Örök fagyos talajok: elterjedési területek, hőmérséklet, fejlődési jellemzők

2024 Szerző: Henry Conors | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-12 08:21

Ebből a cikkből megismerheti az örök fagyos talajok jellemzőit, amelyek gyakoriak a permafrost zónákban. A geológiában a permafrost olyan szárazföld, beleértve a köves (kriotikus) talajt is, amely 0 °C-os vagy az alatti fagyhőmérsékleten két vagy több évig van jelen. A permafrost nagy része magas szélességi fokokon található (az Északi-sarkvidéken és az Antarktiszi régiókban és azok környékén), de például az Alpokban magasabb tengerszint feletti magasságban található.

Talajjég nincs mindig jelen, mint a nem porózus alapkőzet esetében, de gyakran előfordul, hogy meghaladja a talajanyag lehetséges hidraulikus telítettségét. A permafroszt a Föld teljes vízmennyiségének 0,022%-át teszi ki, és az északi féltekén a nyílt területek 24%-án található. Víz alatt is előfordul a Jeges-tengert körülvevő kontinensek kontinentális talapzatain. A tudósok egyik csoportja szerint a globális hőmérséklet 1,5 °C-kal (2,7 °F) emelkedik a jelenleginélszint elegendő lesz ahhoz, hogy elkezdjük felolvasztani az örök fagyot Szibériában.

Tanulmány

A második világháború előtti észak-amerikai fagyos talajokról szóló jelentésekkel ellentétben a permafroszt mérnöki vonatkozásairól szóló irodalom orosz nyelven is elérhető volt. 1942-től Simon William Muller belemélyedt a Kongresszusi Könyvtár és a Library of the United States Geological Survey által gyűjtött releváns irodalomba, hogy 1943-ig mérnöki kézikönyvet és műszaki jelentést adjon a kormánynak az örök fagyról.

Definíció

A permafrost olyan talaj, kőzet vagy üledék, amely több mint két egymást követő éve fagyott. A jéggel nem borított területeken egy talaj-, kőzet- vagy üledékréteg alatt találhatók, amely minden évben megfagy és felolvad, és "aktív rétegnek" nevezik. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a permafroszt -2 °C (28,4 °F) vagy ennél alacsonyabb éves átlagos hőmérsékleten fordul elő. Az aktív réteg vastagsága az évszaktól függően változik, de 0,3 és 4 méter között mozog (sekély az Északi-sark partja mentén; mélyen Dél-Szibériában és a Csinghaj-Tibeti-fennsíkon).

Földrajz

Mi a helyzet a permafrost terjedésével? Az örökfagy kiterjedése éghajlatonként változó: ma az északi féltekén a jégmentes szárazföldi terület 24%-át – ami 19 millió négyzetkilométernek felel meg – többé-kevésbé érinti az örökfagy.

Ennek a területnek valamivel több mint felét folyamatos örökfagy borítja,körülbelül 20 százaléka nem folyamatos örökfagy, és alig 30 százaléka szórványos örökfagy. A terület nagy része Szibériában, Kanada északi részén, Alaszkában és Grönlandon található. Az aktív réteg alatt az éves permafrost hőmérséklet-ingadozások a mélységgel csökkennek. A permafrost legmélyebb mélysége ott található, ahol a geotermikus hő a fagypont feletti hőmérsékletet tartja. E határ felett permafrost is előfordulhat, amelynek hőmérséklete nem változik évente. Ez az „izoterm örökfagy”. Az örök fagyos talajok nem alkalmasak az aktív emberi életre.

Klíma

Permafrost általában minden olyan éghajlaton képződik, ahol az éves átlagos levegőhőmérséklet a víz fagypontja alatt van. Kivételek a nedves téli éghajlaton találhatók, például Észak-Skandináviában és Oroszország északkeleti részén, az Uráltól nyugatra, ahol a hó szigetelő burkolatként működik. A gleccser területek kivételek lehetnek. Mivel az összes gleccseret geotermikus hő melegíti fel, a mérsékelt égövi gleccserek, amelyek a nyomás alatti olvadáspont közelében vannak, folyékony vizet tartalmazhatnak a szárazfölddel. Ezért mentesek a permafroszttól. A geotermikus gradiens „fosszilis” hideg anomáliái azokon a területeken, ahol a pleisztocén során mély permafroszt alakult ki, akár több száz méterig is fennáll. Ez nyilvánvaló az észak-amerikai és európai kutak hőmérsékleti méréseiből.

Hőmérséklet a föld alatt

Általában a föld alatti hőmérséklet évszakonként kisebb, mintlevegő hőmérséklet. Ugyanakkor a földkéreg geotermikus gradiense következtében az éves átlaghőmérséklet hajlamos a mélységgel emelkedni. Így, ha az éves átlagos levegőhőmérséklet csak valamivel 0 °C (32 °F) alatt van, akkor örök fagy csak olyan védett helyeken képződik, amelyek - általában az északi oldalon - nem folyamatos permafrosztot hoznak létre. Az örökfagy általában nem folytonos marad olyan éghajlaton, ahol az átlagos éves talajfelszíni hőmérséklet -5 és 0 °C között van. A fent említett, nedves télű területeken előfordulhat, hogy még -2 °C-ig (28 °F) sem lesz időszakosan fagy.

A permafrost típusai

Az örökfagyot gyakran tovább osztják kiterjedt, nem folyamatos örökfagyra, ahol az örökfagy a táj 50-90 százalékát borítja, és jellemzően azokon a területeken található, ahol az éves átlagos hőmérséklet -2 és -4 °C (28 és 25 °F) között van., és szórványos örökfagy, ahol a permafroszt a táj kevesebb mint 50 százalékát borítja, és jellemzően 0 és -2 °C (32 és 28 °F) közötti éves átlaghőmérsékleten fordul elő. A talajtudományban a szórványos permafrost zóna az SPZ, míg a kiterjedt nem folytonos permafrost zóna a távérzékelési zóna. Ez alól kivételek vannak a mázatlan Szibériában és Alaszkában, ahol a permafrost jelenlegi mélysége a jégkorszak éghajlati viszonyainak maradványa, ahol a tél 11 °C-kal (20 °F) hidegebb volt, mint ma.

Permafrost hőmérséklet

Amikor az átlagos éves talajfelszíni hőmérséklet -5 °C (23 °F) alatt van, a szempont hatásasoha nem lehet elég a permafrost felolvasztásához és egy folyamatos örökfagyzóna (röviden CPZ) kialakításához. Az északi féltekén a folytonos örökfagy vonala jelenti azt a legdélibb határt, ahol a szárazföldet összefüggő örökfagy vagy gleccserjég borítja.

Nyilvánvaló okokból a permafroszton történő tervezés rendkívül nehéz feladat. A folyamatos permafrost vonal a regionális éghajlatváltozás miatt északra vagy délre változik szerte a világon. A déli féltekén az egyenértékű vonal nagy része a Déli óceánban lenne, ha lenne szárazföld. Az antarktiszi kontinens nagy részét gleccserek borítják, amelyek alatt a terep nagy része a talajban olvad. Az Antarktisz kitett földje nagyrészt örökfagy.

Alpok

A permafrost zóna teljes területére vonatkozó becslések az Alpokban nagyon eltérőek. Bockheim és Munro egyesítette a három forrást, és táblázatos becsléseket készített régiónként (összesen 3 560 000 km2).

Az Andokban található alpesi örökfagy nem szerepelt a térképen. Ebben az esetben a mértéket úgy modellezzük, hogy megbecsüljük ezeken a területeken a víz mennyiségét. 2009-ben egy alaszkai kutató permafrosztot fedezett fel 4700 m (15 400 láb) magasságban Afrika legmagasabb csúcsán, a Kilimandzsárón, az Egyenlítőtől körülbelül 3°-ra északra. Ezeken a szélességi körökön nem ritka az örökfagy talajon történő alapozás.

Befagyott tenger és befagyott tengerfenék

Tengeri örökfagy a tengerfenék alatt, és a sarki kontinentális talapzatokon találhatórégiók. Ezek a területek az utolsó jégkorszakban alakultak ki, amikor a Föld vizének nagy része szárazföldi jégtakarókba záródott, a tengerszint pedig alacsony volt. Ahogy a jégtáblák megolvadtak és ismét tengervízzé váltak, a permafrost víz alatti polcokká vált viszonylag meleg és sós határkörülmények között a felszínen lévő örökfagyhoz képest. Ezért a víz alatti örökfagy olyan körülmények között létezik, amelyek a csökkenéséhez vezetnek. Osterkamp szerint a tenger alatti örökfagy tényező „parti létesítmények, tengerfenéki építmények, mesterséges szigetek, tenger alatti csővezetékek és kutatási és termelési céllal fúrt kutak tervezésében, építésében és üzemeltetésében.

A permafrost a bázis mélyéig terjed, ahol a Föld geotermikus hője és az átlagos éves felszíni hőmérséklet eléri a 0 °C-os egyensúlyi hőmérsékletet. Az örökfagy bázis mélysége eléri az 1493 métert (4898 láb) a szibériai Lena és Yana folyók északi medencéjében. A geotermikus gradiens a hőmérséklet növekedésének sebessége a Föld belsejében a mélység növekedéséhez viszonyítva. A tektonikus lemez határaitól távol, a felszín közelében a világ legtöbb országában körülbelül 25-30 °C/km. A geológiai anyag hővezető képességétől függően változik, és a talajban kevésbé alkalmas a permafrosztra, mint az alapkőzetre.

Jég a talajban

Ha a permafrost jégtartalma meghaladja a 250 százalékot (a jégtömegtől a száraz talajig), akkor amasszív jég. A hatalmas jégtestek összetétele a jeges iszaptól a tiszta jégig terjedhet. A masszív jégrétegek minimális vastagsága legalább 2 méter, rövid átmérője legalább 10 méter. Az első feljegyzett észleléseket Észak-Amerikában európai tudósok tették az alaszkai Canning folyón 1919-ben. Az orosz irodalom korábbi dátumot közöl 1735-ben, illetve 1739-ben P. Lassinius és Kh. P. Laptev nagy északi expedíciója során. A masszív talajjég két kategóriája az eltemetett felszíni jég és az úgynevezett „házon belüli jég”. A permafroszt alapjainak megteremtése megköveteli, hogy ne legyenek nagy gleccserek a közelben.

Az eltemetett felszíni jég származhat hóból, befagyott tó- vagy tengeri jégből, aufeis (gördült folyójég), és valószínűleg a leggyakoribb változat az eltemetett gleccserjég.

A talajvíz befagyása

Intradiestimális jég képződik a talajvíz fagyása következtében. Itt szegregációs jég uralkodik, amely a nedves csapadék fagyása során fellépő kristályosodási differenciálódás eredményeként jön létre. A folyamatot víz vándorlása kíséri a fagyfront felé.

Az intradiesztimális (alkotmányos) jeget széles körben megfigyelték és tanulmányozták Kanada-szerte, ideértve az intruzív és injekciós jeget is. Ezenkívül a jégékek, a talajjég egy külön típusa, felismerhető mintás sokszögeket vagy tundra sokszögeket hoznak létre. Jégékek kialakulnak egy már létező geológiábanszubsztrát. Először 1919-ben írták le őket.

Szénciklus

A permafrost szénciklus a permafroszt talajokból a szénnek a szárazföldi növényzetbe és mikrobákba, a légkörbe, majd a növényzetbe való visszajuttatásával foglalkozik, végül pedig vissza a permafrost talajba a temetés és a kriogén folyamatokon keresztül történő csapadék útján. Ennek a szénnek egy része a globális széncikluson keresztül az óceánba és a Föld más részeibe kerül. A körfolyamat magában foglalja a szén-dioxid és metán cseréjét a földi komponensek és a légkör között, valamint a szén szállítását a szárazföld és a víz között metán, oldott szerves szén, oldott szervetlen szén, szervetlen szénrészecskék és szerves szénrészecskék formájában.

Előzmények

Az Északi-sark permafrosztja az évszázadok során zsugorodott. Ennek következménye a talaj felolvadása, amely gyengébb lehet, és a metán felszabadulása, amely visszacsatolási körben hozzájárul a globális felmelegedés ütemének növekedéséhez. A permafroszt talajok elterjedési területei folyamatosan változtak a történelem során.

A legutóbbi glaciális maximumon a folyamatos örökfagy sokkal nagyobb területet borított be, mint ma. Észak-Amerikában csak egy nagyon keskeny örökfagyöv létezett a New Jersey-i szélességi jégtakarótól délre, Iowa déli részén és Missouri északi részén. Kiterjedt volt a szárazabb nyugati régiókban, ahol Idaho és Oregon déli határáig terjedt. A déli féltekén van némi bizonyíték az egykori örökkévalóságraEnnek az időszaknak a permafrosztja Otago középső részén és Argentína Patagóniában, de valószínűleg nem folytonos volt, és a tundrához kapcsolódott. Alpesi örökfagy a Drakensbergben is előfordult a 3000 méter feletti gleccserek idején. Ennek ellenére még ott is létesülnek alapok és alapok az örök fagyon.

Talajszerkezet

A talaj számos szubsztrátumanyagból állhat, beleértve az alapkőzetet, üledéket, szerves anyagokat, vizet vagy jeget. A fagyott talaj minden, ami a víz fagyáspontja alatt van, függetlenül attól, hogy van-e víz az aljzatban vagy sem. A talajjég nem mindig van jelen, mint a nem porózus alapkőzet esetében, de gyakori, és előfordulhat, hogy a felolvasztott aljzat lehetséges hidraulikus telítettségét meghaladó mennyiségben van jelen.

Ennek eredményeként a csapadék növekszik, ami viszont gyengíti, és valószínűleg összeomlik az épületeket olyan területeken, mint az észak-oroszországi Norilszk, amely az örökfagy zónában fekszik.

Lejtők összeomlása

Az elmúlt évszázad során számos olyan esetet jelentettek, amikor az alpesi lejtők meghibásodtak a hegyláncokban szerte a világon. A permafroszt olvadásával várhatóan nagymértékű szerkezeti károsodás járhat, amelyet a feltételezések szerint az éghajlatváltozás okoz. Az olvadó permafroszt feltételezések szerint hozzájárult az 1987-es Val Pola földcsuszamláshoz, amely 22 ember halálát okozta az olasz Alpokban. Nagy a hegyvonulatokbana szerkezeti stabilitás egy része a gleccsereknek és a permafrostnak köszönhető. Ahogy az éghajlat felmelegszik, a permafrost felolvad, ami kevésbé stabil hegyszerkezethez és végül több lejtőkhöz vezet. A hőmérséklet növelésével az aktív réteg mélyebbre kerülhet, ami még nagyobb vízbehatolást von maga után. A talajban lévő jég megolvad, ami a talaj szilárdságának csökkenését, felgyorsult mozgást és potenciális törmelékáramlást okoz. Ezért az örök fagyon való építkezés nagyon nem kívánatos.

Tömeges szikla- és jégzuhanásról (akár 11,8 millió m³), földrengésekről (3,9 millió mérföldig), áradásokról (legfeljebb 7, 8 millió m³ víz) és a sziklás jég gyors áramlása. Ezt a "lejtőinstabilitás" okozza a permafrost körülmények között a hegyvidéken. A permafrost lejtőinek instabilitása magas hőmérsékleten, fagypont közelében felmelegedő permafrost esetén hatékony stresszel és megnövekedett pórusvíznyomással jár ezekben a talajokban.

Permafrost talajok fejlesztése

Jason Kea és társszerzői feltaláltak egy új szűrő nélküli merev piezométert (FRP) a pórusvíz nyomásának mérésére részben fagyott talajokban, például a felmelegedő permafrosztban. Kiterjesztették az effektív feszültség fogalmának használatát a részben fagyott talajokra, a felmelegedő permafroszt lejtők lejtőstabilitási elemzéséhez. Az effektív stressz fogalmának alkalmazása számos előnnyel jár, ilyen például az alapok és alapok építésének képességepermafrost talajok.

Organic

Az északi cirkumpoláris régióban a permafrost 1700 milliárd tonna szerves anyagot tartalmaz, az összes szerves anyag közel felét. Ezt a medencét évezredek óta hozták létre, és az Északi-sarkvidék hideg körülményei között lassan elpusztul. A permafrostban megkötött szén mennyisége négyszerese a modern időkben az emberi tevékenység által a légkörbe kerülő szén mennyiségének.

Következmények

A permafrost kialakulása jelentős hatással van az ökológiai rendszerekre, elsősorban a gyökérzónákra vonatkozó korlátozások, valamint az odúk és odúk geometriájára vonatkozó korlátozások miatt a föld alatti otthonokat igénylő fauna számára. A másodlagos hatások olyan növényektől és állatoktól függő fajokat érintenek, amelyek élőhelyét az örök fagy korlátozza. Az egyik leggyakoribb példa a fekete lucfenyő elterjedése a permafrost hatalmas területein, mivel ez a faj elviseli a felszín közelében korlátozott megtelepedést.

A permafrost talajra vonatkozó számításokat időnként a szerves anyagok elemzéséhez készítik. Egy aktív rétegből egy gramm talaj több mint egymilliárd baktériumsejtet tartalmazhat. Egymás mellett elhelyezve az aktív réteg egy kilogramm talajából származó baktériumok 1000 km hosszú láncot alkotnak. A permafrost talajban a baktériumok száma széles skálán mozog, jellemzően 1 és 1000 millió között mozog grammonként. A legtöbb ezek közülA permafrost talajban lévő baktériumok és gombák nem tenyészthetők laboratóriumban, de DNS-alapú módszerekkel kimutatható a mikroorganizmusok azonossága.

Az Északi-sarkvidék és a globális felmelegedés

Az Északi-sarkvidék a metán üvegházhatású gázok egyik természetes forrása. A globális felmelegedés felgyorsítja a felszabadulását. Az Északi-sarkvidéken nagy mennyiségű metán raktározódik földgázlelőhelyekben, permafrostban és víz alatti klatrátok formájában. A metán további forrásai közé tartoznak a tengeralattjáró talikok, a folyami szállítás, a jégkomplexum visszavonulása, a tenger alatti örökfagy és a pusztuló gázhidrát-lerakódások. Az előzetes számítógépes elemzések azt mutatják, hogy a permafrost az emberi tevékenységből származó mai kibocsátás körülbelül 15 százalékának megfelelő szenet termelhet. A talajtömegek felmelegedése és olvadása még veszélyesebbé teszi a permafrosztra építést.