Вечно замръзнали почви: области на разпространение, температура, характеристики на развитие

2024 Автор: Henry Conors | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-12 04:01

От тази статия ще научите за характеристиките на вечно замръзналите почви, които са често срещани в зоните на вечна замръзване. В геологията вечната замръзнала земя е земя, включително камениста (криотична) почва, която присъства при температура на замръзване от 0 °C или по-ниска в продължение на две или повече години. По-голямата част от вечната замръзналост се намира на високи географски ширини (в и около арктическите и антарктическите региони), но например в Алпите се намира на по-високи височини.

Почвен лед не винаги присъства, какъвто може да е случаят с непореста основа, но често се намира в количества, надвишаващи потенциалното хидравлично насищане на земния материал. Вечната замръзнала земя съставлява 0,022% от общата вода на Земята и съществува в 24% от откритата земя в Северното полукълбо. Среща се и под вода на континенталните шелфове на континентите около Северния ледовит океан. Според една група учени, глобално повишаване на температурата с 1,5 °C (2,7 °F) над текущатанивата ще са достатъчни, за да започне размразяването на вечна замръзване в Сибир.

Проучване

За разлика от относителната недостатъчност на докладите за замръзналите почви в Северна Америка преди Втората световна война, литературата за инженерните аспекти на вечната замръзнала земя беше налична на руски език. Започвайки през 1942 г., Саймън Уилям Мюлер се задълбочава в съответната литература, съхранявана от Библиотеката на Конгреса и Библиотеката на Геоложката служба на Съединените щати, за да предостави на правителството инженерно ръководство и технически доклад за вечна замръзване до 1943 г.

Определение

Вечната замръзнала почва е почва, скала или седимент, който е бил замразен повече от две последователни години. В непокрити с лед райони те съществуват под слой почва, скала или седимент, който замръзва и се размразява всяка година и се нарича „активен слой“. На практика това означава, че вечната замръзване се среща при средна годишна температура от -2 °C (28,4 °F) или по-ниска. Дебелината на активния слой варира в зависимост от сезона, но варира от 0,3 до 4 метра (плитко по арктическия бряг; дълбоко в Южен Сибир и Цинхай-Тибетското плато).

География

Какво ще кажете за разпространението на вечна замръзване? Степента на вечна замръзване варира в зависимост от климата: днес в Северното полукълбо 24% от свободната от лед земя - еквивалентна на 19 милиона квадратни километра - е повече или по-малко засегната от вечна замръзване.

Малко повече от половината от тази област е покрита с непрекъсната вечна замръзналост,около 20 процента е прекъсната вечна замръзналост и малко под 30 процента е спорадична вечна замръзнала земя. По-голямата част от тази територия се намира в Сибир, Северна Канада, Аляска и Гренландия. Под активния слой годишните температурни колебания на вечната замръзналост стават по-малки с дълбочината. Най-дълбоката дълбочина на вечна замръзване се среща там, където геотермалната топлина поддържа температури над нулата. Над тази граница може да има вечна замръзване, чиято температура не се променя ежегодно. Това е "изотермична вечна замръзналост". Зоните с вечно замръзнали почви са слабо подходящи за активен човешки живот.

Климат

Вечната замръзване обикновено се образува във всеки климат, където средната годишна температура на въздуха е под точката на замръзване на водата. Изключения могат да бъдат намерени при влажен зимен климат, като например в Северна Скандинавия и Североизточна Русия, западно от Урал, където снегът действа като изолиращо покритие. Ледниковите зони могат да бъдат изключение. Тъй като всички ледници се нагряват в основата си от геотермална топлина, умерените ледници, които са близо до тяхната точка на топене под налягане, могат да имат течна вода на границата със сушата. Следователно те са свободни от вечна замръзване. "Изкопаемите" студени аномалии в геотермалния градиент в райони, където се е развила дълбока вечна замръзване през плейстоцена, се запазват до няколкостотин метра. Това е видно от измерванията на температурата в кладенеца в Северна Америка и Европа.

Температура под земята

Обикновено температурата под земята варира от сезон на сезон по-малко оттемпература на въздуха. В същото време средните годишни температури имат тенденция да се повишават с дълбочина в резултат на геотермалния градиент на земната кора. По този начин, ако средната годишна температура на въздуха е само малко под 0 °C (32 °F), вечна замръзване ще се образува само на места, които са защитени - обикновено от северната страна - създавайки прекъснати вечна замръзване. Обикновено вечната замръзване ще остане непостоянна в климат, където средната годишна температура на повърхността на почвата е -5 до 0°C (23 до 32°F). Районите с влажни зими, споменати по-горе, може дори да нямат периодична вечна замръзване до -2 °C (28 °F).

Видове вечна замръзване

Вечната замръзнала земя често се разделя на обширна прекъсната вечна замръзнала земя, където вечната замръзналост покрива 50 до 90 процента от ландшафта и обикновено се среща в райони със средни годишни температури от -2 до -4 °C (28 до 25 °F) и спорадична вечна замръзнала земя, където вечната замръзналост покрива по-малко от 50 процента от ландшафта и обикновено се среща при средни годишни температури между 0 и -2 °C (32 и 28 °F). В почвознанието спорадичната зона на вечна замръзване е SPZ, докато обширната прекъсната зона на вечна замръзване е зоната за дистанционно наблюдение. Изключения се случват в неостъклен Сибир и Аляска, където настоящата дълбочина на вечна замръзване е остатък от климатичните условия през ледниковата епоха, където зимите са били с 11 °C (20 °F) по-студени от днешните.

Температура на вечна замръзване

Когато средните годишни температури на повърхността на почвата са под -5 °C (23 °F), влиянието на аспектаникога не може да бъде достатъчно за размразяване на вечната замръзналост и образуване на непрекъсната вечна замръзнала зона (CPZ за кратко). Линията на непрекъсната вечна замръзване в Северното полукълбо представлява най-южната граница, където земята е покрита с непрекъсната вечна замръзналост или ледников лед.

По очевидни причини проектирането върху вечна замръзналост е изключително трудна задача. Непрекъснатата линия на вечна замръзване се променя на север или на юг по целия свят поради регионалните климатични промени. В южното полукълбо по-голямата част от еквивалентната линия би била в Южния океан, ако имаше земя. По-голямата част от антарктическия континент е покрита от ледници, под които по-голямата част от терена е обект на топене в земята. Откритата земя на Антарктида е предимно вечна замръзнала земя.

Алпи

Оценките за общата площ на зоната на вечна замръзване в Алпите варират значително. Bockheim и Munro комбинираха трите източника и направиха таблични оценки по региони (общо 3 560 000 km2).

Алпийската вечна замръзнала земя в Андите не беше на картата. Степента в този случай се моделира за оценка на количеството вода в тези области. През 2009 г. изследовател от Аляска открива вечна замръзване на 4700 м (15 400 фута) на най-високия връх на Африка, планината Килиманджаро, на около 3° северно от екватора. Фундаментите върху вечно замръзнали почви в тези географски ширини не са необичайни.

Замръзнало море и замръзнало дъно

Морската вечна замръзване се среща под морското дъно и съществува на полярните континентални шелфоверегиони. Тези области са се образували през последния ледников период, когато по-голямата част от водата на Земята е била затворена в ледени покривки на сушата, а морското равнище е било ниско. Тъй като ледените покривки се стопиха и отново станаха морска вода, вечната замръзнала земя се превърна в потопени шелфове при относително топли и солени гранични условия в сравнение с вечната замръзнала повърхност на повърхността. Следователно подводната вечна замръзнала земя съществува при условия, които водят до нейното намаляване. Според Остеркамп, подводната вечна замръзнала земя е фактор при „проектирането, изграждането и експлоатацията на крайбрежни съоръжения, структури на морското дъно, изкуствени острови, подводни тръбопроводи и кладенци, пробити за проучване и производство.

Вечната замръзнала земя се простира до дълбините на основата, където геотермалната топлина от Земята и средната годишна температура на повърхността достигат равновесна температура от 0 °C. Дълбочината на основата на вечната замръзване достига 1493 метра (4898 фута) в северните басейни на реките Лена и Яна в Сибир. Геотермалният градиент е скоростта на повишаване на температурата спрямо увеличаването на дълбочината във вътрешността на Земята. Далеч от границите на тектоничната плоча, тя е около 25-30 °C/km близо до повърхността в повечето страни по света. Тя варира в зависимост от топлопроводимостта на геоложкия материал и е по-малка за вечна замръзване в почвата, отколкото в скална основа.

Лед в почвата

Когато съдържанието на лед във вечна замръзване надвишава 250 процента (от ледена маса до суха почва), то се класифицира катомасивен лед. Масивните ледени тела могат да варират по състав от ледена кал до чист лед. Масивните ледени слоеве имат минимална дебелина най-малко 2 метра, къс диаметър най-малко 10 метра. Първите записани наблюдения в Северна Америка са направени от европейски учени на река Канинг в Аляска през 1919 г. Руската литература дава по-ранна дата съответно 1735 и 1739 г. по време на Великата северна експедиция на П. Ласиний и Х. П. Лаптев. Двете категории масивен земен лед са заровен повърхностен лед и така нареченият „лед в навеса“. Създаването на всякакви основи върху вечна замръзналост изисква да няма големи ледници наблизо.

Заровеният повърхностен лед може да идва от сняг, замръзнал езерен или морски лед, aufeis (вален речен лед) и вероятно най-често срещаният вариант е заровен ледников лед.

Замръзване на подземните води

Интрадистималния лед се образува в резултат на замръзване на подпочвените води. Тук преобладава сегрегационният лед, който възниква в резултат на кристализационна диференциация, която се получава по време на замръзване на мокри валежи. Процесът е придружен от миграция на вода към фронта на замръзване.

Интрадистималния (конституционен) лед е широко наблюдаван и изследван в цяла Канада и включва също интрузивен и инжекционен лед. В допълнение, ледените клинове, отделен вид земен лед, произвеждат разпознаваеми шарени многоъгълници или полигони на тундрата. Ледени клинове се образуват в съществуваща геоложкасубстрат. Те са описани за първи път през 1919 г.

Въглероден цикъл

Въглеродният цикъл на вечна замръзване се занимава с прехвърлянето на въглерод от вечно замръзналите почви към земната растителност и микроби, към атмосферата, обратно към растителността и накрая обратно към почвата на вечна замръзналост чрез заравяне и утаяване чрез криогенни процеси. Част от този въглерод се пренася в океана и други части на земното кълбо чрез глобалния въглероден цикъл. Цикълът включва обмена на въглероден диоксид и метан между земните компоненти и атмосферата и транспортирането на въглерод между земята и водата под формата на метан, разтворен органичен въглерод, разтворен неорганичен въглерод, неорганични въглеродни частици и органични въглеродни частици.

История

Вечната лед на Арктика се свива през вековете. Последица от това е размразяването на почвата, която може да е по-слаба, и отделянето на метан, което допринася за увеличаване на скоростта на глобалното затопляне в обратна връзка. Областите на разпространение на вечно замръзналите почви непрекъснато се променят в историята.

При последния ледников максимум непрекъснатата вечна замръзнала земя покриваше много по-голяма площ от днес. В Северна Америка е съществувал само много тесен пояс от вечна замръзване на юг от ледената покривка на Ню Джърси в Южна Айова и Северен Мисури. Той беше обширен в по-сухите западни райони, където се простираше до южната граница на Айдахо и Орегон. В южното полукълбо има някои доказателства за бивша вечнавечната замръзналост от този период в централно Отаго и в Аржентина Патагония, но вероятно е била прекъсната и е свързана с тундрата. Алпийската вечна замръзнала земя също се е появила в Дракенсберг по време на съществуването на ледници над 3000 метра (9840 фута). Независимо от това, основите и основите върху вечната замръзналост се изграждат дори и там.

Структура на почвата

Почвата може да бъде съставена от много субстратни материали, включително скална основа, седимент, органична материя, вода или лед. Замръзнала земя е всичко под точката на замръзване на водата, независимо дали има вода в субстрата или не. Наземният лед не винаги присъства, какъвто може да е случаят с непореста основа, но е често срещан и може да присъства в количества, надвишаващи потенциалното хидравлично насищане на размразения субстрат.

В резултат на това валежите се увеличават, което от своя страна отслабва и вероятно срутва сгради в райони като Норилск в Северна Русия, който се намира в зоната на вечна замръзване.

свиване на наклон

През миналия век има много докладвани случаи на провал на алпийски склон в планински вериги по целия свят. Очаква се голямо количество структурни щети да бъдат свързани с топенето на вечна замръзване, за което се смята, че е причинено от изменението на климата. Смята се, че топенето на вечна замръзване е допринесло за свлачището във Вал Пола през 1987 г., при което загинаха 22 души в италианските Алпи. Големи в планинските веригичаст от структурната стабилност може да се дължи на ледници и вечна замръзване. Тъй като климатът се затопля, вечната замръзналост се размразява, което води до по-малко стабилна планинска структура и в крайна сметка по-голям провал на склона. Повишаването на температурата позволява по-дълбоки дълбочини на активния слой, което води до още по-голямо проникване на вода. Ледът в почвата се топи, причинявайки загуба на здравина на почвата, ускорено движение и потенциални потоци от отпадъци. Следователно строителството върху вечна замръзналост е крайно нежелателно.

Има също информация за масивни падания на скали и лед (до 11,8 милиона m³), земетресения (до 3,9 милиона мили), наводнения (до 7, 8 милиона m³ вода) и бързият поток от скалист лед. Това се дължи на "нестабилността на склона" в условията на вечна замръзване във високопланинските райони. Нестабилността на наклона във вечна замръзване при повишени температури близо до замръзване при затопляне на вечна замръзване е свързана с ефективно напрежение и повишено водно налягане в порите в тези почви.

Развитие на вечно замръзнали почви

Джейсън Кеа и съавтори изобретиха нов твърд пиезометър без филтър (FRP) за измерване на налягането на водата в порите в частично замръзнали почви, като например затопляща се вечна замръзналост. Те разшириха използването на концепцията за ефективно напрежение до частично замръзнали почви за използване в анализа на стабилността на склона на затоплящите се склонове на вечна замръзналост. Прилагането на концепцията за ефективен стрес има много предимства, например способността да се изграждат основи и основи върхувечно замръзнали почви.

Органично

В северната циркумполярна област вечната замръзнала маса съдържа 1700 милиарда тона органичен материал, почти половината от цялата органична материя. Този басейн е създаден в продължение на хилядолетия и бавно се разрушава в студените условия на Арктика. Количеството въглерод, изолиран във вечната замръзналост, е четири пъти повече от количеството въглерод, освободен в атмосферата от човешката дейност в съвремието.

Последствия

Образуването на вечна замръзване има значителни последици за екологичните системи, главно поради ограниченията, поставени върху кореновите зони, както и ограниченията върху геометрията на бърлогите и дупките за фауната, изискваща подземни домове. Вторичните въздействия засягат видове, зависещи от растения и животни, чието местообитание е ограничено от вечна замръзване. Един от най-често срещаните примери е разпространението на черния смърч в обширни територии на вечна замръзналост, тъй като този вид може да толерира установяването, което е ограничено близо до повърхността.

Изчисленията на вечно замръзналите почви понякога се правят за анализ на органичен материал. Един грам почва от активен слой може да съдържа над един милиард бактериални клетки. Когато се поставят една на друга, бактериите от един килограм почва от активния слой образуват верига с дължина 1000 km. Броят на бактериите във вечна замръзнала почва варира в широки граници, обикновено между 1 и 1000 милиона на грам почва. Повечето от тезибактерии и гъбички в почвата с вечна замръзнала почва не могат да бъдат култивирани в лабораторията, но самоличността на микроорганизмите може да бъде разкрита с помощта на методи, базирани на ДНК.

Арктическият регион и глобалното затопляне

Арктическият регион е един от естествените източници на метан, парникови газове. Глобалното затопляне ускорява освобождаването му. Голямо количество метан се съхранява в Арктика в находища на природен газ, вечна замръзване и под формата на подводни клатрати. Други източници на метан включват подводни талики, речен транспорт, отстъпление на леден комплекс, подводна вечна замръзнала земя и разлагащи се отлагания на газови хидрати. Предварителният компютърен анализ показва, че вечната замръзналост може да произвежда въглерод, равен на около 15 процента от днешните емисии от човешката дейност. Затоплянето и размразяването на почвените масиви прави строежа върху вечна замръзване още по-опасен.