Amžinai įšalę dirvožemiai: paplitimo sritys, temperatūra, vystymosi ypatumai

2024 Autorius: Henry Conors | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-12 10:25

Iš šio straipsnio sužinosite apie amžinojo įšalo dirvožemio ypatybes, paplitusias amžinojo įšalo zonose. Geologijoje amžinasis įšalas yra žemė, įskaitant akmenuotą (kriotinį) dirvožemį, kurios užšalimo temperatūra yra 0 °C arba žemesnė dvejus ar daugiau metų. Didžioji dalis amžinojo įšalo yra didelėse platumose (Arkties ir Antarkties regionuose ir aplink juos), tačiau, pavyzdžiui, Alpėse jis randamas didesniuose aukščiuose.

Žeminio ledo ne visada yra, kaip gali būti neakytų pamatinių uolienų atveju, bet dažnai jo randama kiekiais, viršijančiais galimą grunto medžiagos hidraulinį prisotinimą. Amžinasis įšalas sudaro 0,022% viso vandens Žemėje ir yra 24% atviros sausumos Šiaurės pusrutulyje. Jis taip pat atsiranda po vandeniu Arkties vandenyną supančių žemynų kontinentiniuose šelfuose. Pasak vienos mokslininkų grupės, pasaulinė temperatūra pakils 1,5 °C (2,7 °F) virš dabartinėslygių pakaks, kad pradėtų atitirpti amžinasis įšalas Sibire.

Studijuoti

Priešingai nei prieš Antrąjį pasaulinį karą pranešimų apie užšalusius dirvožemius Šiaurės Amerikoje buvo palyginti nedaug, literatūra apie amžinojo įšalo inžinerinius aspektus buvo prieinama rusų kalba. Nuo 1942 m. Simonas Williamas Mulleris gilinosi į atitinkamą literatūrą, kurią turi Kongreso biblioteka ir Jungtinių Valstijų Geologijos tarnybos biblioteka, kad iki 1943 m. pateiktų vyriausybei inžinerinį vadovą ir techninę ataskaitą apie amžinąjį įšalą.

Apibrėžimas

Amžinasis įšalas yra dirvožemis, uolos ar nuosėdos, kurios buvo užšalusios daugiau nei dvejus metus iš eilės. Ledu neuždengtose vietose jie yra po dirvožemio, uolienų ar nuosėdų sluoksniu, kuris kasmet užšąla ir atitirpsta ir vadinamas „aktyviuoju sluoksniu“. Praktiškai tai reiškia, kad amžinasis įšalas susidaro esant vidutinei metinei -2 °C (28,4 °F) arba žemesnei temperatūrai. Aktyvaus sluoksnio storis skiriasi priklausomai nuo sezono, bet svyruoja nuo 0,3 iki 4 metrų (sekli Arkties pakrantėje; giliai Pietų Sibire ir Činghajaus-Tibeto plokščiakalnyje).

Geografija

O kaip dėl amžinojo įšalo plitimo? Amžinojo įšalo mastas skiriasi priklausomai nuo klimato: šiandien šiauriniame pusrutulyje 24 % ledo neturinčios sausumos ploto – tai atitinka 19 milijonų kvadratinių kilometrų – yra daugiau ar mažiau paveikta amžinojo įšalo.

Šiek tiek daugiau nei pusę šios srities dengia nuolatinis amžinasis įšalas,apie 20 procentų yra nenutrūkstamas amžinasis įšalas ir šiek tiek mažiau nei 30 procentų yra atsitiktinis amžinasis įšalas. Didžioji šios teritorijos dalis yra Sibire, Kanados šiaurėje, Aliaskoje ir Grenlandijoje. Po aktyviuoju sluoksniu metiniai amžinojo įšalo temperatūros svyravimai mažėja didėjant gyliui. Giliausias amžinojo įšalo gylis susidaro ten, kur geoterminė šiluma palaiko aukštesnę nei užšalimo temperatūrą. Virš šios ribos gali būti amžinojo įšalo, kurio temperatūra kasmet nesikeičia. Tai yra „izoterminis amžinasis įšalas“. Amžinojo įšalo dirvožemių plotai prastai tinka aktyviam žmonių gyvenimui.

Klimatas

Amžinasis įšalas paprastai susidaro bet kokio klimato sąlygomis, kur vidutinė metinė oro temperatūra yra žemesnė už vandens užšalimo tašką. Išimčių galima rasti drėgno žiemos klimato sąlygomis, pavyzdžiui, Šiaurės Skandinavijoje ir šiaurės rytų Rusijoje į vakarus nuo Uralo, kur sniegas atlieka izoliacinę dangą. Išimtis gali būti ledyninės zonos. Kadangi visi ledynai savo pagrindus šildo geotermine šiluma, vidutinio klimato ledynuose, kurie yra netoli slėgio lydymosi taško, prie ribos su žeme gali būti skysto vandens. Todėl juose nėra amžinojo įšalo. „Fosilinės“šalčio anomalijos geoterminiame gradiente tose vietose, kur pleistoceno laikotarpiu susiformavęs gilus amžinasis įšalas išlieka iki kelių šimtų metrų. Tai matyti iš šulinių temperatūros matavimų Šiaurės Amerikoje ir Europoje.

Temperatūra po žeme

Paprastai temperatūra po žeme skirtingais sezonais skiriasi mažiau neioro temperatūra. Tuo pačiu metu vidutinė metinė temperatūra didėja didėjant gyliui dėl žemės plutos geoterminio gradiento. Taigi, jei vidutinė metinė oro temperatūra yra tik šiek tiek žemesnė nei 0 °C (32 °F), amžinasis įšalas susiformuos tik apsaugotose vietose – dažniausiai šiaurinėje pusėje – ir sukurs nenutrūkstamą amžinąjį įšalą. Paprastai amžinasis įšalas išliks nenutrūkstamas klimato sąlygomis, kur vidutinė metinė dirvožemio paviršiaus temperatūra yra nuo –5 iki 0 °C (23–32 °F). Pirmiau minėtose vietovėse su drėgnomis žiemomis net gali nebūti nuolatinio amžinojo įšalo iki -2 °C (28 °F).

Amžinojo įšalo tipai

Amžinasis įšalas dažnai skirstomas į platų nenutrūkstamą amžinąjį įšalą, kai amžinasis įšalas dengia 50–90 procentų kraštovaizdžio ir paprastai aptinkamas vietovėse, kurių vidutinė metinė temperatūra yra nuo -2 iki -4 °C (28–25 °F)., ir atsitiktinis amžinasis įšalas, kai amžinasis įšalas dengia mažiau nei 50 procentų kraštovaizdžio ir paprastai susidaro esant vidutinei metinei temperatūrai nuo 0 iki -2 °C (32–28 °F). Dirvožemio moksle sporadinė amžinojo įšalo zona yra SAZ, o plati nenutrūkstamo amžinojo įšalo zona yra nuotolinio stebėjimo zona. Išimtys pasitaiko neglazūruotame Sibire ir Aliaskoje, kur dabartinis amžinojo įšalo gylis yra ledynmečio klimato sąlygų likutis, kur žiemos buvo 11 °C (20 °F) š altesnės nei šiandien.

Amžinojo įšalo temperatūra

Kai vidutinė metinė dirvožemio paviršiaus temperatūra yra žemesnė nei -5 °C (23 °F), aspekto įtakaniekada negali pakakti atšildyti amžinąjį įšalą ir suformuoti ištisinę amžinojo įšalo zoną (sutrumpintai CPZ). Ištisinio amžinojo įšalo linija šiauriniame pusrutulyje žymi piečiausią ribą, kur žemę dengia ištisinis amžinasis įšalas arba ledynas.

Dėl akivaizdžių priežasčių projektavimas ant amžinojo įšalo yra labai sudėtinga užduotis. Ištisinė amžinojo įšalo linija keičiasi į šiaurę arba pietus visame pasaulyje dėl regioninės klimato kaitos. Pietiniame pusrutulyje didžioji lygiavertės linijos dalis būtų Pietų vandenyne, jei būtų sausumos. Didžiąją Antarkties žemyno dalį dengia ledynai, po kuriais didžioji dalis reljefo tirpsta žemėje. Atidengta Antarktidos žemė didžiąja dalimi yra amžinas įšalas.

Alpės

Viso amžinojo įšalo zonos Alpėse apskaičiavimai labai skiriasi. Bockheimas ir Munro sujungė tris š altinius ir padarė lentelės įvertinimus pagal regioną (iš viso 3 560 000 km2).

Alpių amžinojo įšalo Anduose žemėlapyje nebuvo. Šiuo atveju mastas modeliuojamas siekiant įvertinti vandens kiekį šiose srityse. 2009 m. Aliaskos mokslininkas aptiko amžinąjį įšalą 4700 m (15 400 pėdų) aukštyje ant aukščiausios Afrikos viršūnės Kilimandžaro kalno, maždaug 3° į šiaurę nuo pusiaujo. Pamatai ant amžinojo įšalo dirvožemių šiose platumose nėra neįprasti.

Užšalusios jūros ir užšalęs dugnas

Jūrų amžinasis įšalas atsiranda po jūros dugnu ir yra poliariniuose žemyniniuose šelfuoseregionuose. Šios sritys susiformavo paskutinio ledynmečio metu, kai didžioji dalis Žemės vandens buvo uždaryta ledo sluoksniuose sausumoje, o jūros lygis buvo žemas. Ledo sluoksniams tirpstant ir vėl tapus jūros vandeniu, amžinasis įšalas tapo panardintais lentynomis santykinai šiltomis ir sūriomis ribinėmis sąlygomis, palyginti su amžinuoju įšalu paviršiuje. Todėl povandeninis amžinasis įšalas egzistuoja tokiomis sąlygomis, dėl kurių jis mažėja. Pasak Osterkampo, povandeninis amžinasis įšalas yra veiksnys, „projektuojant, statant ir eksploatuojant pakrantės įrenginius, jūros dugno konstrukcijas, dirbtines salas, povandeninius vamzdynus ir gręžinius, išgręžtus žvalgymui ir gamybai“.

Amžinasis įšalas tęsiasi iki pagrindo gelmių, kur geoterminė Žemės šiluma ir vidutinė metinė paviršiaus temperatūra pasiekia 0 °C pusiausvyros temperatūrą. Amžinojo įšalo bazės gylis siekia 1 493 metrus (4 898 pėdų) šiauriniuose Lenos ir Yanos upių baseinuose Sibire. Geoterminis gradientas yra temperatūros padidėjimo greitis, palyginti su gylio padidėjimu Žemės viduje. Toli nuo tektoninės plokštės ribų, daugumoje pasaulio šalių šalia paviršiaus yra apie 25-30 °C/km. Jis kinta priklausomai nuo geologinės medžiagos šilumos laidumo ir yra mažesnis amžinajam įšalui dirvožemyje nei pamatinėje uolienoje.

Ledas dirvožemyje

Kai amžinojo įšalo ledo kiekis viršija 250 procentų (nuo ledo masės iki sauso dirvožemio), jis klasifikuojamas kaipmasyvus ledas. Masyvių ledo kūnų sudėtis gali būti nuo ledinio purvo iki gryno ledo. Masyvių ledo sluoksnių storis yra ne mažesnis kaip 2 metrai, o trumpasis - ne mažesnis kaip 10 metrų. Pirmieji užregistruoti pastebėjimai Šiaurės Amerikoje Europos mokslininkų buvo padaryti Kaningo upėje Aliaskoje 1919 m. Rusų literatūra pateikia ankstesnę datą – atitinkamai 1735 ir 1739 m. per P. Lasiniaus ir Kh. P. Laptevo Didžiąją Šiaurės ekspediciją. Dvi masyvaus antžeminio ledo kategorijos yra palaidotas paviršinis ledas ir vadinamasis „vidinis ledas“. Norint sukurti bet kokius amžinojo įšalo pamatus, reikia, kad šalia nebūtų didelių ledynų.

Užkastas paviršinis ledas gali atsirasti iš sniego, užšalusio ežero ar jūros ledo, aufeis (riedančio upės ledo) ir tikriausiai labiausiai paplitęs variantas yra užkastas ledyninis ledas.

Požeminio vandens užšalimas

Intradiestimalus ledas susidaro užšalus požeminiam vandeniui. Čia vyrauja segregacinis ledas, atsirandantis dėl kristalizacijos diferenciacijos, atsirandančios šlapių kritulių užšalimo metu. Procesą lydi vandens migracija į užšalimo frontą.

Intradiestimalus (konstitucinis) ledas buvo plačiai stebimas ir tiriamas visoje Kanadoje, taip pat apima įkyrų ir įpurškiamąjį ledą. Be to, ledo pleištai, atskira gruntinio ledo rūšis, sukuria atpažįstamus raštuotus daugiakampius arba tundros daugiakampius. Ledo pleištai susidaro jau egzistuojančioje geologinėje aplinkojesubstratas. Pirmą kartą jie buvo aprašyti 1919 m.

Anglies ciklas

Amžinojo įšalo anglies ciklas yra susijęs su anglies perkėlimu iš amžinojo įšalo dirvožemių į sausumos augmeniją ir mikrobus, į atmosferą, atgal į augaliją ir galiausiai atgal į amžinojo įšalo dirvožemį laidojant ir nukritus per kriogeninius procesus. Dalis šios anglies per pasaulinį anglies ciklą patenka į vandenyną ir kitas Žemės rutulio dalis. Ciklas apima anglies dioksido ir metano mainus tarp antžeminių komponentų ir atmosferos bei anglies transportavimą tarp žemės ir vandens metano, ištirpusios organinės anglies, ištirpusios neorganinės anglies, neorganinės anglies dalelių ir organinės anglies dalelių pavidalu.

Istorija

Amžinasis Arkties įšalas per šimtmečius mažėjo. To pasekmė yra dirvožemio atšildymas, kuris gali būti silpnesnis, ir metano išsiskyrimas, kuris prisideda prie visuotinio atšilimo greičio padidėjimo grįžtamojo ryšio cikle. Amžinojo įšalo dirvožemių paplitimo sritys nuolat keitėsi istorijoje.

Esant paskutiniam ledyno maksimumui, nuolatinis amžinasis įšalas apėmė daug didesnį plotą nei šiandien. Šiaurės Amerikoje buvo tik labai siaura amžinojo įšalo juosta į pietus nuo Naujojo Džersio platumos ledo sluoksnio pietuose Ajovoje ir šiaurinėje Misūrio dalyje. Jis buvo plačiai paplitęs sausesniuose vakarų regionuose, kur tęsėsi iki pietinės Aidaho ir Oregono sienos. Pietiniame pusrutulyje yra keletas įrodymų apie buvusį amžinąjįšio laikotarpio amžinojo įšalo centrinėje Otago dalyje ir Argentinos Patagonijoje, tačiau jis tikriausiai buvo nenutrūkstamas ir susijęs su tundra. Alpių amžinasis įšalas taip pat atsirado Drakensberge, kai ledynai buvo aukščiau 3000 metrų (9840 pėdų). Nepaisant to, pamatai ir pamatai ant amžinojo įšalo statomi net ir ten.

Dirvožemio struktūra

Dirvožemį gali sudaryti daug substrato medžiagų, įskaitant pamatines uolienas, nuosėdas, organines medžiagas, vandenį ar ledą. Užšalusi žemė – tai viskas, kas yra žemiau vandens užšalimo taško, neatsižvelgiant į tai, ar substrate yra vandens, ar ne. Požeminio ledo ne visada yra, kaip gali būti neakytoje pamatinėje uolienoje, tačiau jis yra įprastas ir jo kiekis gali viršyti galimą atšildyto pagrindo hidraulinį įsotinimą.

Dėl to daugėja kritulių, o tai savo ruožtu silpnina ir galbūt griūva pastatai tokiose srityse kaip Norilskas šiaurės Rusijoje, kuris yra amžinojo įšalo zonoje.

Šlaito griūtis

Per pastarąjį šimtmetį buvo pranešta apie daugybę Alpių šlaitų gedimo kalnų grandinėse visame pasaulyje atvejų. Tikimasi, kad didelė struktūrinė žala bus susijusi su tirpstančiu amžinuoju įšalu, kurį, kaip manoma, sukelia klimato kaita. Manoma, kad tirpstantis amžinasis įšalas prisidėjo prie 1987 m. Val Pola nuošliaužos, nusinešusios 22 žmonių gyvybes Italijos Alpėse. Didelis kalnų grandinėsedalis konstrukcijos stabilumo gali būti dėl ledynų ir amžinojo įšalo. Klimatui šylant, amžinasis įšalas atitirpsta, todėl kalnų struktūra tampa ne tokia stabili, o galiausiai ir daugiau šlaitų. Temperatūros didinimas leidžia giliau įsiskverbti į aktyvųjį sluoksnį, o tai reiškia dar daugiau vandens prasiskverbimo. Ledas dirvožemyje tirpsta, todėl prarandamas dirvožemio stiprumas, pagreitėja judėjimas ir galimi šiukšlių srautai. Todėl statyba ant amžinojo įšalo yra labai nepageidautina.

Taip pat yra informacijos apie didžiulius uolų ir ledo kritimus (iki 11,8 mln. m³), žemės drebėjimus (iki 3,9 mln. mylių), potvynius (iki 7, 8 milijonai m³ vandens) ir greitas uolų ledo srautas. Tai lemia „šlaitų nestabilumas“amžinojo įšalo sąlygomis aukštumose. Amžinojo įšalo šlaitų nestabilumas esant aukštai temperatūrai, artimam užšalimui šylant amžinajam įšalui, yra susijęs su efektyviu stresu ir padidėjusiu porų vandens slėgiu šiuose dirvožemiuose.

Amžinojo įšalo dirvožemių plėtra

Jasonas Kea ir bendraautoriai išrado naują befiltrį standųjį pjezometrą (FRP), skirtą vandens porų slėgiui iš dalies užšalusiame dirvožemyje, pavyzdžiui, šylančiame amžinajame įšale, matuoti. Jie išplėtė efektyvaus įtempio sąvokos naudojimą iš dalies užšalusiems dirvožemiams, kad būtų galima naudoti šylančių amžinojo įšalo šlaitų šlaitų stabilumo analizei. Efektyvaus streso koncepcijos taikymas turi daug privalumų, pavyzdžiui, galimybė statyti pagrindus ir pamatusamžino įšalo dirvožemiai.

Ekologiškas

Šiauriniame cirkumpoliariniame regione amžinajame įšale yra 1700 milijardų tonų organinės medžiagos, beveik pusė visų organinių medžiagų. Šis baseinas buvo sukurtas tūkstantmečius ir pamažu naikinamas š altomis Arkties sąlygomis. Amžinajame įšale sukauptos anglies kiekis keturis kartus viršija anglies kiekį, kuris šiais laikais dėl žmogaus veiklos buvo išmestas į atmosferą.

Pasekmės

Amžinojo įšalo susidarymas turi reikšmingų pasekmių ekologinėms sistemoms, visų pirma dėl apribojimų šaknų zonoms, taip pat dėl faunai skirtų urvų ir urvų geometrijos apribojimų, kuriems reikalingi požeminiai namai. Antrinis poveikis daro įtaką rūšims, priklausomoms nuo augalų ir gyvūnų, kurių buveines riboja amžinasis įšalas. Vienas iš labiausiai paplitusių pavyzdžių yra juodosios eglės paplitimas didžiulėse amžinojo įšalo vietose, nes ši rūšis gali toleruoti ribotą įsitvirtinimą šalia paviršiaus.

Mamžinojo įšalo dirvožemio skaičiavimai kartais atliekami organinių medžiagų analizei. Viename grame aktyvaus sluoksnio dirvožemio gali būti daugiau nei milijardas bakterijų ląstelių. Padėtos viena iš kitos, bakterijos iš vieno kilogramo aktyvaus sluoksnio dirvožemio sudaro 1000 km ilgio grandinę. Bakterijų skaičius amžinojo įšalo dirvožemyje labai skiriasi, paprastai nuo 1 iki 1000 milijonų viename grame dirvožemio. Dauguma šiųBakterijos ir grybai amžinojo įšalo dirvožemyje negali būti auginami laboratorijoje, tačiau mikroorganizmų tapatybę galima atskleisti naudojant DNR metodus.

Arkties regionas ir visuotinis atšilimas

Arkties regionas yra vienas iš natūralių metano šiltnamio efektą sukeliančių dujų š altinių. Pasaulinis atšilimas spartina jo išleidimą. Didelis metano kiekis Arktyje saugomas gamtinių dujų telkiniuose, amžinajame įšale ir povandeninių klatratų pavidalu. Kiti metano š altiniai yra povandeniniai talikai, upių transportas, ledo komplekso atsitraukimas, povandeninis amžinasis įšalas ir pūvančių dujų hidratų telkiniai. Preliminari kompiuterinė analizė rodo, kad amžinasis įšalas gali pagaminti anglies, lygią maždaug 15 procentų šiandieninės žmogaus veiklos išmetamų teršalų kiekio. Atšilus ir atšilus dirvožemio masyvams, statyba ant amžinojo įšalo tampa dar pavojingesnė.