Evig frossen jord: distribusjonsområder, temperatur, utviklingstrekk

2024 Forfatter: Henry Conors | [email protected]. Sist endret: 2024-02-12 11:32

Fra denne artikkelen vil du lære om egenskapene til permafrostjord som er vanlig i permafrostsoner. I geologi er permafrost land, inkludert steinete (kryotisk) jord, som er tilstede ved en frysetemperatur på 0 °C eller lavere i to eller flere år. Det meste av permafrosten ligger på høye breddegrader (i og rundt de arktiske og antarktiske områdene), men for eksempel i Alpene finnes den i høyere høyder.

Grunnis er ikke alltid tilstede, slik tilfellet kan være med ikke-porøst berggrunn, men den finnes ofte i mengder utover den potensielle hydrauliske metningen av grunnmaterialet. Permafrost utgjør 0,022 % av det totale vannet på jorden og finnes i 24 % av åpent land på den nordlige halvkule. Det forekommer også under vann på kontinentalsokkelen på kontinentene rundt Polhavet. I følge en gruppe forskere, en global temperaturøkning på 1,5 °C (2,7 °F) over gjeldendenivåene vil være nok til å begynne å tine permafrost i Sibir.

Studie

I motsetning til den relative mangelen på rapporter om frossen jord i Nord-Amerika før andre verdenskrig, var litteratur om de tekniske aspektene ved permafrost tilgjengelig på russisk. Fra og med 1942 fordypet Simon William Muller relevant litteratur holdt av Library of Congress og Library of the United States Geological Survey for å gi regjeringen en ingeniørhåndbok og teknisk rapport om permafrost innen 1943.

Definition

Permafrost er jord, stein eller sediment som har vært frosset i mer enn to år på rad. I ikke-isdekkede områder eksisterer de under et lag med jord, stein eller sediment som fryser og tiner hvert år og kalles det "aktive laget". I praksis betyr dette at permafrost oppstår ved en gjennomsnittlig årlig temperatur på -2 °C (28,4 °F) eller lavere. Tykkelsen på det aktive laget varierer med sesongen, men varierer fra 0,3 til 4 meter (grunn langs den arktiske kysten; dypt i det sørlige Sibir og det Qinghai-tibetanske platået).

Geografi

Hva med spredningen av permafrost? Omfanget av permafrost varierer etter klima: i dag på den nordlige halvkule er 24 % av det isfrie landarealet – tilsvarende 19 millioner kvadratkilometer – mer eller mindre påvirket av permafrost.

Lite mer enn halvparten av dette området er dekket av kontinuerlig permafrost,om lag 20 prosent er diskontinuerlig permafrost og i underkant av 30 prosent er sporadisk permafrost. Det meste av dette territoriet ligger i Sibir, Nord-Canada, Alaska og Grønland. Under det aktive laget blir årlige temperatursvingninger i permafrosten mindre med dybden. Den dypeste dybden av permafrost oppstår der geotermisk varme holder temperaturen over frysepunktet. Over denne grensen kan det være permafrost, hvis temperatur ikke endres årlig. Dette er "isoterm permafrost". Områder med permafrostjord er dårlig egnet for aktivt menneskeliv.

Climate

Permafrost dannes vanligvis i ethvert klima der gjennomsnittlig årlig lufttemperatur er under frysepunktet til vann. Unntak kan finnes i vått vinterklima, som i Nord-Skandinavia og nordøst i Russland vest for Ural, hvor snø fungerer som et isolerende dekke. Isområder kan være unntak. Fordi alle isbreer varmes opp ved sine baser av geotermisk varme, kan tempererte isbreer som er nær deres trykksmeltepunkt ha flytende vann ved grensen til landet. Derfor er de fri for permafrost. "Fossile" kuldeanomalier i den geotermiske gradienten i områder der dyp permafrost utviklet seg under Pleistocen vedvarer opptil flere hundre meter. Dette er tydelig fra brønntemperaturmålinger i Nord-Amerika og Europa.

Temperature underground

Vanligvis varierer temperaturen under jorden fra sesong til sesong mindre ennlufttemperatur. Samtidig har gjennomsnittlige årlige temperaturer en tendens til å øke med dybden som følge av den geotermiske gradienten til jordskorpen. Således, hvis den gjennomsnittlige årlige lufttemperaturen bare er litt under 0 °C (32 °F), vil permafrost bare dannes på steder som er beskyttet - vanligvis på nordsiden - og skape diskontinuerlig permafrost. Vanligvis vil permafrost forbli diskontinuerlig i klima der den gjennomsnittlige årlige jordoverflatetemperaturen er -5 til 0 °C (23 til 32 °F). Områdene med våte vintre nevnt ovenfor har kanskje ikke engang periodisk permafrost ned til -2 °C (28 °F).

Typer permafrost

Permafrost deles ofte videre inn i omfattende diskontinuerlig permafrost, der permafrost dekker 50 til 90 prosent av landskapet og vanligvis finnes i områder med gjennomsnittlige årlige temperaturer på -2 til -4 °C (28 til 25 °F), og sporadisk permafrost, der permafrost dekker mindre enn 50 prosent av landskapet og typisk forekommer ved gjennomsnittlige årlige temperaturer mellom 0 og -2 °C (32 og 28 °F). Innen jordvitenskap er den sporadiske permafrostsonen SPZ, mens den omfattende diskontinuerlige permafrostsonen er fjernmålingssonen. Unntak forekommer i det uglaserte Sibir og Alaska, der den nåværende dybden av permafrost er en rest av klimaforholdene under istiden, der vintrene var 11 °C (20 °F) kaldere enn i dag.

Permafrosttemperatur

Når gjennomsnittlige årlige jordoverflatetemperaturer er under -5 °C (23 °F), er påvirkningen av aspektetkan aldri være nok til å tine permafrosten og danne en kontinuerlig permafrostsone (CPZ forkortet). Linjen med kontinuerlig permafrost på den nordlige halvkule representerer den sørligste grensen der landet er dekket av kontinuerlig permafrost eller isbreer.

Av åpenbare grunner er design på permafrost en ekstremt vanskelig oppgave. Den kontinuerlige permafrostlinjen endrer seg nord eller sør rundt om i verden på grunn av regionale klimaendringer. På den sørlige halvkule ville det meste av den tilsvarende linjen vært i Sørishavet hvis det fantes land. Det meste av det antarktiske kontinentet er dekket av isbreer, der det meste av terrenget er utsatt for smelting i bakken. Det eksponerte landet Antarktis er stort sett permafrost.

Alpene

Estimatene for det totale arealet av permafrostsonen i Alpene varierer sterkt. Bockheim og Munro kombinerte de tre kildene og gjorde anslag i tabellform etter region (tot alt 3 560 000 km2).

Alpin permafrost i Andesfjellene var ikke på kartet. Omfanget i dette tilfellet er modellert for å estimere vannmengden i disse områdene. I 2009 oppdaget en forsker fra Alaska permafrost på 4 700 m (15 400 fot) på Afrikas høyeste topp, Mount Kilimanjaro, omtrent 3° nord for ekvator. Fundamentering på permafrostjord på disse breddegradene er ikke uvanlig.

Fryst hav og frossen bunn

Marin permafrost forekommer under havbunnen og finnes på polar kontinentalsokkelregioner. Disse områdene ble dannet under siste istid, da det meste av jordens vann var innestengt i isdekker på land og havnivået var lavt. Etter hvert som isdekkene smeltet og ble til sjøvann igjen, ble permafrosten nedsenkede hyller under relativt varme og s alte grenseforhold sammenlignet med permafrosten ved overflaten. Derfor eksisterer undervannspermafrost under forhold som fører til reduksjon. Ifølge Osterkamp er undersjøisk permafrost en faktor i «design, konstruksjon og drift av kystanlegg, havbunnsstrukturer, kunstige øyer, undersjøiske rørledninger og brønner boret for leting og produksjon.

Permafrost strekker seg til dypet av basen, der geotermisk varme fra jorden og gjennomsnittlig årlig overflatetemperatur når en likevektstemperatur på 0 °C. Dybden på permafrostbasen når 1493 meter i de nordlige bassengene til elvene Lena og Yana i Sibir. Den geotermiske gradienten er økningen i temperatur i forhold til økningen i dybden i jordens indre. Langt fra grensene til den tektoniske platen er det omtrent 25-30 °C/km nær overflaten i de fleste land i verden. Den varierer med den termiske ledningsevnen til det geologiske materialet og er mindre for permafrost i jord enn i berggrunn.

Is i jorda

Når isinnholdet i permafrost overstiger 250 prosent (fra ismasse til tørr jord), er det klassifisert sommassiv is. Massive iskropper kan variere i sammensetning fra isete gjørme til ren is. Massive islag har en minimumstykkelse på minst 2 meter, en kort diameter på minst 10 meter. De første registrerte observasjonene i Nord-Amerika ble gjort av europeiske forskere ved Canning River i Alaska i 1919. Russisk litteratur gir en tidligere dato på 1735 og 1739 under den store nordekspedisjonen til henholdsvis P. Lassinius og Kh. P. Laptev. De to kategoriene av massiv grunnis er begravd overflateis og såk alt "intra-shed ice". Etableringen av ethvert fundament på permafrost krever at det ikke er store isbreer i nærheten.

Begravd overflateis kan komme fra snø, frossen innsjø eller havis, aufeis (rullet elveis) og trolig den vanligste varianten er nedgravd is.

Fryser grunnvann

Intradiestimal is dannes som følge av at grunnvannet fryser. Her råder segregeringsis, som oppstår som følge av krystalliseringsdifferensiering som oppstår under frysing av våt nedbør. Prosessen er ledsaget av vannvandring til frysefronten.

Intradiestimal (konstitusjonell) is har blitt mye observert og studert i hele Canada, og inkluderer også påtrengende is og injeksjonsis. I tillegg produserer isskiler, en egen type grunnis, gjenkjennelige mønstrede polygoner eller tundrapolygoner. Iskiler dannes i en allerede eksisterende geologisksubstrat. De ble først beskrevet i 1919.

Karbonsyklus

Permafrostens karbonsyklus er opptatt av overføring av karbon fra permafrostjord til terrestrisk vegetasjon og mikrober, til atmosfæren, tilbake til vegetasjon, og til slutt tilbake til permafrostjorden gjennom nedgraving og nedbør gjennom kryogene prosesser. Noe av dette karbonet overføres til havet og andre deler av kloden gjennom den globale karbonsyklusen. Syklusen inkluderer utveksling av karbondioksid og metan mellom terrestriske komponenter og atmosfæren, og transport av karbon mellom land og vann i form av metan, oppløst organisk karbon, oppløst uorganisk karbon, uorganiske karbonpartikler og organiske karbonpartikler.

Historie

Permafrosten i Arktis har krympet gjennom århundrene. Konsekvensen av dette er tining av jorda, som kan være svakere, og frigjøring av metan, som bidrar til en økning i hastigheten på global oppvarming i en tilbakemeldingssløyfe. Utbredelsesområdene til permafrostjord har stadig endret seg i historien.

Ved siste bremaksimum dekket kontinuerlig permafrost et mye større område enn i dag. I Nord-Amerika fantes det bare et veldig sm alt belte med permafrost sør for breddegradsinnlandsisen i New Jersey i sørlige Iowa og nordlige Missouri. Den var omfattende i de tørrere vestlige regionene, hvor den strakte seg til den sørlige grensen til Idaho og Oregon. På den sørlige halvkule er det noen bevis på en tidligere evighetpermafrost fra denne perioden i sentrale Otago og i argentinske Patagonia, men den var sannsynligvis diskontinuerlig og assosiert med tundraen. Alpin permafrost oppstod også i Drakensberg under eksistensen av isbreer over 3000 meter (9840 fot). Likevel etableres fundamenter og fundamenter på permafrost også der.

jordstruktur

Jord kan være sammensatt av mange substratmaterialer, inkludert berggrunn, sediment, organisk materiale, vann eller is. Frossen grunn er alt under frysepunktet for vann, uansett om det er vann i underlaget eller ikke. Grunnis er ikke alltid tilstede, slik tilfellet kan være for ikke-porøst berggrunn, men den er vanlig og kan være tilstede i mengder utover den potensielle hydrauliske metningen av det tinte substratet.

Som et resultat øker nedbøren, som igjen svekker og muligens kollapser bygninger i områder som Norilsk i Nord-Russland, som ligger i permafrostsonen.

Slopekollaps

I løpet av det siste århundret har det vært mange rapporterte tilfeller av svikt i alpine skråninger i fjellkjeder rundt om i verden. En stor mengde strukturelle skader forventes å være assosiert med smeltende permafrost, som antas å være forårsaket av klimaendringer. Smeltende permafrost antas å ha bidratt til Val Pola-skredet i 1987 som tok livet av 22 mennesker i de italienske alpene. Stor i fjellkjederen del av den strukturelle stabiliteten kan skyldes isbreer og permafrost. Når klimaet varmes opp, tiner permafrosten, noe som fører til mindre stabil fjellstruktur og til slutt mer skråningssvikt. Økning av temperaturen tillater dypere dybder av det aktive laget, noe som medfører enda mer vanninntrengning. Isen i jorda smelter, noe som forårsaker tap av jordstyrke, akselerert bevegelse og potensielle ruskstrømmer. Derfor er bygging på permafrost svært uønsket.

Det er også informasjon om massive fall av steiner og is (opptil 11,8 millioner m³), jordskjelv (opptil 3,9 millioner miles), flom (opptil 7, 8 millioner m³ vann) og den raske strømmen av steinete is. Dette er forårsaket av "skråningsustabilitet" under permafrostforhold i høylandet. Skråningsustabilitet i permafrost ved høye temperaturer nær frysepunktet i varmende permafrost er assosiert med effektivt stress og økt porevanntrykk i disse jordsmonnene.

Utvikling av permafrostjord

Jason Kea og medforfattere har oppfunnet et nytt filterløst stivt piezometer (FRP) for å måle porevanntrykket i delvis frossen jord som varmende permafrost. De utvidet bruken av konseptet med effektiv stress til delvis frossen jord for bruk i skråningsstabilitetsanalyse av varmende permafrostbakker. Anvendelsen av begrepet effektiv stress har mange fordeler, for eksempel evnen til å bygge baser og fundamenter påpermafrostjord.

Organic

I den nordlige sirkumpolare regionen inneholder permafrost 1700 milliarder tonn organisk materiale, nesten halvparten av alt organisk materiale. Dette bassenget har blitt skapt over årtusener og blir sakte ødelagt under de kalde forholdene i Arktis. Mengden karbon som bindes i permafrost er fire ganger mengden karbon som slippes ut i atmosfæren ved menneskelig aktivitet i moderne tid.

Konsekvenser

Dannelsen av permafrost har betydelige implikasjoner for økologiske systemer, først og fremst på grunn av restriksjoner på rotsoner, samt begrensninger på geometrien til hi og huler for fauna som krever underjordiske boliger. Sekundære påvirkninger påvirker arter som er avhengige av planter og dyr hvis habitat er begrenset av permafrost. Et av de vanligste eksemplene er utbredelsen av svartgran i store områder med permafrost, da denne arten tåler etablering som er begrenset nær overflaten.

Beregninger av permafrostjord blir noen ganger gjort for analyse av organisk materiale. Ett gram jord fra et aktivt lag kan inneholde over én milliard bakterieceller. Når de plasseres langs hverandre, danner bakterier fra ett kilo jord av det aktive laget en kjede på 1000 km. Antall bakterier i permafrostjord varierer mye, typisk mellom 1 og 1000 millioner per gram jord. De fleste av dissebakterier og sopp i permafrostjord kan ikke dyrkes i laboratoriet, men identiteten til mikroorganismer kan avsløres ved hjelp av DNA-baserte metoder.

Den arktiske regionen og global oppvarming

Den arktiske regionen er en av de naturlige kildene til metan klimagasser. Global oppvarming akselererer utgivelsen. En stor mengde metan er lagret i Arktis i naturgassforekomster, permafrost og i form av undervannsklatrater. Andre kilder til metan inkluderer undersjøiske taliker, elvetransport, iskompleks-retrett, undersjøisk permafrost og råtnende gasshydratavsetninger. Foreløpig dataanalyse indikerer at permafrost kan produsere karbon tilsvarende rundt 15 prosent av dagens utslipp fra menneskelige aktiviteter. Oppvarming og tining av jordmassiver gjør bygging på permafrost enda farligere.