Sòls eternament congelats: àrees de distribució, temperatura, característiques de desenvolupament

2024 Autora: Henry Conors | [email protected]. Última modificació: 2024-02-12 04:51

A partir d'aquest article aprendràs sobre les característiques dels sòls de permafrost que són habituals a les zones de permafrost. En geologia, el permafrost és la terra, inclòs el sòl pedregós (criòtic), que està present a una temperatura de congelació de 0 °C o menys durant dos o més anys. La major part del permafrost es troba a latituds altes (dins i al voltant de les regions àrtiques i antàrtiques), però, per exemple, als Alps es troba a altituds més altes.

El gel de terra no sempre està present, com pot ser el cas de la roca base no porosa, però sovint es troba en quantitats superiors a la saturació hidràulica potencial del material terrestre. El permafrost representa el 0,022% de l'aigua total de la Terra i existeix al 24% de les terres obertes de l'hemisferi nord. També es troba sota l'aigua a les plataformes continentals dels continents que envolten l'oceà Àrtic. Segons un grup de científics, un augment de la temperatura global d'1,5 °C (2,7 °F) per sobre de l'actualEls nivells seran suficients per començar a descongelar el permafrost a Sibèria.

Estudi

En contrast amb la relativa escassetat d'informes sobre sòls congelats a Amèrica del Nord abans de la Segona Guerra Mundial, la literatura sobre els aspectes d'enginyeria del permafrost estava disponible en rus. A partir de 1942, Simon William Muller va aprofundir en la literatura rellevant de la Biblioteca del Congrés i la Biblioteca del Servei Geològic dels Estats Units per proporcionar al govern un manual d'enginyeria i un informe tècnic sobre el permafrost el 1943.

Definició

El permafrost és sòl, roca o sediment que s'ha congelat durant més de dos anys consecutius. A les zones no cobertes de gel, existeixen sota una capa de sòl, roca o sediment que es congela i es descongela cada any i s'anomena "capa activa". A la pràctica, això significa que el permafrost es produeix a una temperatura mitjana anual de -2 °C (28,4 °F) o inferior. El gruix de la capa activa varia segons la temporada, però oscil·la entre 0,3 i 4 metres (poc profund al llarg de la costa àrtica; al sud de Sibèria i a l' altiplà tibetà Qinghai).

Geografia

Què passa amb la propagació del permafrost? L'extensió del permafrost varia segons el clima: avui a l'hemisferi nord, el 24% de la superfície terrestre lliure de gel, equivalent a 19 milions de quilòmetres quadrats, està més o menys afectada pel permafrost.

Una mica més de la meitat d'aquesta àrea està coberta de permafrost continu,al voltant del 20 per cent és permafrost discontinu i poc menys del 30 per cent és permafrost esporàdic. La major part d'aquest territori es troba a Sibèria, el nord del Canadà, Alaska i Groenlàndia. Sota la capa activa, les fluctuacions anuals de temperatura del permafrost es redueixen amb la profunditat. La profunditat més profunda del permafrost es produeix quan la calor geotèrmica manté temperatures per sobre de la congelació. Per sobre d'aquest límit, pot haver-hi permafrost, la temperatura del qual no canvia anualment. Això és "permafrost isotèrmic". Les zones de sòls de permafrost són poc adequades per a la vida humana activa.

Clima

El permafrost se sol formar en qualsevol clima on la temperatura mitjana anual de l'aire estigui per sota del punt de congelació de l'aigua. Es poden trobar excepcions als climes hivernals humits, com al nord d'Escandinàvia i al nord-est de Rússia a l'oest dels Urals, on la neu actua com a coberta aïllant. Les zones glacials poden ser excepcions. Com que totes les glaceres s'escalfen a les seves bases per la calor geotèrmica, les glaceres temperades que es troben a prop del seu punt de fusió a pressió poden tenir aigua líquida al límit amb la terra. Per tant, estan lliures de permafrost. Les anomalies de fred "fòssils" en el gradient geotèrmic a les zones on el permafrost profund desenvolupat durant el Plistocè persisteixen fins a diversos centenars de metres. Això és evident a partir de les mesures de temperatura dels pous a Amèrica del Nord i Europa.

Temperatura sota terra

Normalment, la temperatura sota terra varia menys d'una temporada a una altratemperatura de l'aire. Al mateix temps, les temperatures mitjanes anuals tendeixen a augmentar amb la profunditat com a conseqüència del gradient geotèrmic de l'escorça terrestre. Així, si la temperatura mitjana anual de l'aire és només lleugerament per sota dels 0 °C (32 °F), el permafrost només es formarà en llocs protegits, normalment al costat nord, creant permafrost discontinu. Normalment, el permafrost romandrà discontinu en climes on la temperatura mitjana anual de la superfície del sòl és de -5 a 0 °C (23 a 32 °F). És possible que les zones amb hiverns humits esmentades anteriorment no tinguin ni tan sols un permafrest intermitent fins a -2 °C (28 °F).

Tipus de permafrost

El permafrost sovint es divideix en permafrost discontinu extens, on el permafrost cobreix entre el 50 i el 90 per cent del paisatge i normalment es troba a zones amb temperatures mitjanes anuals de -2 a -4 °C (28 a 25 °F), i permafrost esporàdic, on el permafrost cobreix menys del 50 per cent del paisatge i normalment es produeix a temperatures mitjanes anuals entre 0 i -2 °C (32 i 28 °F). En ciències del sòl, la zona de permafrost esporàdica és la SPZ, mentre que l'extensa zona de permafrost discontinu és la zona de teledetecció. Hi ha excepcions a Sibèria i Alaska sense vidre, on la profunditat actual del permafrost és un romanent de les condicions climàtiques durant l'Edat de Gel, on els hiverns eren 11 °C (20 °F) més freds que els actuals.

Temperatura del permafrost

Quan la temperatura mitjana anual de la superfície del sòl és inferior a -5 °C (23 °F), la influència de l'aspectemai pot ser suficient per descongelar el permafrost i formar una zona de permafrost contínua (CPZ per abreujar). La línia de permafrost continu a l'hemisferi nord representa el límit més al sud on la terra està coberta per permafrost continu o gel glacial.

Per raons òbvies, dissenyar en permafrost és una tasca extremadament difícil. La línia contínua de permafrost està canviant al nord o al sud arreu del món a causa del canvi climàtic regional. A l'hemisferi sud, la major part de la línia equivalent estaria a l'oceà Austral si hi hagués terra. La major part del continent antàrtic està cobert per glaceres, sota les quals la major part del terreny està subjecte a la fusió a terra. La terra exposada de l'Antàrtida és en gran part permafrost.

Alps

Les estimacions de l'àrea total de la zona de permafrost als Alps varien molt. Bockheim i Munro van combinar les tres fonts i van fer estimacions tabulars per regió (3.560.000 km2 en total).

El permafrost alpí als Andes no estava al mapa. L'extensió en aquest cas es modela per estimar la quantitat d'aigua en aquestes zones. El 2009, un investigador d'Alaska va descobrir el permafrost a 4.700 m (15.400 peus) al cim més alt d'Àfrica, el mont Kilimanjaro, a uns 3° al nord de l'equador. Els fonaments en sòls de permafrost en aquestes latituds no són estranys.

Mars congelats i fons gelat

El permafrost marí es produeix sota el fons marí i existeix a les plataformes continentals polarsregions. Aquestes zones es van formar durant l'última edat de gel, quan la major part de l'aigua de la Terra estava tancada en capes de gel a la terra i el nivell del mar era baix. A mesura que les plaques de gel es van fondre i es van tornar a convertir en aigua de mar, el permafrost es va convertir en prestatges submergits en condicions de límit relativament càlides i salades en comparació amb el permafrost a la superfície. Per tant, el permafrost submarí existeix en condicions que condueixen a la seva reducció. Segons Osterkamp, el permafrost submarí és un factor en el disseny, la construcció i l'explotació d'instal·lacions costaneres, estructures del fons marí, illes artificials, canonades submarines i pous perforats per a l'exploració i producció.

El permafrost s'estén a les profunditats de la base, on la calor geotèrmica de la Terra i la temperatura mitjana anual de la superfície assoleixen una temperatura d'equilibri de 0 °C. La profunditat de la base del permafrost arriba als 1.493 metres (4.898 peus) a les conques del nord dels rius Lena i Yana a Sibèria. El gradient geotèrmic és la taxa d'augment de la temperatura en relació amb l'augment de la profunditat a l'interior de la Terra. Lluny dels límits de la placa tectònica, es troba a uns 25-30 °C/km prop de la superfície a la majoria de països del món. Varia amb la conductivitat tèrmica del material geològic i és menys per al permafrost al sòl que al llit de roca.

Gel al sòl

Quan el contingut de gel del permafrost supera el 250 per cent (des de la massa de gel fins al sòl sec), es classifica comgel massiu. Els cossos de gel massius poden variar en composició des de fang gelat fins a gel pur. Les capes de gel massives tenen un gruix mínim d'almenys 2 metres, un diàmetre curt d'almenys 10 metres. Els primers avistaments registrats a Amèrica del Nord van ser fets per científics europeus al riu Canning a Alaska el 1919. La literatura russa dóna una data anterior de 1735 i 1739 durant la Gran Expedició del Nord de P. Lassinius i Kh. P. Laptev, respectivament. Les dues categories de gel de terra massiu són el gel superficial enterrat i l'anomenat "gel intra-shed". La creació de fonaments sobre el permafrost requereix que no hi hagi grans glaceres a prop.

El gel de superfície enterrat pot provenir de neu, gel de llac o mar congelat, aufeis (gel de riu enrotllat) i probablement la variant més comuna és el gel glacial enterrat.

Congelació d'aigües subterrànies

El gel intradiestimal es forma com a resultat de la congelació de les aigües subterrànies. Aquí predomina el gel de segregació, que es produeix com a resultat de la diferenciació de cristal·lització que es produeix durant la congelació de la precipitació humida. El procés va acompanyat de la migració de l'aigua cap al front de congelació.

El gel

Intradiestimal (constitucional) s'ha observat i estudiat àmpliament a tot el Canadà i també inclou gel intrusiu i d'injecció. A més, les falques de gel, un tipus separat de gel de terra, produeixen polígons estampats o polígons de tundra reconeixibles. Les falques de gel es formen en una geològica preexistentsubstrat. Es van descriure per primera vegada el 1919.

Cicle del carboni

El cicle del carboni del permafrost es refereix a la transferència de carboni dels sòls del permafrost a la vegetació terrestre i els microbis, a l'atmosfera, de nou a la vegetació i, finalment, de tornada al sòl del permafrost mitjançant l'enterrament i la precipitació mitjançant processos criogènics. Part d'aquest carboni es transfereix a l'oceà i altres parts del globus a través del cicle global del carboni. El cicle inclou l'intercanvi de diòxid de carboni i metà entre components terrestres i l'atmosfera, i el transport de carboni entre la terra i l'aigua en forma de metà, carboni orgànic dissolt, carboni inorgànic dissolt, partícules de carboni inorgànic i partícules de carboni orgànic.

Història

El permafrost de l'Àrtic s'ha anat reduint al llarg dels segles. La conseqüència d'això és la descongelació del sòl, que pot ser més feble, i l'alliberament de metà, que contribueix a un augment de la taxa d'escalfament global en un bucle de retroalimentació. Les àrees de distribució dels sòls de permafrost han canviat constantment al llarg de la història.

A l'últim màxim glacial, el permafrost continu va cobrir una àrea molt més gran que l'actual. A Amèrica del Nord, només existia un cinturó molt estret de permafrost al sud de la capa de gel de latitud de Nova Jersey al sud d'Iowa i al nord de Missouri. Era extens a les regions occidentals més seques, on s'estenia fins a la frontera sud d'Idaho i Oregon. A l'hemisferi sud, hi ha algunes evidències d'un antic eternpermafrost d'aquest període al centre d'Otago i a la Patagònia argentina, però probablement era discontinu i associat a la tundra. El permafrost alpí també es va produir al Drakensberg durant l'existència de glaceres per sobre dels 3.000 metres (9.840 peus). No obstant això, fins i tot allà s'estan establint fonaments i fonaments sobre el permafrost.

Estructura del sòl

El sòl pot estar compost per molts materials de substrat, com ara roca base, sediments, matèria orgànica, aigua o gel. El sòl congelat és qualsevol cosa per sota del punt de congelació de l'aigua, tant si hi ha aigua o no al substrat. El gel de terra no sempre està present, com pot ser el cas de la roca base no porosa, però és comú i pot estar present en quantitats superiors a la saturació hidràulica potencial del substrat descongelat.

Com a resultat, les pluges augmenten, que al seu torn s'estan debilitant i possiblement col·lapsant edificis a zones com Norilsk, al nord de Rússia, que es troba a la zona del permafrost.

Col·lapse de pendent

Durant el segle passat, s'han informat molts casos de fallada de vessants alpís a les serralades muntanyoses d'arreu del món. S'espera que una gran quantitat de danys estructurals estiguin associats amb la fusió del permafrost, que es creu que és causada pel canvi climàtic. Es creu que la fusió del permafrost va contribuir a l'esllavissada de terra de Val Pola de 1987 que va matar 22 persones als Alps italians. Gran a les serraladespart de l'estabilitat estructural pot ser deguda a les glaceres i al permafrost. A mesura que el clima s'escalfa, el permafrost es descongela, donant lloc a una estructura de muntanya menys estable i, finalment, a més fallades de vessants. L'augment de la temperatura permet una profunditat més profunda de la capa activa, la qual cosa comporta encara més penetració d'aigua. El gel del sòl es fon, provocant una pèrdua de resistència del sòl, moviment accelerat i possibles fluxos de deixalles. Per tant, la construcció al permafrost és molt indesitjable.

També hi ha informació sobre caigudes massives de roques i gel (fins a 11,8 milions de m³), terratrèmols (fins a 3,9 milions de milles), inundacions (fins a 7, 8 milions de m³ d'aigua) i el ràpid flux de gel rocós. Això és causat per la "inestabilitat de vessants" en condicions de permafrost a les terres altes. La inestabilitat del vessant al permafrost a temperatures elevades properes a la congelació durant l'escalfament del permafrost s'associa a un estrès efectiu i a un augment de la pressió de l'aigua de porus en aquests sòls.

Desenvolupament de sòls de permafrost

Jason Kea i els seus coautors han inventat un nou piezòmetre rígid sense filtre (FRP) per mesurar la pressió de l'aigua dels porus en sòls parcialment congelats, com ara el permafrost escalfat. Van estendre l'ús del concepte d'estrès efectiu a sòls parcialment congelats per utilitzar-los en l'anàlisi d'estabilitat de vessants de l'escalfament de vessants de permafrost. L'aplicació del concepte d'estrès efectiu té molts avantatges, per exemple, la capacitat de construir bases i fonamentssòls de permafrost.

Ecològica

A la regió circumpolar del nord, el permafrost conté 1.700 mil milions de tones de material orgànic, gairebé la meitat de tota la matèria orgànica. Aquesta conca s'ha creat al llarg de mil·lennis i s'està destruint lentament en les condicions fredes de l'Àrtic. La quantitat de carboni segrestat al permafrost és quatre vegades la quantitat de carboni alliberat a l'atmosfera per l'activitat humana en els temps moderns.

Conseqüències

La formació de permafrost té implicacions importants per als sistemes ecològics, principalment a causa de les restriccions imposades a les zones arrels, així com les restriccions a la geometria de caus i caus per a la fauna que requereix habitatges subterranis. Els impactes secundaris afecten espècies dependents de plantes i animals l'hàbitat dels quals està limitat pel permafrost. Un dels exemples més comuns és la prevalença de l'avet negre a grans àrees de permafrost, ja que aquesta espècie pot tolerar l'establiment limitat a prop de la superfície.

De vegades es fan càlculs de sòls de permafrost per a l'anàlisi de material orgànic. Un gram de terra d'una capa activa pot contenir més de mil milions de cèl·lules bacterianes. Quan es col·loquen entre si, els bacteris d'un quilogram de sòl de la capa activa formen una cadena de 1000 km de llarg. El nombre de bacteris al sòl permafrost varia àmpliament, normalment entre 1 i 1000 milions per gram de sòl. La majoria d'aquestsEls bacteris i els fongs del sòl del permafrost no es poden cultivar al laboratori, però la identitat dels microorganismes es pot revelar mitjançant mètodes basats en l'ADN.

La regió àrtica i l'escalfament global

La regió àrtica és una de les fonts naturals de gasos d'efecte hivernacle metà. L'escalfament global està accelerant la seva emissió. Una gran quantitat de metà s'emmagatzema a l'Àrtic en dipòsits de gas natural, permafrost i en forma de clatrats submarins. Altres fonts de metà inclouen taliks submarins, transport fluvial, retirada del complex de gel, permafrost submarí i dipòsits d'hidrats de gas en descomposició. L'anàlisi informàtica preliminar indica que el permafrost pot produir carboni igual al 15% de les emissions actuals de les activitats humanes. L'escalfament i la descongelació dels massissos del sòl fa que la construcció sobre el permafrost sigui encara més perillós.