, pod nimiž většina terénu taje v zemi. Odkrytá země Antarktidy je z velké části permafrost.

Alpy

Odhady celkové plochy zóny permafrostu v Alpách se velmi liší. Bockheim a Munro spojili tři zdroje a provedli tabulkové odhady podle regionů (celkem 3 560 000 km2).

Alpský permafrost v Andách nebyl na mapě. Rozsah je v tomto případě modelován pro odhad množství vody v těchto oblastech. V roce 2009 objevil aljašský výzkumník permafrost ve výšce 4 700 m (15 400 stop) na nejvyšším vrcholu Afriky, hoře Kilimandžáro, asi 3° severně od rovníku. Základy na permafrostových půdách v těchto zeměpisných šířkách nejsou neobvyklé.

Zamrzlá moře a zamrzlé dno

Mořský permafrost se vyskytuje pod mořským dnem a existuje na polárních kontinentálních šelfechregionech. Tyto oblasti vznikly během poslední doby ledové, kdy byla většina zemské vody uzavřena v ledových příkrovech na souši a hladina moří byla nízká. Jak ledové příkrovy tály a staly se opět mořskou vodou, permafrost se stal ponořenými policemi za relativně teplých a slaných okrajových podmínek ve srovnání s permafrostem na povrchu. Podvodní permafrost proto existuje za podmínek, které vedou k jeho redukci. Podle Osterkampa je podmořský permafrost faktorem při „návrhu, výstavbě a provozu pobřežních zařízení, struktur mořského dna, umělých ostrovů, podmořských potrubí a vrtů vyvrtaných za účelem průzkumu a těžby.

Permafrost sahá až do hlubin základny, kde geotermální teplo ze Země a průměrná roční povrchová teplota dosahují rovnovážné teploty 0 °C. Hloubka základny permafrostu dosahuje 1493 metrů (4898 stop) v severních povodích řek Lena a Yana na Sibiři. Geotermální gradient je rychlost nárůstu teploty ve vztahu k nárůstu hloubky v nitru Země. Daleko od hranic tektonické desky je u povrchu ve většině zemí světa asi 25-30 °C/km. Mění se s tepelnou vodivostí geologického materiálu a je menší pro permafrost v půdě než v podloží.

Led v půdě

Když obsah ledu v permafrostu překročí 250 procent (od ledové hmoty po suchou půdu), je klasifikován jakomasivní led. Mohutná ledová tělesa mohou mít složení od ledového bahna až po čistý led. Mohutné ledové vrstvy mají minimální tloušťku minimálně 2 metry, krátký průměr minimálně 10 metrů. První zaznamenaná pozorování v Severní Americe provedli evropští vědci na řece Canning na Aljašce v roce 1919. Ruská literatura uvádí dřívější datum 1735 a 1739 během Velké severní expedice P. Lassinius a Kh. P. Laptev, v tomto pořadí. Dvě kategorie masivního přízemního ledu jsou pohřbený povrchový led a takzvaný „led uvnitř přístřešku“. Vytvoření jakýchkoli základů na permafrostu vyžaduje, aby poblíž nebyly žádné velké ledovce.

Zasypaný povrchový led může pocházet ze sněhu, zamrzlého jezera nebo mořského ledu, aufeis (válcovaného říčního ledu) a pravděpodobně nejběžnější variantou je pohřbený ledovcový led.

Zamrzání podzemní vody

Intradiestimální led se tvoří v důsledku zamrzání podzemní vody. Zde převažuje segregační led, ke kterému dochází v důsledku diferenciace krystalizace, ke které dochází při zamrzání vlhkých srážek. Proces je doprovázen migrací vody do mrazivé fronty.

Intradiestimální (ústavní) led byl široce pozorován a studován v celé Kanadě a zahrnuje také intruzivní a injekční led. Kromě toho ledové klíny, samostatný typ zemního ledu, vytvářejí rozpoznatelné vzorované polygony nebo polygony tundry. V již existující geologii se tvoří ledové klínyPodklad. Poprvé byly popsány v roce 1919.

Uhlíkový cyklus

Uhlíkový cyklus permafrostu se zabývá přenosem uhlíku z permafrostových půd do suchozemské vegetace a mikrobů, do atmosféry, zpět do vegetace a nakonec zpět do permafrostové půdy prostřednictvím pohřbívání a srážek prostřednictvím kryogenních procesů. Část tohoto uhlíku je přenášena do oceánu a dalších částí zeměkoule prostřednictvím globálního uhlíkového cyklu. Cyklus zahrnuje výměnu oxidu uhličitého a metanu mezi pozemskými složkami a atmosférou a transport uhlíku mezi zemí a vodou ve formě metanu, rozpuštěného organického uhlíku, rozpuštěného anorganického uhlíku, částic anorganického uhlíku a částic organického uhlíku.

Historie

Permafrost Arktidy se v průběhu staletí zmenšoval. Důsledkem toho je rozmrazování půdy, které může být slabší, a uvolňování metanu, který ve zpětné vazbě přispívá ke zvýšení rychlosti globálního oteplování. Oblasti rozšíření permafrostových půd se v historii neustále měnily.

Při posledním ledovcovém maximu pokrýval souvislý permafrost mnohem větší oblast než dnes. V Severní Americe existoval jižně od ledového příkrovu New Jersey v jižní Iowě a severní Missouri pouze velmi úzký pás permafrostu. Byl rozsáhlý v sušších západních oblastech, kde sahal k jižní hranici Idaha a Oregonu. Na jižní polokouli existují určité důkazy o bývalém věčnémpermafrost tohoto období ve středním Otagu a v argentinské Patagonii, ale byl pravděpodobně nespojitý a spojený s tundrou. Alpský permafrost se také vyskytoval v Drakensbergu během existence ledovců nad 3000 metrů (9840 stop). Přesto i tam vznikají základy a základy na permafrostu.

Struktura půdy

Půda se může skládat z mnoha substrátových materiálů, včetně skalního podloží, sedimentu, organické hmoty, vody nebo ledu. Zmrzlá půda je cokoli pod bodem mrazu vody, ať už je voda v substrátu přítomna či nikoli. Přízemní led není vždy přítomen, jak tomu může být v případě neporézního podloží, ale je běžný a může být přítomen v množství převyšujícím potenciální hydraulické nasycení rozmrazeného substrátu.

V důsledku toho přibývá srážek, které zase slábnou a možná se hroutí budovy v oblastech jako Norilsk na severu Ruska, které leží v zóně permafrostu.

Zhroucení svahu

V průběhu minulého století bylo hlášeno mnoho případů selhání alpských svahů v horských pásmech po celém světě. Očekává se, že velké množství strukturálních poškození bude spojeno s táním permafrostu, o kterém se předpokládá, že je způsoben změnou klimatu. Předpokládá se, že tání permafrostu přispělo k sesuvu půdy ve Val Pola v roce 1987, který v italských Alpách zabil 22 lidí. Velký v horských pásmechčást strukturální stability může být způsobena ledovci a permafrostem. Jak se klima otepluje, permafrost taje, což vede k méně stabilní horské struktuře a nakonec k většímu porušení svahů. Zvýšení teploty umožňuje hlubší hloubku aktivní vrstvy, což znamená ještě větší průnik vody. Led v půdě taje, což způsobuje ztrátu pevnosti půdy, zrychlený pohyb a potenciální toky úlomků. Proto je výstavba na permafrostu vysoce nežádoucí.

Jsou zde také informace o masivních pádech skal a ledu (až 11,8 milionu m³), zemětřesení (až 3,9 milionu mil), povodních (až 7, 8 milionů m³ vody) a rychlý tok skalnatého ledu. To je způsobeno „nestabilitou svahu“v podmínkách permafrostu na vysočině. Nestabilita svahu v permafrostu při zvýšených teplotách blízko bodu mrazu v oteplujícím se permafrostu je spojena s efektivním stresem a zvýšeným tlakem pórové vody v těchto půdách.

Vývoj permafrostových půd

Jason Kea a spoluautoři vynalezli nový bezfiltrový tuhý piezometr (FRP) pro měření tlaku vody v pórech v částečně zmrzlé půdě, jako je oteplující se permafrost. Rozšířili využití konceptu efektivního napětí na částečně zmrzlé půdy pro použití při analýze stability svahů oteplujících se svahů permafrostu. Aplikace konceptu efektivního stresu má mnoho výhod, například schopnost stavět základy a základypermafrostové půdy.

Bio

V severní cirkumpolární oblasti obsahuje permafrost 1 700 miliard tun organického materiálu, téměř polovinu veškeré organické hmoty. Tato pánev se vytvářela po tisíciletí a pomalu se ničí v chladných podmínkách Arktidy. Množství uhlíku sekvestrovaného v permafrostu je čtyřnásobek množství uhlíku uvolněného do atmosféry lidskou činností v moderní době.

Důsledky

Tvorba permafrostu má významné důsledky pro ekologické systémy, především kvůli omezením na kořenové zóny a také omezením geometrie doupat a nor pro faunu vyžadující podzemní domovy. Sekundární dopady ovlivňují druhy závislé na rostlinách a zvířatech, jejichž stanoviště je omezeno permafrostem. Jedním z nejběžnějších příkladů je prevalence černého smrku v rozsáhlých oblastech permafrostu, protože tento druh může tolerovat usazení, které je omezené blízko povrchu.

Výpočty permafrostových půd se někdy provádějí pro analýzu organického materiálu. Jeden gram půdy z aktivní vrstvy může obsahovat více než jednu miliardu bakteriálních buněk. Když jsou umístěny podél sebe, bakterie z jednoho kilogramu půdy aktivní vrstvy tvoří řetězec dlouhý 1000 km. Počet bakterií v permafrostové půdě se velmi liší, typicky mezi 1 a 1000 miliony na gram půdy. Většina z nichbakterie a houby v permafrostové půdě nelze kultivovat v laboratoři, ale identitu mikroorganismů lze odhalit pomocí metod založených na DNA.

Arktická oblast a globální oteplování

Arktická oblast je jedním z přirozených zdrojů skleníkových plynů metanu. Globální oteplování urychluje jeho uvolňování. Velké množství metanu se v Arktidě ukládá v ložiskách zemního plynu, permafrostu a ve formě podvodních klatrátů. Mezi další zdroje metanu patří podmořské taliky, říční doprava, ústup ledových komplexů, podmořský permafrost a rozkládající se ložiska hydrátů plynu. Předběžná počítačová analýza ukazuje, že permafrost může produkovat uhlík rovnající se asi 15 procentům dnešních emisí z lidských činností. Oteplování a rozmrazování půdních masivů činí stavění na permafrostu ještě nebezpečnějším.