Evig frossen jord: distributionsområder, temperatur, udviklingstræk

2024 Forfatter: Henry Conors | [email protected]. Sidst ændret: 2024-02-12 05:17

Fra denne artikel vil du lære om egenskaberne ved permafrostjord, der er almindelige i permafrostzoner. I geologi er permafrost land, inklusive stenet (kryotisk) jord, der er til stede ved en frysetemperatur på 0 °C eller derunder i to eller flere år. Det meste af permafrosten er placeret på høje breddegrader (i og omkring de arktiske og antarktiske områder), men f.eks. i Alperne findes den i højere højder.

Jordis er ikke altid til stede, som det kan være tilfældet med ikke-porøst grundfjeld, men den findes ofte i mængder, der overstiger den potentielle hydrauliske mætning af jordmaterialet. Permafrost udgør 0,022% af det samlede vand på Jorden og findes i 24% af det åbne land på den nordlige halvkugle. Det forekommer også under vandet på kontinentalsoklen på kontinenterne omkring det arktiske hav. Ifølge en gruppe videnskabsmænd er en global temperaturstigning på 1,5 °C (2,7 °F) over den nuværendeniveauer vil være nok til at begynde at tø permafrost op i Sibirien.

Undersøgelse

I modsætning til den relative mangel på rapporter om frossen jord i Nordamerika før Anden Verdenskrig, var litteratur om de tekniske aspekter af permafrost tilgængelig på russisk. Begyndende i 1942 dykkede Simon William Muller ned i relevant litteratur, der var indeholdt af Library of Congress og Library of the United States Geological Survey for at give regeringen en teknisk manual og teknisk rapport om permafrost inden 1943.

Definition

Permafrost er jord, sten eller sediment, der har været frosset i mere end to på hinanden følgende år. I ikke-isdækkede områder eksisterer de under et lag af jord, sten eller sediment, der fryser og tøer op hvert år og kaldes det "aktive lag". I praksis betyder det, at permafrost forekommer ved en gennemsnitlig årlig temperatur på -2 °C (28,4 °F) eller lavere. Tykkelsen af det aktive lag varierer med årstiden, men varierer fra 0,3 til 4 meter (lavvandet langs den arktiske kyst; dybt i det sydlige Sibirien og det Qinghai-Tibetanske Plateau).

Geografi

Hvad med spredningen af permafrost? Omfanget af permafrost varierer efter klima: i dag på den nordlige halvkugle er 24 % af det isfrie landareal - svarende til 19 millioner kvadratkilometer - mere eller mindre påvirket af permafrost.

Lidt mere end halvdelen af dette område er dækket af kontinuerlig permafrost,omkring 20 procent er diskontinuerlig permafrost og knap 30 procent er sporadisk permafrost. Det meste af dette territorium ligger i Sibirien, det nordlige Canada, Alaska og Grønland. Under det aktive lag bliver årlige temperaturudsving i permafrosten mindre med dybden. Den dybeste dybde af permafrost opstår, hvor geotermisk varme holder temperaturen over frysepunktet. Over denne grænse kan der være permafrost, hvis temperatur ikke ændres årligt. Dette er "isotermisk permafrost". Områder med permafrostjord er dårligt egnede til aktivt menneskeliv.

Klima

Permafrost dannes norm alt i ethvert klima, hvor den gennemsnitlige årlige lufttemperatur er under vands frysepunkt. Undtagelser kan findes i våde vinterklimaer, såsom i Nordskandinavien og det nordøstlige Rusland vest for Ural, hvor sneen fungerer som et isolerende dække. Glaciale områder kan være undtagelser. Fordi alle gletsjere opvarmes ved deres baser af geotermisk varme, kan tempererede gletsjere, der er tæt på deres tryksmeltepunkt, have flydende vand ved grænsen til landet. Derfor er de fri for permafrost. "Fossile" kolde anomalier i den geotermiske gradient i områder, hvor dyb permafrost udviklet sig under Pleistocæn varer op til flere hundrede meter. Dette fremgår af brøndtemperaturmålinger i Nordamerika og Europa.

Temperature underground

Typisk varierer temperaturen under jorden fra sæson til sæson mindre endlufttemperatur. Samtidig har de gennemsnitlige årlige temperaturer en tendens til at stige med dybden som følge af jordskorpens geotermiske gradient. Hvis den gennemsnitlige årlige lufttemperatur kun er lidt under 0 °C (32 °F), vil permafrost kun dannes på steder, der er beskyttet - norm alt på nordsiden - og skabe diskontinuerlig permafrost. Typisk vil permafrost forblive diskontinuerlig i klimaer, hvor den gennemsnitlige årlige jordoverfladetemperatur er -5 til 0°C (23 til 32°F). Områderne med våde vintre nævnt ovenfor har muligvis ikke engang periodisk permafrost ned til -2 °C (28 °F).

Typer af permafrost

Permafrost er ofte yderligere opdelt i omfattende diskontinuerlig permafrost, hvor permafrost dækker 50 til 90 procent af landskabet og typisk findes i områder med gennemsnitlige årlige temperaturer på -2 til -4 °C (28 til 25 °F), og sporadisk permafrost, hvor permafrost dækker mindre end 50 procent af landskabet og typisk forekommer ved gennemsnitlige årlige temperaturer mellem 0 og -2 °C (32 og 28 °F). I jordbundsvidenskab er den sporadiske permafrostzone SPZ, mens den omfattende diskontinuerlige permafrostzone er fjernmålingszonen. Undtagelser forekommer i det uglaserede Sibirien og Alaska, hvor den nuværende dybde af permafrost er en rest af klimaforhold under istiden, hvor vintrene var 11 °C (20 °F) koldere end i dag.

Permafrosttemperatur

Når gennemsnitlige årlige jordoverfladetemperaturer er under -5 °C (23 °F), påvirkes aspektetkan aldrig være nok til at optø permafrosten og danne en sammenhængende permafrostzone (forkortet CPZ). Linjen med kontinuerlig permafrost på den nordlige halvkugle repræsenterer den sydligste grænse, hvor landet er dækket af kontinuerlig permafrost eller glacial is.

Af indlysende årsager er design på permafrost en ekstremt vanskelig opgave. Den kontinuerlige permafrostlinje ændrer sig nord eller syd rundt om i verden på grund af regionale klimaændringer. På den sydlige halvkugle ville det meste af den tilsvarende linje være i det sydlige ocean, hvis der var land. Det meste af det antarktiske kontinent er dækket af gletsjere, hvorunder det meste af terrænet er udsat for smeltning i jorden. Det udsatte land i Antarktis er stort set permafrost.

Alperne

Estimat af det samlede areal af permafrostzonen i Alperne varierer meget. Bockheim og Munro kombinerede de tre kilder og lavede tabelformede skøn efter region (3.560.000 km2 i alt).

Alpine permafrost i Andesbjergene var ikke på kortet. Omfanget i dette tilfælde er modelleret til at estimere mængden af vand i disse områder. I 2009 opdagede en forsker fra Alaska permafrost på 4.700 m (15.400 fod) på Afrikas højeste top, Mount Kilimanjaro, omkring 3° nord for ækvator. Fundamenter på permafrostjord på disse breddegrader er ikke ualmindeligt.

Frossen hav og frossen bund

Marin permafrost forekommer under havbunden og findes på polære kontinentalsoklerregioner. Disse områder er dannet under den sidste istid, hvor det meste af Jordens vand var spærret inde i iskapper på land og havniveauet var lavt. Efterhånden som iskapperne smeltede og blev til havvand igen, blev permafrosten til nedsænkede hylder under relativt varme og s alte randforhold sammenlignet med permafrosten ved overfladen. Derfor eksisterer undervandspermafrost under forhold, der fører til dens reduktion. Ifølge Osterkamp er undersøisk permafrost en faktor i design, konstruktion og drift af kystanlæg, havbundsstrukturer, kunstige øer, undersøiske rørledninger og brønde boret til efterforskning og produktion.

Permafrost strækker sig til bundens dybder, hvor geotermisk varme fra Jorden og den gennemsnitlige årlige overfladetemperatur når en ligevægtstemperatur på 0 °C. Dybden af permafrostbasen når 1.493 meter (4.898 fod) i de nordlige bassiner af Lena- og Yana-floderne i Sibirien. Den geotermiske gradient er stigningshastigheden i temperatur i forhold til stigningen i dybden i Jordens indre. Langt fra grænserne for den tektoniske plade er det omkring 25-30 °C/km nær overfladen i de fleste lande i verden. Den varierer med den termiske ledningsevne af det geologiske materiale og er mindre for permafrost i jord end i grundfjeld.

Is i jorden

Når isindholdet i permafrost overstiger 250 procent (fra ismasse til tør jord), er det klassificeret sommassiv is. Massive islegemer kan variere i sammensætning fra iskold mudder til ren is. Massive islag har en minimumstykkelse på mindst 2 meter, en kort diameter på mindst 10 meter. De første registrerede observationer i Nordamerika blev foretaget af europæiske videnskabsmænd på Canning River i Alaska i 1919. Russisk litteratur angiver en tidligere dato på 1735 og 1739 under henholdsvis P. Lassinius og Kh. P. Laptevs store nordekspedition. De to kategorier af massiv jordis er begravet overfladeis og såkaldt "intra-shed is". Oprettelsen af ethvert fundament på permafrost kræver, at der ikke er store gletsjere i nærheden.

Begravet overfladeis kan komme fra sne, frossen sø- eller havisen, aufeis (rullet flodis) og nok den mest almindelige variant er nedgravet glacialis.

Grundvand fryser

Intradiestimal is dannes som følge af, at grundvandet fryser. Her hersker segregationsis, som opstår som følge af krystallisationsdifferentiering, der opstår under frysning af våd nedbør. Processen ledsages af vandmigrering til frysefronten.

Intradiestimal (konstitutionel) is er blevet observeret og undersøgt i vid udstrækning i hele Canada og inkluderer også påtrængende is og indsprøjtningsis. Derudover producerer isskiler, en separat type jordis, genkendelige mønstrede polygoner eller tundrapolygoner. Iskiler dannes i en allerede eksisterende geologisksubstrat. De blev først beskrevet i 1919.

Carbon-cyklus

Permafrostens kulstofkredsløb handler om overførsel af kulstof fra permafrostjord til terrestrisk vegetation og mikrober, til atmosfæren, tilbage til vegetation og endelig tilbage til permafrostjorden gennem nedgravning og nedbør gennem kryogene processer. Noget af dette kulstof overføres til havet og andre dele af kloden gennem det globale kulstofkredsløb. Kredsløbet omfatter udveksling af kuldioxid og metan mellem terrestriske komponenter og atmosfæren og transport af kulstof mellem land og vand i form af metan, opløst organisk kulstof, opløst uorganisk kulstof, uorganisk kulstofpartikler og organiske kulstofpartikler.

Historie

Permafrosten i Arktis er blevet mindre gennem århundreder. Konsekvensen af dette er optøning af jorden, som kan være svagere, og frigivelse af metan, som bidrager til en stigning i hastigheden af den globale opvarmning i en feedback-loop. Udbredelsesområderne for permafrostjord har konstant ændret sig i historien.

Ved det sidste glaciale maksimum dækkede vedvarende permafrost et meget større område end i dag. I Nordamerika eksisterede kun et meget sm alt bælte af permafrost syd for New Jerseys breddegrads iskappe i det sydlige Iowa og det nordlige Missouri. Det var omfattende i de tørrere vestlige områder, hvor det strakte sig til den sydlige grænse mellem Idaho og Oregon. På den sydlige halvkugle er der nogle beviser på en tidligere evighedpermafrost fra denne periode i det centrale Otago og i det argentinske Patagonien, men den var sandsynligvis diskontinuerlig og forbundet med tundraen. Alpine permafrost forekom også i Drakensberg under eksistensen af gletsjere over 3.000 meter (9.840 fod). Ikke desto mindre er fundamenter og fundamenter på permafrost ved at blive etableret selv der.

Jordstruktur

Jord kan være sammensat af mange substratmaterialer, inklusive grundfjeld, sediment, organisk materiale, vand eller is. Frossen jord er alt under vands frysepunkt, uanset om der er vand i underlaget eller ej. Jordis er ikke altid til stede, som det kan være tilfældet for ikke-porøst grundfjeld, men den er almindelig og kan være til stede i mængder, der overstiger den potentielle hydrauliske mætning af det optøede substrat.

Som følge heraf stiger nedbøren, hvilket igen svækker og muligvis kollapser bygninger i områder som Norilsk i det nordlige Rusland, der ligger i permafrostzonen.

Skrændingskollaps

I løbet af det seneste århundrede har der været mange rapporterede tilfælde af svigt af alpine skråninger i bjergkæder rundt om i verden. En stor mængde strukturelle skader forventes at være forbundet med smeltende permafrost, som menes at være forårsaget af klimaændringer. Smeltende permafrost menes at have bidraget til Val Pola-skredet i 1987, der dræbte 22 mennesker i de italienske alper. Stor i bjergkæderen del af den strukturelle stabilitet kan skyldes gletschere og permafrost. Efterhånden som klimaet opvarmes, tøer permafrosten op, hvilket fører til mindre stabil bjergstruktur og til sidst mere skråningsfejl. Forøgelse af temperaturen giver mulighed for dybere dybder af det aktive lag, hvilket medfører endnu mere vandindtrængning. Isen i jorden smelter, hvilket forårsager tab af jordstyrke, accelereret bevægelse og potentielle affaldsstrømme. Derfor er byggeri på permafrost meget uønsket.

Der er også information om massive fald af sten og is (op til 11,8 millioner m³), jordskælv (op til 3,9 millioner miles), oversvømmelser (op til 7, 8 millioner m³ vand) og den hurtige strøm af stenet is. Dette er forårsaget af "skråningsustabilitet" under permafrostforhold i højlandet. Skråningsustabilitet i permafrost ved forhøjede temperaturer nær frysepunktet i opvarmende permafrost er forbundet med effektiv stress og øget porevandstryk i disse jorder.

Udvikling af permafrostjord

Jason Kea og medforfattere har opfundet et nyt filterløst stift piezometer (FRP) til at måle porevandstrykket i delvis frossen jord som f.eks. varmende permafrost. De udvidede brugen af begrebet effektiv stress til delvis frossen jord til brug i skråningsstabilitetsanalyse af opvarmende permafrostskråninger. Anvendelsen af begrebet effektiv stress har mange fordele, for eksempel evnen til at bygge baser og fundamenter påpermafrostjord.

Økologisk

I den nordlige cirkumpolare region indeholder permafrost 1.700 milliarder tons organisk materiale, næsten halvdelen af alt organisk materiale. Dette bassin er blevet skabt gennem årtusinder og bliver langsomt ødelagt under de kolde forhold i Arktis. Mængden af kulstof, der bindes i permafrost, er fire gange den mængde kulstof, der frigives til atmosfæren ved menneskelig aktivitet i moderne tid.

Konsekvenser

Dannelsen af permafrost har betydelige konsekvenser for økologiske systemer, primært på grund af restriktioner placeret på rodzoner, såvel som restriktioner på geometrien af huler og huler for fauna, der kræver underjordiske boliger. Sekundære påvirkninger påvirker arter, der er afhængige af planter og dyr, hvis levested er begrænset af permafrost. Et af de mest almindelige eksempler er udbredelsen af sortgran i store områder med permafrost, da denne art kan tåle etablering, der er begrænset nær overfladen.

Beregninger af permafrostjord er nogle gange lavet til analyse af organisk materiale. Et gram jord fra et aktivt lag kan indeholde over en milliard bakterieceller. Når de placeres langs hinanden, danner bakterier fra et kilogram jord af det aktive lag en kæde på 1000 km. Antallet af bakterier i permafrostjord varierer meget, typisk mellem 1 og 1000 millioner pr. gram jord. De fleste af dissebakterier og svampe i permafrostjord kan ikke dyrkes i laboratoriet, men mikroorganismernes identitet kan afsløres ved hjælp af DNA-baserede metoder.

Den arktiske region og global opvarmning

Den arktiske region er en af de naturlige kilder til metandrivhusgasser. Global opvarmning accelererer sin frigivelse. En stor mængde metan er lagret i Arktis i naturgasforekomster, permafrost og i form af undervandsklatrater. Andre kilder til metan omfatter undersøiske taliks, flodtransport, iskompleks-tilbagetrækning, undersøisk permafrost og forrådnende gashydrataflejringer. Foreløbig computeranalyse indikerer, at permafrost kan producere kulstof svarende til omkring 15 procent af nutidens emissioner fra menneskelige aktiviteter. Opvarmning og optøning af jordmassiver gør bygning på permafrost endnu farligere.