Z tohto článku sa dozviete o vlastnostiach permafrostových pôd, ktoré sú bežné v zónach permafrostu. V geológii je permafrost pôda vrátane kamenistej (kryotickej) pôdy, ktorá je prítomná pri teplote mrazu 0 °C alebo nižšej počas dvoch alebo viacerých rokov. Väčšina permafrostu sa nachádza vo vysokých zemepisných šírkach (v arktických a antarktických oblastiach a okolo nich), ale napríklad v Alpách sa nachádza vo vyšších nadmorských výškach.
Pozemný ľad nie je vždy prítomný, ako to môže byť v prípade nepórovitého podložia, ale často sa nachádza v množstvách presahujúcich potenciálne hydraulické nasýtenie zemného materiálu. Permafrost tvorí 0,022 % celkovej vody na Zemi a existuje na 24 % otvorenej pôdy na severnej pologuli. Pod vodou sa vyskytuje aj na kontinentálnych šelfoch kontinentov obklopujúcich Severný ľadový oceán. Podľa jednej skupiny vedcov sa globálna teplota zvýši o 1,5 °C (2,7 °F) nad súčasnúúrovne budú stačiť na spustenie rozmrazovania permafrostu na Sibíri.
Štúdia
Na rozdiel od relatívneho nedostatku správ o zamrznutých pôdach v Severnej Amerike pred druhou svetovou vojnou bola literatúra o technických aspektoch permafrostu dostupná v ruštine. Od roku 1942 sa Simon William Muller ponoril do relevantnej literatúry, ktorú uchováva Kongresová knižnica a Knižnica geologického prieskumu Spojených štátov, aby vláde poskytol inžiniersky manuál a technickú správu o permafroste do roku 1943.
Definícia
Permafrost je pôda, hornina alebo sediment, ktoré boli zamrznuté viac ako dva po sebe nasledujúce roky. V oblastiach nepokrytých ľadom existujú pod vrstvou pôdy, horniny alebo sedimentu, ktorý každý rok zamŕza a roztápa sa a nazýva sa „aktívna vrstva“. V praxi to znamená, že permafrost sa vyskytuje pri priemernej ročnej teplote -2 °C (28,4 °F) alebo nižšej. Hrúbka aktívnej vrstvy sa mení v závislosti od ročného obdobia, ale pohybuje sa od 0,3 do 4 metrov (plytká pozdĺž arktického pobrežia; hlboko v južnej Sibíri a na Qinghai-tibetskej plošine).
Geografia
A čo šírenie permafrostu? Rozsah permafrostu sa líši v závislosti od podnebia: dnes na severnej pologuli je permafrostom viac-menej ovplyvnených 24 % plochy bez ľadu – čo zodpovedá 19 miliónom štvorcových kilometrov.
O niečo viac ako polovicu tejto oblasti pokrýva súvislý permafrost,asi 20 percent je diskontinuálny permafrost a necelých 30 percent je sporadický permafrost. Väčšina tohto územia sa nachádza na Sibíri, v severnej Kanade, na Aljaške a v Grónsku. Pod aktívnou vrstvou sa ročné teplotné výkyvy permafrostu zmenšujú s hĺbkou. Najhlbšia hĺbka permafrostu sa vyskytuje tam, kde geotermálne teplo udržuje teploty nad bodom mrazu. Nad touto hranicou sa môže nachádzať permafrost, ktorého teplota sa každoročne nemení. Ide o „izotermický permafrost“. Oblasti permafrostových pôd nie sú vhodné na aktívny ľudský život.
Klíma
Permafrost sa zvyčajne tvorí v akomkoľvek podnebí, kde je priemerná ročná teplota vzduchu pod bodom mrazu vody. Výnimky možno nájsť vo vlhkých zimných klimatických podmienkach, napríklad v severnej Škandinávii a severovýchodnom Rusku západne od Uralu, kde sneh pôsobí ako izolačná pokrývka. Výnimkou môžu byť ľadovcové oblasti. Pretože všetky ľadovce sa na svojich základniach zahrievajú geotermálnym teplom, ľadovce mierneho pásma, ktoré sú blízko bodu topenia pod tlakom, môžu mať na hranici s pevninou tekutú vodu. Preto sú bez permafrostu. „Fosílne“chladné anomálie v geotermálnom gradiente v oblastiach, kde sa počas pleistocénu vyvinul hlboký permafrost, pretrvávajú až do niekoľkých stoviek metrov. Je to zrejmé z meraní teploty studní v Severnej Amerike a Európe.
Teplota pod zemou
Zvyčajne sa teplota pod zemou v jednotlivých sezónach líši menej akoteplota vzduchu. Priemerné ročné teploty majú zároveň tendenciu stúpať s hĺbkou v dôsledku geotermálneho gradientu zemskej kôry. Ak je teda priemerná ročná teplota vzduchu len mierne pod 0 °C (32 °F), permafrost sa vytvorí len na chránených miestach – zvyčajne na severnej strane – a vytvorí nesúvislý permafrost. Typicky bude permafrost diskontinuálny v podnebí, kde je priemerná ročná teplota povrchu pôdy -5 až 0 °C (23 až 32 °F). Vyššie uvedené oblasti s vlhkými zimami nemusia mať ani prerušovaný permafrost až do -2 °C (28 °F).
Typy permafrostu
Permafrost sa často ďalej delí na rozsiahly nesúvislý permafrost, kde permafrost pokrýva 50 až 90 percent krajiny a zvyčajne sa nachádza v oblastiach s priemernými ročnými teplotami -2 až -4 °C (28 až 25 °F) a sporadický permafrost, kde permafrost pokrýva menej ako 50 percent krajiny a zvyčajne sa vyskytuje pri priemerných ročných teplotách medzi 0 a -2 °C (32 a 28 °F). V pedológii je sporadická zóna permafrostu SPZ, zatiaľ čo rozsiahla diskontinuálna zóna permafrostu je zóna diaľkového prieskumu. Výnimky sa vyskytujú na nezasklenej Sibíri a Aljaške, kde je súčasná hĺbka permafrostu pozostatkom klimatických podmienok počas doby ľadovej, kde boli zimy o 11 °C (20 °F) chladnejšie ako dnes.
Teplota permafrostu
Keď sú priemerné ročné povrchové teploty pôdy nižšie ako -5 °C (23 °F), vplyv aspektunikdy nemôže stačiť na rozmrazenie permafrostu a vytvorenie súvislej permafrostovej zóny (skrátene CPZ). Čiara súvislého permafrostu na severnej pologuli predstavuje najjužnejšiu hranicu, kde je zem pokrytá súvislým permafrostom alebo ľadovcovým ľadom.
Z pochopiteľných dôvodov je projektovanie na permafroste mimoriadne náročná úloha. Súvislá línia permafrostu sa mení na sever alebo juh po celom svete v dôsledku regionálnych klimatických zmien. Na južnej pologuli by väčšina ekvivalentnej línie bola v južnom oceáne, ak by tam bola pevnina. Väčšinu antarktického kontinentu pokrývajú ľadovce, pod ktorými sa väčšina terénu topí v zemi. Odhalená Antarktída je z veľkej časti permafrost.
Alpy
Odhady celkovej plochy zóny permafrostu v Alpách sa značne líšia. Bockheim a Munro skombinovali tri zdroje a urobili tabuľkové odhady podľa regiónov (celkovo 3 560 000 km2).
Alpský permafrost v Andách nebol na mape. Rozsah je v tomto prípade modelovaný na odhad množstva vody v týchto oblastiach. V roku 2009 aljašský výskumník objavil permafrost vo výške 4 700 m (15 400 stôp) na najvyššom vrchu Afriky, Mount Kilimanjaro, asi 3 ° severne od rovníka. Základy na permafrostových pôdach v týchto zemepisných šírkach nie sú nezvyčajné.
Zamrznuté moria a zamrznuté dno
Morský permafrost sa vyskytuje pod morským dnom a existuje na polárnych kontinentálnych šelfochregiónoch. Tieto oblasti vznikli počas poslednej doby ľadovej, keď bola väčšina zemskej vody uzavretá v ľadových príkrovoch na súši a hladina morí bola nízka. Keď sa ľadové štíty roztopili a opäť sa z nich stala morská voda, permafrost sa stal ponorenými policami za relatívne teplých a slaných hraničných podmienok v porovnaní s permafrostom na povrchu. Podvodný permafrost preto existuje za podmienok, ktoré vedú k jeho zníženiu. Podľa Osterkampa je podmorský permafrost faktorom pri „návrhu, výstavbe a prevádzke pobrežných zariadení, štruktúr morského dna, umelých ostrovov, podmorských potrubí a vrtov navŕtaných na prieskum a ťažbu.
Permafrost siaha až do hĺbky základne, kde geotermálne teplo zo Zeme a priemerná ročná povrchová teplota dosahujú rovnovážnu teplotu 0 °C. Hĺbka základne permafrostu dosahuje 1 493 metrov (4 898 stôp) v severných povodiach riek Lena a Yana na Sibíri. Geotermálny gradient je rýchlosť nárastu teploty v pomere k nárastu hĺbky vo vnútri Zeme. Ďaleko od hraníc tektonickej platne je vo väčšine krajín sveta pri povrchu asi 25-30 °C/km. Mení sa s tepelnou vodivosťou geologického materiálu a je menšia pre permafrost v pôde ako v skalnom podloží.
Ľad v pôde
Keď obsah ľadu v permafrostu presiahne 250 percent (od ľadovej hmoty po suchú pôdu), je klasifikovaný akomasívny ľad. Masívne ľadové telesá môžu mať rôzne zloženie od ľadového bahna až po čistý ľad. Mohutné ľadové vrstvy majú minimálnu hrúbku minimálne 2 metre, krátky priemer minimálne 10 metrov. Prvé zaznamenané pozorovania v Severnej Amerike urobili európski vedci na rieke Canning na Aljaške v roku 1919. Ruská literatúra uvádza skorší dátum 1735 a 1739 počas Veľkej severnej expedície P. Lassiniusa a Kh. P. Lapteva, v tomto poradí. Dve kategórie masívneho prízemného ľadu sú zakopaný povrchový ľad a takzvaný „ľad vo vnútri haly“. Vytvorenie akýchkoľvek základov na permafroste vyžaduje, aby v blízkosti neboli žiadne veľké ľadovce.
Pochovaný povrchový ľad môže pochádzať zo snehu, zamrznutého jazera alebo morského ľadu, aufeis (navinutý riečny ľad) a pravdepodobne najbežnejším variantom je pochovaný ľadovcový ľad.
Zamŕzanie podzemnej vody
Intradiestimálny ľad sa tvorí v dôsledku zamŕzania podzemnej vody. Tu prevláda segregačný ľad, ktorý vzniká v dôsledku kryštalizačnej diferenciácie, ku ktorej dochádza pri zamŕzaní vlhkých zrážok. Proces je sprevádzaný migráciou vody na mrazivý front.
Intradiestimálny (ústavný) ľad bol široko pozorovaný a študovaný v celej Kanade a zahŕňa aj intruzívny a injekčný ľad. Okrem toho ľadové kliny, samostatný typ zemného ľadu, vytvárajú rozpoznateľné vzorované polygóny alebo polygóny tundry. V už existujúcej geológii sa tvoria ľadové klinysubstrát. Prvýkrát boli opísané v roku 1919.
Uhlíkový cyklus
Cyklus uhlíka permafrostu sa týka prenosu uhlíka z pôdy večne zamrznutej pôdy do suchozemskej vegetácie a mikróbov, do atmosféry, späť do vegetácie a nakoniec späť do pôdy večne zamrznutej pôdy prostredníctvom zakopania a zrážok prostredníctvom kryogénnych procesov. Časť tohto uhlíka sa prenáša do oceánu a iných častí zemegule prostredníctvom globálneho uhlíkového cyklu. Cyklus zahŕňa výmenu oxidu uhličitého a metánu medzi pozemskými zložkami a atmosférou a transport uhlíka medzi pevninou a vodou vo forme metánu, rozpusteného organického uhlíka, rozpusteného anorganického uhlíka, častíc anorganického uhlíka a častíc organického uhlíka.
História
Permafrost Arktídy sa v priebehu storočí zmenšoval. Dôsledkom toho je rozmrazovanie pôdy, ktoré môže byť slabšie, a uvoľňovanie metánu, ktorý v spätnej väzbe prispieva k zvýšeniu rýchlosti globálneho otepľovania. Distribučné oblasti permafrostových pôd sa v histórii neustále menili.
Pri poslednom ľadovcovom maxime pokrýval súvislý permafrost oveľa väčšiu oblasť ako dnes. V Severnej Amerike existoval iba veľmi úzky pás permafrostu južne od ľadového príkrovu New Jersey v južnej Iowe a severnom Missouri. Bol rozsiahly v suchších západných oblastiach, kde siahal až po južnú hranicu Idaha a Oregonu. Na južnej pologuli existujú určité dôkazy o bývalom večnompermafrost tohto obdobia v centrálnom Otagu a v argentínskej Patagónii, ale bol pravdepodobne nespojitý a spojený s tundrou. Alpský permafrost sa vyskytoval aj v Drakensbergu počas existencie ľadovcov nad 3000 metrov (9840 stôp). Napriek tomu aj tam vznikajú základy a základy permafrostu.
Štruktúra pôdy
Pôda sa môže skladať z mnohých substrátových materiálov vrátane podložia, sedimentu, organickej hmoty, vody alebo ľadu. Zamrznutá zem je čokoľvek pod bodom mrazu vody, bez ohľadu na to, či je voda v substráte prítomná alebo nie. Prízemný ľad nie je vždy prítomný, ako môže byť v prípade nepórovitého podložia, ale je bežný a môže byť prítomný v množstvách presahujúcich potenciálne hydraulické nasýtenie rozmrazeného substrátu.
V dôsledku toho pribúdajú zrážky, ktoré zase oslabujú a možno sa zrútia budovy v oblastiach ako Norilsk na severe Ruska, ktoré leží v zóne permafrostu.
Zrútenie svahu
V priebehu minulého storočia bolo hlásených veľa prípadov zlyhania alpských svahov v pohoriach po celom svete. Očakáva sa, že veľké množstvo štrukturálnych poškodení bude spojené s roztápaním permafrostu, o ktorom sa predpokladá, že je spôsobené zmenou klímy. Predpokladá sa, že topiaci sa permafrost prispel v roku 1987 k zosuvu pôdy vo Val Pola, ktorý v talianskych Alpách zabil 22 ľudí. Veľké v horských pásmachčasť štrukturálnej stability môže byť spôsobená ľadovcami a permafrostom. Ako sa klíma otepľuje, permafrost sa topí, čo vedie k menej stabilnej horskej štruktúre a nakoniec k väčšiemu rozpadu svahov. Zvýšenie teploty umožňuje hlbšiu hĺbku aktívnej vrstvy, čo znamená ešte väčšiu penetráciu vody. Ľad v pôde sa topí, čo spôsobuje stratu pevnosti pôdy, zrýchlený pohyb a potenciálne toky odpadu. Preto je výstavba na permafroste vysoko nežiaduca.
Sú tu tiež informácie o masívnych pádoch skál a ľadu (až 11,8 milióna m3), zemetraseniach (až 3,9 milióna míľ), povodniach (až 7, 8 miliónov m3 vody) a rýchly tok skalnatého ľadu. Je to spôsobené „nestabilitou svahu“v podmienkach permafrostu na vysočine. Nestabilita svahu v permafroste pri zvýšených teplotách blízkych bodu mrazu v otepľujúcom sa permafroste je spojená s efektívnym stresom a zvýšeným tlakom pórovej vody v týchto pôdach.
Vývoj permafrostových pôd
Jason Kea a spoluautori vynašli nový pevný piezometer bez filtrov (FRP) na meranie tlaku vody v póroch v čiastočne zamrznutých pôdach, ako je napríklad otepľujúci sa permafrost. Rozšírili využitie konceptu efektívneho stresu na čiastočne zamrznuté pôdy na použitie pri analýze stability svahov otepľujúcich sa svahov permafrostu. Aplikácia konceptu efektívneho stresu má mnoho výhod, napríklad schopnosť stavať základy a základypermafrostové pôdy.
Bio
V severnej cirkumpolárnej oblasti obsahuje permafrost 1 700 miliárd ton organického materiálu, takmer polovicu všetkej organickej hmoty. Táto panva bola vytvorená v priebehu tisícročí a pomaly sa ničí v chladných podmienkach Arktídy. Množstvo uhlíka sekvestrovaného v permafroste je štvornásobok množstva uhlíka uvoľneného do atmosféry ľudskou činnosťou v modernej dobe.
Dôsledky
Tvorba permafrostu má významné dôsledky pre ekologické systémy, predovšetkým kvôli obmedzeniam na koreňové zóny, ako aj obmedzeniam geometrie brlohov a nôr pre faunu vyžadujúcu podzemné obydlia. Sekundárne vplyvy ovplyvňujú druhy závislé od rastlín a živočíchov, ktorých biotop je obmedzený permafrostom. Jedným z najbežnejších príkladov je prevalencia čierneho smreka v rozsiahlych oblastiach permafrostu, pretože tento druh môže tolerovať usadzovanie, ktoré je obmedzené blízko povrchu.
Výpočty permafrostových pôd sa niekedy robia na analýzu organického materiálu. Jeden gram pôdy z aktívnej vrstvy môže obsahovať viac ako jednu miliardu bakteriálnych buniek. Pri umiestnení pozdĺž seba vytvoria baktérie z jedného kilogramu pôdy aktívnej vrstvy reťazec dlhý 1000 km. Počet baktérií v permafrostovej pôde sa značne líši, zvyčajne medzi 1 a 1 000 miliónmi na gram pôdy. Väčšina z nichbaktérie a huby v permafrostovej pôde nemožno kultivovať v laboratóriu, ale identitu mikroorganizmov možno odhaliť pomocou metód založených na DNA.
Arktická oblasť a globálne otepľovanie
Arktická oblasť je jedným z prírodných zdrojov skleníkových plynov metánu. Globálne otepľovanie zrýchľuje jeho uvoľňovanie. Veľké množstvo metánu je uložené v Arktíde v ložiskách zemného plynu, permafroste a vo forme podvodných klatrátov. Medzi ďalšie zdroje metánu patria podmorské taliky, riečna doprava, ústup ľadových komplexov, podmorský permafrost a rozkladajúce sa ložiská hydrátov plynu. Predbežná počítačová analýza naznačuje, že permafrost môže produkovať uhlík, ktorý sa rovná približne 15 percentám dnešných emisií z ľudskej činnosti. Otepľovanie a rozmrazovanie pôdnych masívov robí stavanie na permafroste ešte nebezpečnejším.
