Ebedi donmuş topraklar: dağılım alanları, sıcaklık, gelişme özellikleri

2024 Yazar: Henry Conors | [email protected]. Son düzenleme: 2024-02-12 14:06

Bu makaleden, permafrost bölgelerinde yaygın olan permafrost toprakların özelliklerini öğreneceksiniz. Jeolojide, permafrost, iki veya daha fazla yıl boyunca 0 °C veya daha düşük bir donma sıcaklığında bulunan taşlı (kriyotik) toprak da dahil olmak üzere arazidir. Permafrost'un çoğu yüksek enlemlerde bulunur (Arktik ve Antarktika bölgelerinin içinde ve çevresinde), ancak örneğin Alplerde daha yüksek rakımlarda bulunur.

Gözeneksiz anakayada olduğu gibi yer buzu her zaman mevcut değildir, ancak genellikle zemin malzemesinin potansiyel hidrolik doygunluğunu aşan miktarlarda bulunur. Permafrost, Dünya'daki toplam suyun %0.022'sini oluşturur ve Kuzey Yarımküre'deki açık alanların %24'ünde bulunur. Ayrıca Arktik Okyanusu'nu çevreleyen kıtaların kıta sahanlıklarında su altında da meydana gelir. Bir grup bilim insanına göre, mevcut sıcaklığın 1,5 °C (2,7 °F) üzerinde bir küresel sıcaklık artışıSibirya'da permafrost eritmeye başlamak için seviye yeterli olacaktır.

Çalışma

İkinci Dünya Savaşı'ndan önce Kuzey Amerika'daki donmuş topraklarla ilgili raporların görece azlığının aksine, permafrost'un mühendislik yönleriyle ilgili literatür Rusça olarak mevcuttu. 1942'den başlayarak, Simon William Muller, hükümete 1943 yılına kadar permafrost hakkında bir mühendislik el kitabı ve teknik rapor sağlamak için Kongre Kütüphanesi ve Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırma Kütüphanesi tarafından tutulan ilgili literatürü araştırdı.

Tanım

Permafrost, art arda iki yıldan fazla donmuş toprak, kaya veya tortudur. Buzla kaplı olmayan alanlarda, her yıl donup çözülen ve "aktif tabaka" olarak adlandırılan bir toprak, kaya veya tortu tabakasının altında bulunurlar. Pratikte bu, permafrost'un yıllık ortalama -2 °C (28.4 °F) veya daha düşük sıcaklıkta meydana geldiği anlamına gelir. Aktif katmanın kalınlığı mevsime göre değişir, ancak 0,3 ila 4 metre arasında değişir (Kuzey Kutbu kıyısı boyunca sığ; güney Sibirya ve Qinghai-Tibet Platosu'nun derinliklerinde).

Coğrafya

Permafrost'un yayılması ne olacak? Permafrost'un kapsamı iklime göre değişir: bugün Kuzey Yarımküre'de buzsuz arazi alanının %24'ü - 19 milyon kilometre kareye eşdeğerdir - az ya da çok permafrost'tan etkilenir.

Bu alanın yarısından biraz fazlası sürekli permafrost ile kaplıdır,yaklaşık yüzde 20'si süreksiz permafrost ve yüzde 30'un hemen altında ise sporadik permafrost var. Bu bölgenin çoğu Sibirya, kuzey Kanada, Alaska ve Grönland'da bulunuyor. Aktif katmanın altında, yıllık permafrost sıcaklık dalgalanmaları derinlikle küçülür. En derin permafrost derinliği, jeotermal ısının sıcaklıkları donma noktasının üzerinde tuttuğu yerde meydana gelir. Bu sınırın üzerinde, sıcaklığı her yıl değişmeyen permafrost olabilir. Bu "izotermal permafrost". Permafrost toprakların bulunduğu alanlar, aktif insan yaşamı için pek uygun değildir.

İklim

Permafrost genellikle yıllık ortalama hava sıcaklığının suyun donma noktasının altında olduğu herhangi bir iklimde oluşur. İstisnalar, Kuzey İskandinavya ve Uralların batısındaki kuzeydoğu Rusya gibi yağışlı kış iklimlerinde bulunabilir; burada karın bir yalıtım örtüsü görevi görür. Buzul alanları istisna olabilir. Tüm buzullar tabanlarında jeotermal ısı ile ısıtıldığından, basınçlı erime noktalarına yakın olan ılıman buzulların kara sınırında sıvı su olabilir. Bu nedenle, permafrost içermezler. Pleistosen sırasında derin permafrost'un geliştiği bölgelerde jeotermal gradyandaki "fosil" soğuk anomalileri birkaç yüz metreye kadar devam ediyor. Bu, Kuzey Amerika ve Avrupa'daki kuyu sıcaklık ölçümlerinden açıkça görülmektedir.

Yer altı sıcaklığı

Tipik olarak, yer altı sıcaklığı mevsimden mevsimehava sıcaklığı. Aynı zamanda, yer kabuğunun jeotermal gradyanının bir sonucu olarak ortalama yıllık sıcaklıklar derinlikle birlikte artma eğilimindedir. Bu nedenle, yıllık ortalama hava sıcaklığı 0 °C'nin (32 °F) biraz altındaysa, permafrost yalnızca korunan yerlerde - genellikle kuzey tarafında - süreksiz permafrost oluşturarak oluşacaktır. Tipik olarak, yıllık ortalama toprak yüzey sıcaklığının -5 ila 0°C (23 ila 32°F) olduğu iklimlerde permafrost süreksiz kalacaktır. Yukarıda bahsedilen kışları yağışlı geçen bölgelerde -2 °C'ye (28 °F) kadar aralıklı permafrost bile olmayabilir.

Permafrost türleri

Permafrost genellikle ayrıca, permafrost'un peyzajın yüzde 50 ila 90'ını kapladığı ve tipik olarak yıllık ortalama sıcaklığın -2 ila -4 °C (28 ila 25 °F) arasında olduğu bölgelerde bulunduğu kapsamlı süreksiz permafrost'a ayrılır. ve permafrost'un arazinin yüzde 50'sinden daha azını kapladığı ve tipik olarak 0 ile -2 °C (32 ve 28 °F) arasındaki yıllık ortalama sıcaklıklarda meydana geldiği aralıklı permafrost. Toprak biliminde, sporadik permafrost bölgesi SPZ iken, kapsamlı süreksiz permafrost bölgesi uzaktan algılama bölgesidir. İstisnalar, mevcut permafrost derinliğinin, kışların bugünden 11 °C (20 °F) daha soğuk olduğu Buz Devri'ndeki iklim koşullarının bir kalıntısı olduğu sırsız Sibirya ve Alaska'da görülür.

Permafrost sıcaklığı

Yıllık ortalama toprak yüzey sıcaklıkları -5 °C'nin (23 °F) altında olduğunda, görünümün etkisipermafrostu eritmek ve sürekli bir permafrost bölgesi (kısaca CPZ) oluşturmak için asla yeterli olamaz. Kuzey Yarımküre'deki sürekli permafrost çizgisi, arazinin sürekli permafrost veya buzul buzuyla kaplı olduğu en güneydeki sınırı temsil eder.

Belirgin nedenlerden dolayı, permafrost üzerinde tasarım yapmak son derece zor bir iştir. Sürekli permafrost hattı, bölgesel iklim değişikliği nedeniyle dünya çapında kuzeye veya güneye doğru değişiyor. Güney yarımkürede, eğer kara olsaydı, eşdeğer hattın çoğu Güney Okyanusu'nda olurdu. Antarktika kıtasının çoğu, altında arazinin çoğunun yerde erimeye maruz kaldığı buzullarla kaplıdır. Antarktika'nın açıkta kalan toprakları büyük ölçüde permafrost.

Alpler

Alpler'deki permafrost bölgesinin toplam alanıyla ilgili tahminler büyük farklılıklar gösteriyor. Bockheim ve Munro, üç kaynağı birleştirdi ve bölgelere göre tablo halinde tahminler yaptı (toplamda 3.560.000 km2).

And Dağları'ndaki dağ permafrost haritada yoktu. Bu durumda kapsam, bu alanlardaki su miktarını tahmin etmek için modellenmiştir. 2009 yılında, Alaskalı bir araştırmacı, ekvatorun yaklaşık 3° kuzeyinde, Afrika'nın en yüksek zirvesi olan Kilimanjaro Dağı'nda 4.700 m'de (15.400 ft) permafrost keşfetti. Bu enlemlerde permafrost topraklarda temeller nadir değildir.

Donmuş denizler ve donmuş dip

Deniz permafrost deniz tabanının altında oluşur ve kutup kıta sahanlıklarında bulunurbölgeler. Bu alanlar, son buzul çağında, Dünya'nın suyunun çoğunun karadaki buz tabakalarında kilitli kaldığı ve deniz seviyelerinin düşük olduğu zaman oluştu. Buz tabakaları eriyip tekrar deniz suyu haline geldikçe, permafrost yüzeydeki permafrost ile karşılaştırıldığında nispeten sıcak ve tuzlu sınır koşulları altında batık raflar haline geldi. Bu nedenle, su altı permafrost, azalmasına yol açan koşullar altında bulunur. Osterkamp'a göre, deniz altı permafrost, “kıyı tesislerinin, deniz dibi yapılarının, yapay adaların, deniz altı boru hatlarının ve keşif ve üretim için açılan kuyuların tasarımı, inşası ve işletilmesinde bir faktördür.

Permafrost, Dünya'dan gelen jeotermal ısının ve ortalama yıllık yüzey sıcaklığının 0 °C'lik bir denge sıcaklığına ulaştığı tabanın derinliklerine kadar uzanır. Sibirya'daki Lena ve Yana nehirlerinin kuzey havzalarında permafrost tabanının derinliği 1.493 metreye (4.898 ft) ulaşıyor. Jeotermal gradyan, Dünya'nın iç kısmındaki derinlik artışına göre sıcaklıktaki artış oranıdır. Tektonik levhanın sınırlarından uzakta, dünyanın çoğu ülkesinde yüzeye yakın yaklaşık 25-30 °C/km'dir. Jeolojik malzemenin termal iletkenliğine göre değişir ve topraktaki permafrost için ana kayaya göre daha azdır.

Topraktaki buz

Permafrost'un buz içeriği yüzde 250'yi aştığında (buz kütlesinden kuru toprağa), olarak sınıflandırılır.büyük buz. Büyük buz kütleleri, bileşimde buzlu çamurdan saf buza kadar değişebilir. Devasa buz tabakalarının minimum kalınlığı en az 2 metre, kısa çapı ise en az 10 metredir. Kuzey Amerika'da kaydedilen ilk gözlemler, Avrupalı bilim adamları tarafından 1919'da Alaska'daki Canning Nehri'nde yapıldı. Rus edebiyatı, P. Lassinius ve Kh. P. Laptev'in Büyük Kuzey Seferi sırasında sırasıyla 1735 ve 1739 daha erken bir tarih verir. İki büyük kütleli buz kategorisi, gömülü yüzey buzu ve "dökülen buz" olarak adlandırılır. Permafrost üzerinde herhangi bir temelin oluşturulması, yakınlarda büyük buzulların olmamasını gerektirir.

Gömülü yüzey buzu kardan, donmuş gölden veya deniz buzundan, aufeis'ten (yuvarlanmış nehir buzu) gelebilir ve muhtemelen en yaygın çeşidi gömülü buzul buzudur.

Yer altı suyunun donması

Intradiestimal buz, yer altı suyunun donması sonucu oluşur. Burada, ıslak yağışın donması sırasında meydana gelen kristalleşme farklılaşmasının bir sonucu olarak ortaya çıkan segregasyon buzu hakimdir. Sürece, donma cephesine su göçü eşlik eder.

Intradiestimal (anayasal) buz, Kanada genelinde geniş çapta gözlemlenmiş ve incelenmiştir ve ayrıca müdahaleci ve enjeksiyonlu buz içerir. Ek olarak, ayrı bir buz türü olan buz takozları, tanınabilir desenli çokgenler veya tundra çokgenleri üretir. Buz kamaları önceden var olan bir jeolojik bölgede oluşur.substrat. İlk olarak 1919'da tanımlandılar.

Karbon döngüsü

Permafrost karbon döngüsü, karbonun permafrost topraklardan karasal bitki örtüsüne ve mikroplara, atmosfere, tekrar bitki örtüsüne ve son olarak da kriyojenik süreçler yoluyla gömülme ve yağış yoluyla permafrost toprağına aktarılmasıyla ilgilidir. Bu karbonun bir kısmı, küresel karbon döngüsü yoluyla okyanusa ve dünyanın diğer bölgelerine aktarılır. Döngü, karasal bileşenler ile atmosfer arasındaki karbondioksit ve metan değişimini ve karbonun kara ile su arasında metan, çözünmüş organik karbon, çözünmüş inorganik karbon, inorganik karbon parçacıkları ve organik karbon parçacıkları biçiminde taşınmasını içerir.

Tarih

Kuzey Kutbu'ndaki permafrost yüzyıllar boyunca küçülüyor. Bunun sonucu, daha zayıf olabilen toprağın çözülmesi ve bir geri besleme döngüsünde küresel ısınma hızının artmasına katkıda bulunan metan salınımıdır. Permafrost toprakların dağılım alanları tarih boyunca sürekli değişmiştir.

Son buzul maksimumunda, sürekli permafrost bugünden çok daha geniş bir alanı kapladı. Kuzey Amerika'da, güney Iowa ve kuzey Missouri'de New Jersey enlem buz tabakasının güneyinde yalnızca çok dar bir permafrost kuşağı vardı. Idaho ve Oregon'un güney sınırına kadar uzandığı daha kuru batı bölgelerinde yaygındı. Güney yarım kürede, eski bir sonsuzluğa dair bazı kanıtlar var. Orta Otago'da ve Arjantin Patagonya'sında bu dönemin permafrost'u, ancak muhtemelen süreksizdi ve tundra ile ilişkiliydi. 3.000 metrenin (9.840 ft) üzerindeki buzulların varlığı sırasında Drakensberg'de Alp permafrost da meydana geldi. Bununla birlikte, permafrost üzerine temeller ve temeller orada bile kurulmaktadır.

Toprak yapısı

Toprak, ana kaya, tortu, organik madde, su veya buz dahil olmak üzere birçok alt tabaka malzemesinden oluşabilir. Donmuş zemin, alt tabakada su bulunsun veya bulunmasın, suyun donma noktasının altındaki herhangi bir şeydir. Gözenekli olmayan anakaya durumunda olduğu gibi, zemin buzu her zaman mevcut değildir, ancak yaygındır ve çözülmüş alt tabakanın potansiyel hidrolik doygunluğunu aşan miktarlarda mevcut olabilir.

Sonuç olarak, yağışlar artıyor, bu da kuzey Rusya'da permafrost bölgesinde yer alan Norilsk gibi bölgelerde binaları zayıflatıyor ve muhtemelen çöküyor.

Eğim çökmesi

Geçtiğimiz yüzyılda, dünyanın her yerindeki sıradağlarda alpin yamaçta yenilme vakaları rapor edilmiştir. İklim değişikliğinden kaynaklandığına inanılan permafrost'un erimesiyle büyük miktarda yapısal hasarın ilişkilendirilmesi bekleniyor. 1987 yılında İtalya Alpleri'nde 22 kişinin ölümüne neden olan Val Pola heyelanına kalıcı buz tabakasının erimesinin katkıda bulunduğuna inanılıyor. Dağlık alanlarda büyükyapısal stabilitenin bir kısmı buzullar ve permafrost nedeniyle olabilir. İklim ısındıkça, permafrost çözülür, bu da daha az kararlı dağ yapısına ve nihayetinde daha fazla eğim bozulmasına yol açar. Sıcaklığın arttırılması, daha fazla su penetrasyonu gerektiren aktif katmanın daha derin derinliklerine izin verir. Topraktaki buz erir, toprak kuvvetinin kaybolmasına, hareketin hızlanmasına ve olası enkaz akışlarına neden olur. Bu nedenle, permafrost üzerinde inşaat yapmak son derece istenmeyen bir durumdur.

Ayrıca büyük kaya ve buz düşüşleri (11,8 milyon m³), depremler (3,9 milyon mile kadar), sel (7 'ye kadar, 8 milyon m³ su) ve kayalık buzun hızlı akışı. Bu, yaylalardaki permafrost koşullarındaki "eğim kararsızlığından" kaynaklanır. Permafrostun ısınmasında donmaya yakın yüksek sıcaklıklarda permafrostta eğim kararsızlığı, bu topraklarda efektif gerilme ve artan boşluk suyu basıncı ile ilişkilidir.

Permafrost toprakların gelişimi

Jason Kea ve ortak yazarlar, ısınma permafrost gibi kısmen donmuş topraklarda boşluk suyu basıncını ölçmek için yeni bir filtresiz katı piyezometre (FRP) icat ettiler. Isınan permafrost şevlerin şev stabilitesi analizinde kullanım için efektif gerilme kavramının kullanımını kısmen donmuş topraklara kadar genişlettiler. Efektif stres kavramının uygulanmasının birçok avantajı vardır, örneğin, temeller ve temeller oluşturma yeteneği.donmuş topraklar.

Organik

Kuzey çevresi bölgesinde, permafrost, tüm organik maddenin neredeyse yarısı olan 1.700 milyar ton organik madde içerir. Bu havza binlerce yıldır yaratılmıştır ve Kuzey Kutbu'nun soğuk koşullarında yavaş yavaş yok edilmektedir. Permafrostta tutulan karbon miktarı, modern zamanlarda insan faaliyetleriyle atmosfere salınan karbon miktarının dört katıdır.

Sonuçlar

Permafrost oluşumunun, özellikle kök bölgelerine getirilen kısıtlamalar ve ayrıca yer altı evleri gerektiren fauna için yoğun ve oyukların geometrisi üzerindeki kısıtlamalar nedeniyle ekolojik sistemler üzerinde önemli etkileri vardır. İkincil etkiler, habitatları permafrost ile sınırlı olan bitki ve hayvanlara bağımlı türleri etkiler. En yaygın örneklerden biri, permafrost'un geniş alanlarında siyah ladin yaygınlığıdır, çünkü bu tür yüzeye yakın yerlerde sınırlı yerleşmeyi tolere edebilir.

Permafrost toprakların hesaplamaları bazen organik materyalin analizi için yapılır. Aktif bir tabakadan bir gram toprak, bir milyardan fazla bakteri hücresi içerebilir. Aktif tabakanın bir kilogram toprağının bakterileri yan yana yerleştirildiklerinde 1000 km uzunluğunda bir zincir oluştururlar. Permafrost topraktaki bakteri sayısı büyük ölçüde değişir, tipik olarak toprağın gramı başına 1 ile 1000 milyon arasında değişir. Bunların çoğudonmuş topraktaki bakteri ve mantarlar laboratuvarda kültürlenemez, ancak DNA tabanlı yöntemler kullanılarak mikroorganizmaların kimliği ortaya çıkarılabilir.

Kuzey Kutbu bölgesi ve küresel ısınma

Arktik bölgesi, metan sera gazlarının doğal kaynaklarından biridir. Küresel ısınma, salınımını hızlandırıyor. Arktik'te doğal gaz yataklarında, permafrostta ve su altı klatratları şeklinde büyük miktarda metan depolanır. Diğer metan kaynakları arasında deniz altı talikleri, nehir taşımacılığı, buz kompleksi geri çekilmesi, deniz altı permafrost ve çürüyen gaz hidrat birikintileri bulunur. Ön bilgisayar analizi, permafrost'un bugünün insan faaliyetlerinden kaynaklanan emisyonların yaklaşık yüzde 15'ine eşit karbon üretebileceğini gösteriyor. Toprak kütlelerinin ısınması ve çözülmesi, permafrost üzerinde inşaat yapmayı daha da tehlikeli hale getiriyor.