Mūžīgi sasalušas augsnes: izplatības zonas, temperatūra, attīstības iezīmes

2024 Autors: Henry Conors | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-12 10:37

No šī raksta jūs uzzināsit par mūžīgā sasaluma augsņu iezīmēm, kas ir izplatītas mūžīgā sasaluma zonās. Ģeoloģijā mūžīgais sasalums ir zeme, tostarp akmeņaina (kriotiskā) augsne, kas atrodas 0 °C vai zemākā sasalšanas temperatūrā divus vai vairāk gadus. Lielākā daļa mūžīgā sasaluma atrodas augstos platuma grādos (Arktikas un Antarktikas reģionos un ap tiem), bet, piemēram, Alpos tas ir sastopams lielākos augstumos.

Zemes ledus ne vienmēr ir, kā tas var būt neporainos pamatiežos, taču tas bieži tiek konstatēts daudzumos, kas pārsniedz grunts materiāla iespējamo hidraulisko piesātinājumu. Mūžīgais sasalums veido 0,022% no kopējā ūdens daudzuma uz Zemes un pastāv 24% atklātās zemes ziemeļu puslodē. Tas notiek arī zem ūdens kontinentālo šelfu kontinentos, kas ieskauj Ziemeļu Ledus okeānu. Saskaņā ar vienas zinātnieku grupas datiem globālā temperatūras paaugstināšanās par 1,5 °C (2,7 °F) virs pašreizējāslīmeņi būs pietiekami, lai Sibīrijā sāktu atkausēt mūžīgo sasalumu.

Studē

Atšķirībā no relatīvi niecīgajiem ziņojumiem par sasalušām augsnēm Ziemeļamerikā pirms Otrā pasaules kara, literatūra par mūžīgā sasaluma inženiertehniskajiem aspektiem bija pieejama krievu valodā. Sākot ar 1942. gadu, Saimons Viljams Mullers iedziļinājās attiecīgajā literatūrā, ko glabā Kongresa bibliotēka un Amerikas Savienoto Valstu Ģeoloģijas dienesta bibliotēka, lai sniegtu valdībai inženiertehnisko rokasgrāmatu un tehnisko ziņojumu par mūžīgo sasalumu līdz 1943. gadam.

Definīcija

Mūžīgais sasalums ir augsne, ieži vai nogulumi, kas ir sasaluši vairāk nekā divus gadus pēc kārtas. Vietās, kas nav klātas ar ledu, tās atrodas zem augsnes, iežu vai nogulumu slāņa, kas katru gadu sasalst un atkūst un tiek saukts par "aktīvo slāni". Praksē tas nozīmē, ka mūžīgais sasalums rodas, ja gada vidējā temperatūra ir -2 °C (28,4 °F) vai zemāka. Aktīvā slāņa biezums mainās atkarībā no gadalaika, bet svārstās no 0,3 līdz 4 metriem (sekls gar Arktikas piekrasti; dziļi Dienvidsibīrijā un Cjinhai-Tibetas plato).

Ģeogrāfija

Kā ir ar mūžīgā sasaluma izplatību? Mūžīgā sasaluma apjoms ir atkarīgs no klimata: mūsdienās ziemeļu puslodē 24% no ledus brīvās zemes platības, kas atbilst 19 miljoniem kvadrātkilometru, ir vairāk vai mazāk skārusi mūžīgais sasalums.

Nedaudz vairāk nekā pusi no šīs teritorijas klāj nepārtraukts mūžīgais sasalums,apmēram 20 procenti ir nepārtraukts mūžīgais sasalums un nedaudz mazāk par 30 procentiem ir sporādisks mūžīgais sasalums. Lielākā daļa šīs teritorijas atrodas Sibīrijā, Kanādas ziemeļos, Aļaskā un Grenlandē. Zem aktīvā slāņa ikgadējās mūžīgā sasaluma temperatūras svārstības kļūst mazākas ar dziļumu. Visdziļākais mūžīgā sasaluma dziļums rodas tur, kur ģeotermālais siltums uztur temperatūru virs sasalšanas. Virs šīs robežas var būt mūžīgais sasalums, kura temperatūra katru gadu nemainās. Tas ir "izotermisks mūžīgais sasalums". Mūžīgā sasaluma augsnes ir slikti piemērotas aktīvai cilvēku dzīvei.

Klimats

Mūžīgais sasalums parasti veidojas jebkurā klimatā, kur gada vidējā gaisa temperatūra ir zemāka par ūdens sasalšanas punktu. Izņēmumus var atrast mitrā ziemas klimatā, piemēram, Skandināvijas ziemeļos un Krievijas ziemeļaustrumos uz rietumiem no Urāliem, kur sniegs darbojas kā izolācijas segums. Ledāju zonas var būt izņēmums. Tā kā visus ledājus savās pamatnēs silda ģeotermiskais siltums, mērenajos ledājos, kas atrodas tuvu spiediena kušanas temperatūrai, uz robežas ar zemi var būt šķidrs ūdens. Tāpēc tie ir brīvi no mūžīgā sasaluma. "Fosīlās" aukstuma anomālijas ģeotermālajā gradientā apgabalos, kur pleistocēna laikā izveidojies dziļš mūžīgais sasalums, saglabājas līdz pat vairākiem simtiem metru. Tas ir skaidrs no aku temperatūras mērījumiem Ziemeļamerikā un Eiropā.

Temperatūra pazemē

Parasti temperatūra pazemē dažādās sezonās mainās mazāk nekāgaisa temperatūra. Tajā pašā laikā gada vidējai temperatūrai ir tendence pieaugt līdz ar dziļumu zemes garozas ģeotermālā gradienta rezultātā. Tādējādi, ja gada vidējā gaisa temperatūra ir tikai nedaudz zem 0 °C (32 °F), mūžīgais sasalums veidosies tikai aizsargātās vietās - parasti ziemeļu pusē -, radot nepārtrauktu mūžīgo sasalumu. Parasti mūžīgais sasalums saglabāsies nepārtraukti klimatiskajos apstākļos, kur gada vidējā augsnes virsmas temperatūra ir no -5 līdz 0 °C (23 līdz 32 °F). Iepriekš minētajos apgabalos ar mitrām ziemām var nebūt pat periodiska mūžīgā sasaluma līdz -2 °C (28 °F).

Mūžīgā sasaluma veidi

Mūžīgais sasalums bieži tiek sadalīts plašā nepārtrauktā mūžīgajā sasalumā, kur mūžīgais sasalums klāj 50 līdz 90 procentus ainavas un parasti sastopams apgabalos ar vidējo gada temperatūru no -2 līdz -4 °C (28 līdz 25 °F)., un sporādisks mūžīgais sasalums, kur mūžīgais sasalums aptver mazāk nekā 50 procentus ainavas un parasti notiek pie gada vidējās temperatūras no 0 līdz -2 °C (32 un 28 °F). Augsnes zinātnē sporādiskā mūžīgā sasaluma zona ir SPZ, savukārt plašā nepārtrauktā mūžīgā sasaluma zona ir attālās uzrādes zona. Izņēmumi ir nestiklotajā Sibīrijā un Aļaskā, kur pašreizējais mūžīgā sasaluma dziļums ir ledus laikmeta klimata apstākļu paliekas, kur ziemas bija par 11 °C (20 °F) aukstākas nekā mūsdienās.

Mūžīgā sasaluma temperatūra

Kad vidējā gada augsnes virsmas temperatūra ir zem -5 °C (23 °F), aspekta ietekmenekad nevar būt pietiekami, lai atkausētu mūžīgo sasalumu un izveidotu nepārtrauktu mūžīgā sasaluma zonu (saīsināti CPZ). Nepārtraukta mūžīgā sasaluma līnija ziemeļu puslodē apzīmē dienvidu robežu, kur zemi klāj nepārtraukts mūžīgais sasalums vai ledāju ledus.

Acīmredzamu iemeslu dēļ projektēšana uz mūžīgā sasaluma ir ārkārtīgi grūts uzdevums. Nepārtrauktā mūžīgā sasaluma līnija visā pasaulē mainās uz ziemeļiem vai dienvidiem reģionālo klimata pārmaiņu dēļ. Dienvidu puslodē lielākā daļa līdzvērtīgās līnijas būtu Dienvidu okeānā, ja būtu zeme. Lielāko daļu Antarktikas kontinenta klāj ledāji, zem kuriem lielākā daļa reljefa ir pakļauta kušanai zemē. Antarktīdas atklātā zeme lielākoties ir mūžīgais sasalums.

Alpi

Aplēses par kopējo mūžīgā sasaluma zonas platību Alpos ir ļoti atšķirīgas. Bockheim un Munro apvienoja trīs avotus un veica tabulas aprēķinus pa reģioniem (kopā 3 560 000 km2).

Alpu mūžīgais sasalums Andos nebija kartē. Šajā gadījumā apjoms ir modelēts, lai novērtētu ūdens daudzumu šajās zonās. 2009. gadā Aļaskas pētnieks atklāja mūžīgo sasalumu 4700 m (15 400 pēdu) augstumā Āfrikas augstākajā virsotnē Kilimandžaro kalnā, aptuveni 3° uz ziemeļiem no ekvatora. Pamati uz mūžīgā sasaluma augsnēm šajos platuma grādos nav nekas neparasts.

Aizsalušas jūras un aizsalušais dibens

Jūras mūžīgais sasalums atrodas zem jūras dibena un pastāv polārajos kontinentālajos šelfosreģionos. Šīs teritorijas veidojās pēdējā ledus laikmetā, kad lielākā daļa Zemes ūdens bija ieslodzīta ledus segas uz sauszemes un jūras līmenis bija zems. Kad ledus loksnes izkusa un atkal kļuva par jūras ūdeni, mūžīgais sasalums kļuva par iegremdētiem plauktiem salīdzinoši siltos un sāļos robežapstākļos, salīdzinot ar mūžīgo sasalumu virspusē. Tāpēc zemūdens mūžīgais sasalums pastāv apstākļos, kas izraisa tā samazināšanos. Saskaņā ar Osterkampa teikto, zemūdens mūžīgais sasalums ir faktors “piekrastes iekārtu, jūras gultnes konstrukciju, mākslīgo salu, zemūdens cauruļvadu un izpētei un ieguvei urbto urbumu projektēšanā, būvniecībā un ekspluatācijā.

Mūžīgais sasalums sniedzas līdz pamatnes dziļumiem, kur Zemes ģeotermālais siltums un gada vidējā virsmas temperatūra sasniedz līdzsvara temperatūru 0 °C. Mūžīgā sasaluma pamatnes dziļums sasniedz 1493 metrus (4898 pēdas) Ļenas un Janas upju ziemeļu baseinos Sibīrijā. Ģeotermālais gradients ir temperatūras pieauguma ātrums attiecībā pret dziļuma pieaugumu Zemes iekšienē. Netālu no tektoniskās plāksnes robežām lielākajā daļā pasaules valstu virsmas tuvumā ir aptuveni 25-30 °C/km. Tas mainās atkarībā no ģeoloģiskā materiāla siltumvadītspējas un ir mazāks mūžīgajam sasalumam augsnē nekā pamatiežos.

Ledus augsnē

Ja mūžīgā sasaluma ledus saturs pārsniedz 250 procentus (no ledus masas līdz sausai augsnei), to klasificē kāmasīvs ledus. Masīvu ledus ķermeņu sastāvs var būt no ledainiem dubļiem līdz tīram ledus. Masīvu ledus slāņu minimālais biezums ir vismaz 2 metri, bet īsais diametrs ir vismaz 10 metri. Pirmos reģistrētos novērojumus Ziemeļamerikā Eiropas zinātnieki veica Kaningas upē Aļaskā 1919. gadā. Krievu literatūrā ir norādīts agrāks datums 1735. un 1739. gadā P. Lasīnija un Kh. P. Lapteva Lielās ziemeļu ekspedīcijas laikā. Divas masīvā zemes ledus kategorijas ir apraktais virszemes ledus un tā sauktais "iekšējais ledus". Lai izveidotu mūžīgā sasaluma pamatus, tuvumā nav lielu ledāju.

Aprakts virszemes ledus var būt no sniega, aizsaluša ezera vai jūras ledus, aufeis (ripotais upes ledus), un, iespējams, visizplatītākais variants ir aprakts ledāju ledus.

Gruntsūdeņu sasalšana

Intradiestimāls ledus veidojas gruntsūdeņu sasalšanas rezultātā. Šeit dominē segregācijas ledus, kas rodas kristalizācijas diferenciācijas rezultātā, kas notiek mitru nokrišņu sasalšanas laikā. Procesu pavada ūdens migrācija uz sasalšanas fronti.

Intradiestimālais (konstitucionālais) ledus ir plaši novērots un pētīts visā Kanādā, un tas ietver arī uzmācīgo un injekcijas ledu. Turklāt ledus ķīļi, atsevišķs zemes ledus veids, rada atpazīstamus rakstainus daudzstūrus vai tundras daudzstūrus. Ledus ķīļi veidojas jau esošajā ģeoloģiskajāsubstrāts. Pirmo reizi tie tika aprakstīti 1919. gadā.

Oglekļa cikls

Mūžīgā sasaluma oglekļa cikls ir saistīts ar oglekļa pārnešanu no mūžīgā sasaluma augsnēm uz sauszemes veģetāciju un mikrobiem, uz atmosfēru, atpakaļ uz veģetāciju un, visbeidzot, atpakaļ uz mūžīgā sasaluma augsni ar apbedīšanu un nokrišņiem, izmantojot kriogēnos procesus. Daļa no šī oglekļa globālā oglekļa cikla laikā tiek pārnesta uz okeānu un citām zemeslodes daļām. Cikls ietver oglekļa dioksīda un metāna apmaiņu starp sauszemes komponentiem un atmosfēru, kā arī oglekļa transportēšanu starp zemi un ūdeni metāna, izšķīdušā organiskā oglekļa, izšķīdušā neorganiskā oglekļa, neorganiskā oglekļa daļiņu un organiskā oglekļa daļiņu veidā.

Vēsture

Arktikas mūžīgais sasalums gadsimtu gaitā ir samazinājies. Tā sekas ir augsnes atkausēšana, kas var būt vājāka, un metāna izdalīšanās, kas veicina globālās sasilšanas ātruma palielināšanos atgriezeniskās saites cilpā. Mūžīgā sasaluma augšņu izplatības apgabali vēsturē ir pastāvīgi mainījušies.

Pēdējā ledāja maksimumā nepārtraukts mūžīgais sasalums aptvēra daudz lielāku platību nekā šodien. Ziemeļamerikā uz dienvidiem no Ņūdžersijas platuma grādos Aiovas dienvidos un Misūri ziemeļos pastāvēja tikai ļoti šaura mūžīgā sasaluma josla. Tas bija plašs sausākos rietumu reģionos, kur tas sniedzās līdz Aidaho un Oregonas dienvidu robežai. Dienvidu puslodē ir dažas liecības par kādreizējo mūžīgošī perioda mūžīgais sasalums Otago centrālajā daļā un Argentīnas Patagonijā, taču tas, iespējams, bija pārtraukts un saistīts ar tundru. Alpu mūžīgais sasalums radās arī Drakensbergā ledāju pastāvēšanas laikā virs 3000 metriem (9840 pēdām). Tomēr pat tur tiek veidoti pamati un pamati uz mūžīgā sasaluma.

Augsnes struktūra

Augsni var veidot daudzi substrāta materiāli, tostarp pamatieži, nogulsnes, organiskās vielas, ūdens vai ledus. Sasalusi zeme ir jebkas, kas ir zemāks par ūdens sasalšanas punktu, neatkarīgi no tā, vai substrātā ir vai nav ūdens. Zemes ledus ne vienmēr ir sastopams, kā tas var būt neporaino pamatiežu gadījumā, taču tas ir izplatīts un var atrasties daudzumos, kas pārsniedz atkausētā substrāta iespējamo hidraulisko piesātinājumu.

Tā rezultātā palielinās nokrišņu daudzums, kas savukārt vājina un, iespējams, sabrūk ēkas tādos apgabalos kā Noriļska Krievijas ziemeļos, kas atrodas mūžīgā sasaluma zonā.

Nogāzes sabrukums

Pagājušajā gadsimtā ir ziņots par daudziem Alpu nogāžu sabrukšanas gadījumiem kalnu grēdās visā pasaulē. Paredzams, ka liels strukturālo bojājumu apjoms būs saistīts ar mūžīgā sasaluma kušanu, ko, domājams, izraisa klimata pārmaiņas. Tiek uzskatīts, ka kūstošais mūžīgais sasalums ir veicinājis 1987. gada Valpolas zemes nogruvumu, kurā Itālijas Alpos gāja bojā 22 cilvēki. Liels kalnu grēdāsdaļa no strukturālās stabilitātes var būt ledāju un mūžīgā sasaluma dēļ. Klimatam sasilstot, mūžīgais sasalums atkūst, izraisot mazāk stabilu kalnu struktūru un galu galā vairāk nogāžu bojājumu. Temperatūras paaugstināšana pieļauj aktīvā slāņa dziļākus dziļumus, kas rada vēl lielāku ūdens iekļūšanu. Ledus augsnē kūst, izraisot augsnes stiprības zudumu, paātrinātu kustību un iespējamās gružu plūsmas. Tāpēc būvniecība uz mūžīgā sasaluma ir ļoti nevēlama.

Ir arī informācija par masīviem akmeņu un ledus kritumiem (līdz 11,8 miljoniem m³), zemestrīcēm (līdz 3,9 miljoniem jūdžu), plūdiem (līdz 7, 8 miljoni m³ ūdens) un strauja akmeņaina ledus plūsma. To izraisa "slīpuma nestabilitāte" mūžīgā sasaluma apstākļos augstienēs. Slīpuma nestabilitāte mūžīgajā sasalumā paaugstinātā temperatūrā, kas ir tuvu sasalšanai siltajā mūžīgajā sasalumā, ir saistīta ar efektīvu stresu un paaugstinātu poru ūdens spiedienu šajās augsnēs.

Mūžīgā sasaluma augšņu attīstība

Jason Kea un līdzautori ir izgudrojuši jaunu bezfiltru stingru pjezometru (FRP), lai mērītu poru ūdens spiedienu daļēji sasalušās augsnēs, piemēram, sasilšanas mūžīgajā sasalumā. Viņi paplašināja efektīvā stresa jēdziena izmantošanu daļēji sasalušām augsnēm, lai to izmantotu sasilšanas mūžīgā sasaluma nogāžu nogāžu stabilitātes analīzē. Efektīva stresa jēdziena pielietojumam ir daudz priekšrocību, piemēram, iespēja būvēt pamatus un pamatusmūžīgā sasaluma augsnes.

Bioloģiskie

Ziemeļu cirkumpolārajā reģionā mūžīgais sasalums satur 1700 miljardus tonnu organisko vielu, kas ir gandrīz puse no visas organiskās vielas. Šis baseins ir izveidots tūkstošiem gadu un lēnām tiek iznīcināts aukstajos Arktikas apstākļos. Mūžīgajā sasalumā piesaistītā oglekļa daudzums četras reizes pārsniedz oglekļa daudzumu, kas mūsdienās izdalās atmosfērā cilvēka darbības rezultātā.

Sekas

Mūžīgā sasaluma veidošanās būtiski ietekmē ekoloģiskās sistēmas, galvenokārt sakņu zonām noteikto ierobežojumu dēļ, kā arī faunai paredzēto alu un urbumu ģeometrijas ierobežojumiem, kam nepieciešamas pazemes mājas. Sekundārā ietekme ietekmē sugas, kas ir atkarīgas no augiem un dzīvniekiem, kuru dzīvotni ierobežo mūžīgais sasalums. Viens no visizplatītākajiem piemēriem ir melnās egles izplatība plašās mūžīgā sasaluma teritorijās, jo šī suga var paciest ierobežotu ierīkošanos virszemes tuvumā.

Mūžīgā sasaluma augsnes aprēķini dažkārt tiek veikti organisko materiālu analīzei. Viens grams augsnes no aktīvā slāņa var saturēt vairāk nekā vienu miljardu baktēriju šūnu. Novietojot viena pie otras, baktērijas no viena kilograma aktīvā slāņa augsnes veido 1000 km garu ķēdi. Baktēriju skaits mūžīgā sasaluma augsnē ir ļoti atšķirīgs, parasti no 1 līdz 1000 miljoniem uz gramu augsnes. Lielākā daļa no šiembaktērijas un sēnītes mūžīgā sasaluma augsnēs nevar kultivēt laboratorijā, taču mikroorganismu identitāti var atklāt, izmantojot DNS metodes.

Arktikas reģions un globālā sasilšana

Arktikas reģions ir viens no dabiskajiem metāna siltumnīcefekta gāzu avotiem. Globālā sasilšana paātrina tās izplatīšanos. Liels daudzums metāna tiek glabāts Arktikā dabasgāzes atradnēs, mūžīgajā sasalumā un zemūdens klatrātu veidā. Citi metāna avoti ir zemūdens taliks, upju transports, ledus kompleksa atkāpšanās, zemūdens mūžīgais sasalums un pūšanas gāzes hidrātu nogulsnes. Sākotnējā datorizētā analīze liecina, ka mūžīgais sasalums var radīt oglekli, kas ir aptuveni 15% no mūsdienu cilvēka darbības radītajām emisijām. Augsnes masīvu sasilšana un atkausēšana padara apbūvi uz mūžīgā sasaluma vēl bīstamāku.