קרקעות קפואות לנצח: אזורי תפוצה, טמפרטורה, מאפייני פיתוח

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:18

ממאמר זה תלמדו על התכונות של קרקעות פרמפרוסט הנפוצות באזורי פרמפרוסט. בגיאולוגיה, פרמפרוסט הוא אדמה, כולל אדמה אבנים (קריוטית), שנמצאת בטמפרטורת הקפאה של 0 מעלות צלזיוס או מתחת למשך שנתיים או יותר. רוב הפרמפרוסט נמצא בקווי רוחב גבוהים (באזור הארקטי והאנטארקטי ובסביבתו), אבל, למשל, באלפים הוא נמצא בגבהים גבוהים יותר.

קרח קרקע לא תמיד קיים, כפי שעשוי להיות במקרה של סלע יסוד לא נקבובי, אבל הוא נמצא לעתים קרובות בכמויות העולה על הרוויה ההידראולית הפוטנציאלית של חומר הקרקע. פרמפרוסט מהווה 0.022% מסך המים על פני כדור הארץ וקיים ב-24% מהאדמה הפתוחה בחצי הכדור הצפוני. הוא מתרחש גם מתחת למים על המדפים היבשתיים של היבשות המקיפות את האוקיינוס הארקטי. לפי קבוצה אחת של מדענים, עליית טמפרטורה גלובלית של 1.5 מעלות צלזיוס (2.7 מעלות פרנהייט) מעל הזרםהרמות יספיקו כדי להתחיל להפשיר פרמפרפר בסיביר.

Study

בניגוד למיעוט היחסי של דיווחים על קרקעות קפואות בצפון אמריקה לפני מלחמת העולם השנייה, ספרות על ההיבטים ההנדסיים של פרמפרסט הייתה זמינה ברוסית. החל משנת 1942, סיימון וויליאם מולר התעמק בספרות הרלוונטית של ספריית הקונגרס והספרייה של המכון הגיאולוגי של ארצות הברית כדי לספק לממשלה מדריך הנדסי ודו ח טכני על קרח עד 1943.

הגדרה

פרמאפרוסט הוא אדמה, סלע או משקעים שהוקפאו במשך יותר משנתיים רצופות. באזורים שאינם מכוסי קרח הם קיימים מתחת לשכבת אדמה, סלע או משקעים הקופאים ומפשירים מדי שנה ונקראת "השכבה הפעילה". בפועל, המשמעות היא שהפרמאפרסט מתרחשת בטמפרטורה שנתית ממוצעת של -2 מעלות צלזיוס (28.4 מעלות פרנהייט) או פחות. עובי השכבה הפעילה משתנה בהתאם לעונה, אך נע בין 0.3 ל-4 מטרים (רדוד לאורך החוף הארקטי; עמוק בדרום סיביר וברמה צ'ינגהאי-טיבטית).

גיאוגרפיה

מה לגבי התפשטות הפרמפרוסט? היקף הקרח משתנה בהתאם לאקלים: כיום בחצי הכדור הצפוני, 24% משטח היבשה נטולי הקרח - שווה ערך ל-19 מיליון קמ ר - מושפע פחות או יותר מקמפורת.

קצת יותר ממחצית השטח הזה מכוסה בפרמפרוסט מתמשך,כ-20 אחוזים הם פרמפרוסט בלתי רציף וקצת פחות מ-30 אחוז הם פרמפרסט ספורדי. רוב השטח הזה ממוקם בסיביר, צפון קנדה, אלסקה וגרינלנד. מתחת לשכבה הפעילה, תנודות טמפרטורת פרמפרוסט שנתיות הופכות קטנות יותר עם העומק. העומק העמוק ביותר של פרמפרוסט מתרחש כאשר החום הגיאותרמי שומר על טמפרטורות מעל הקפיא. מעל גבול זה, ייתכן שיש פרמאפרוסט, שהטמפרטורה שלו אינה משתנה מדי שנה. זהו "פרמאפרוסט איזותרמית". אזורים של קרקעות פרמפרוסט אינם מתאימים לחיי אדם פעילים.

אקלים

פרמאפרוסט נוצר בדרך כלל בכל אקלים שבו טמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת היא מתחת לנקודת הקיפאון של המים. ניתן למצוא חריגים באקלים חורפי רטוב, כמו בצפון סקנדינביה ובצפון מזרח רוסיה ממערב לאורל, שם השלג משמש ככיסוי מבודד. אזורי קרחונים עשויים להיות חריגים. מכיוון שכל הקרחונים מחוממים בבסיסם על ידי חום גיאותרמי, לקרחונים ממוזגים שנמצאים ליד נקודת ההיתוך שלהם בלחץ יכולים להיות מים נוזליים בגבול עם היבשה. לכן, הם נקיים מ-permafrost. חריגות קור "מאובנות" בשיפוע הגיאותרמי באזורים שבהם התפתחה פרמפרפרת עמוקה במהלך הפלייסטוקן נמשכת עד כמה מאות מטרים. הדבר ניכר ממדידות טמפרטורת באר בצפון אמריקה ואירופה.

Temperatur Underground

בדרך כלל, הטמפרטורה מתחת לאדמה משתנה מעונה לעונה פחות מטמפרטורת האוויר. יחד עם זאת, הטמפרטורות השנתיות הממוצעות נוטות לעלות עם העומק כתוצאה מהשיפוע הגיאותרמי של קרום כדור הארץ. לפיכך, אם טמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת היא רק מעט מתחת ל-0 מעלות צלזיוס (32 מעלות צלזיוס), פרמפרוסט יווצר רק במקומות מוגנים - בדרך כלל בצד הצפוני - ויוצר פרמפרפר בלתי רציף. בדרך כלל, פרמפרוסט יישאר לא רציף באקלים שבהם טמפרטורת פני הקרקע השנתית הממוצעת היא -5 עד 0 מעלות צלזיוס (23 עד 32 מעלות פרנהייט). ייתכן שבאזורים עם חורפים רטובים שהוזכרו לעיל אין אפילו פרמפרפר לסירוגין עד -2 מעלות צלזיוס (28 מעלות פרנהייט).

סוגי פרמפרוסט

הפרמאפרסט מחולק לעתים קרובות יותר לפרמאפרסט נרחב לא רציף, שבו פרמפרוסט מכסה 50 עד 90 אחוז מהנוף ונמצא בדרך כלל באזורים עם טמפרטורות שנתיות ממוצעות של -2 עד -4 מעלות צלזיוס (28 עד 25 מעלות פרנהייט), ו-permafrost ספורדי, שבו פרמפרפר מכסה פחות מ-50 אחוז מהנוף ומתרחש בדרך כלל בטמפרטורות שנתיות ממוצעות בין 0 ל-2 מעלות צלזיוס (32 ו-28 מעלות פרנהייט). במדעי הקרקע, אזור הפרמפרסט הספורדי הוא SPZ, בעוד שאזור הפרמפרוסט הנרחב הנרחב הוא אזור החישה מרחוק. יוצאים מן הכלל מתרחשים בסיביר ובאלסקה ללא זיגוג, שבהן עומק הקדחת הנוכחי הוא שריד של תנאי אקלים בתקופת הקרח, שם החורפים היו קרים יותר ב-11 מעלות צלזיוס מהיום.

טמפרטורת פרמאפרוסט

כאשר טמפרטורת פני הקרקע השנתית הממוצעת היא מתחת ל-5 מעלות צלזיוס (23 מעלות פרנהייט), השפעת ההיבטלעולם לא יכול להספיק כדי להפשיר את הפרמפרוסט וליצור אזור פרמפרוסט רציף (קיצור CPZ). קו הקרח המתמשך בחצי הכדור הצפוני מייצג את הגבול הדרומי ביותר שבו הארץ מכוסה בקרח מתמשך או קרח קרחוני.

מסיבות ברורות, עיצוב על פרמאפרוסט הוא משימה קשה ביותר. קו הפרמפרוסט הרציף משתנה צפונה או דרומה ברחבי העולם עקב שינויי אקלים אזוריים. בחצי הכדור הדרומי, רוב הקו המקביל יהיה באוקיינוס הדרומי אם הייתה יבשה. רוב יבשת אנטארקטיקה מכוסה בקרחונים, שמתחתם רוב השטח נתון להמסה באדמה. הארץ החשופה של אנטארקטיקה היא ברובה פרמפרפר.

Alps

הערכות של השטח הכולל של אזור הפרמפרוסט בהרי האלפים משתנות מאוד. בוקהיים ומונרו שילבו את שלושת המקורות ועשו הערכות טבלאות לפי אזור (3,560,000 קמ ר בסך הכל).

פרמפרפר אלפיני בהרי האנדים לא היה על המפה. ההיקף במקרה זה מעוצב להערכת כמות המים באזורים אלה. בשנת 2009, חוקר מאלסקה גילה פרמפרפר בגובה 4,700 מ' (15,400 רגל) על הפסגה הגבוהה ביותר באפריקה, הר קילימנג'רו, כ-3 מעלות צפונית לקו המשווה. יסודות על קרקעות פרמפרוסט בקווי הרוחב הללו אינם נדירים.

ים קפוא ותחתית קפואה

פרמפרפר ימית מתרחשת מתחת לקרקעית הים וקיימת על מדפי היבשת הקוטבייםאזורים. אזורים אלו נוצרו בתקופת הקרח האחרונה, כאשר רוב מי כדור הארץ היו כלואים ביריעות קרח ביבשה וגובה פני הים היו נמוכים. ככל שגליונות הקרח נמסו והפכו שוב למי ים, הפך הפרמפרוסט למדפים שקועים בתנאי גבול חמים ומלוחים יחסית בהשוואה לפרמפרוסט על פני השטח. לכן, קידוח תת מימי קיים בתנאים המובילים להפחתה. לדברי אוסטרקאמפ, פרמפרפר תת-מימי הוא גורם ב תכנון, הקמה ותפעול של מתקני חוף, מבני קרקעית ים, איים מלאכותיים, צינורות תת-מימיים ובארות שנקדחו לצורך חיפוש והפקה.

Permafrost משתרע עד לעומק הבסיס, שם החום הגיאותרמי מכדור הארץ וטמפרטורת פני השטח השנתית הממוצעת מגיעים לטמפרטורת שיווי משקל של 0 מעלות צלזיוס. עומקו של בסיס הפרמפרוסט מגיע ל-1,493 מטר (4,898 רגל) באגנים הצפוניים של נהרות לנה ויאנה בסיביר. השיפוע הגיאותרמי הוא קצב העלייה בטמפרטורה ביחס לעלייה בעומק בחלק הפנימי של כדור הארץ. הרחק מגבולות הלוח הטקטוני, הוא נמצא בערך 25-30 מעלות צלזיוס/ק מ ליד פני השטח ברוב מדינות העולם. זה משתנה בהתאם למוליכות התרמית של החומר הגיאולוגי ופחות עבור פרמאפרוסט באדמה מאשר בסלע האם.

קרח באדמה

כאשר תכולת הקרח של פרמפרוסט עולה על 250 אחוז (ממסת קרח לאדמה יבשה), היא מסווגת כקרח מסיבי. גופי קרח עצומים יכולים לנוע בהרכבם בין בוץ קפוא לקרח טהור. לשכבות קרח מסיביות יש עובי מינימלי של לפחות 2 מטרים, קוטר קצר של לפחות 10 מטרים. התצפיות המתועדות הראשונות בצפון אמריקה נעשו על ידי מדענים אירופאים על נהר קנינג באלסקה בשנת 1919. הספרות הרוסית נותנת תאריך מוקדם יותר של 1735 ו-1739 במהלך המשלחת הצפונית הגדולה של פ' לאסיניוס וח' פ' לאפטב, בהתאמה. שתי הקטגוריות של קרח קרקע מסיבי הן קרח משטח קבור ומה שנקרא "קרח תוך-שפך". יצירת יסודות כלשהם על פרמפרוסט מחייבת שלא יהיו קרחונים גדולים בקרבת מקום.

קרח פני השטח הקבור יכול להגיע משלג, אגם קפוא או קרח ים, אופייס (קרח נהר מגולגל) וכנראה הגרסה הנפוצה ביותר היא קרח קרח.

מי תהום קופאים

קרח תוך-דיסטימלי נוצר כתוצאה מקפיאת מי התהום. כאן שורר קרח הפרדה, המתרחש כתוצאה מהתמיינות התגבשות המתרחשת במהלך הקפאת משקעים רטובים. התהליך מלווה בנדידת מים לחזית המקפיאה.

קרח תוך-דיסטימלי (חוקתי) נצפה ונחקר רבות ברחבי קנדה וכולל גם קרח חודרני והזרקה. בנוסף, טריזי קרח, סוג נפרד של קרח טחון, מייצרים מצולעים בדוגמת זיהוי או מצולעי טונדרה. טריזי קרח נוצרים בגיאולוגי קיים מראשמצע. הם תוארו לראשונה ב-1919.

מחזור פחמן

מחזור הפחמן הפרמפרוסט עוסק בהעברת פחמן מקרקעות פרמפרוסט לצמחייה יבשתית וחיידקים, לאטמוספירה, חזרה לצמחייה, ולבסוף חזרה לאדמת הפרמפרוסט דרך קבורה ומשקעים באמצעות תהליכים קריוגניים. חלק מהפחמן הזה מועבר לאוקיינוס ולחלקים אחרים של כדור הארץ דרך מחזור הפחמן העולמי. המחזור כולל חילופי פחמן דו חמצני ומתאן בין רכיבים יבשתיים לאטמוספירה, והובלת פחמן בין יבשה למים בצורה של מתאן, פחמן אורגני מומס, פחמן אנאורגני מומס, חלקיקי פחמן אנאורגניים וחלקיקי פחמן אורגניים.

היסטוריה

הפרמפרפר של הקוטב הצפוני הלך והתכווץ במשך מאות שנים. התוצאה של זה היא הפשרה של הקרקע, שעלולה להיות חלשה יותר, ושחרור מתאן, התורם לעלייה בקצב ההתחממות הגלובלית בלולאת משוב. אזורי התפוצה של קרקעות פרמפרוסט השתנו ללא הרף בהיסטוריה.

במקסימום הקרחוני האחרון, כיסה פרמפרפרת מתמשכת שטח גדול בהרבה מהיום. בצפון אמריקה, רק חגורה צרה מאוד של פרמפרפר התקיימה מדרום למעטה הקרח של ניו ג'רזי בדרום איווה ובצפון מיזורי. הוא היה נרחב באזורים המערביים היבשים יותר, שם הוא השתרע עד לגבול הדרומי של איידהו ואורגון. בחצי הכדור הדרומי, יש כמה עדויות לנצח לשעברפרמפרפר של תקופה זו במרכז אוטגו ובפטגוניה הארגנטינאית, אך כנראה היה בלתי רציף וקשור לטונדרה. פרמפרפרת אלפינית התרחשה גם בדרקנסברג במהלך קיומם של קרחונים מעל 3,000 מטר (9,840 רגל). אף על פי כן, יסודות ויסודות על פרמפרוסט מוקמים אפילו שם.

מבנה הקרקע

אדמה יכולה להיות מורכבת מחומרי מצע רבים, כולל סלע יסוד, משקעים, חומר אורגני, מים או קרח. אדמה קפואה היא כל דבר מתחת לנקודת הקיפאון של מים, בין אם יש מים במצע ובין אם לאו. קרח טחון לא תמיד קיים, כפי שעשוי להיות במקרה של סלע יסוד שאינו נקבובי, אך הוא נפוץ ויכול להיות קיים בכמויות העולות על הרוויה ההידראולית הפוטנציאלית של המצע המופשר.

כתוצאה מכך גוברות הגשמים, מה שבתורו נחלש ואולי קורס מבנים באזורים כמו נורילסק בצפון רוסיה, השוכנת באזור הקרח.

קריסת מדרון

במהלך המאה האחרונה, דווחו מקרים רבים של כשל במדרון האלפיני ברכסי הרים ברחבי העולם. כמות גדולה של נזק מבני צפויה להיות קשורה להמסת פרמפרפר, שלפי ההערכות נגרמת על ידי שינויי אקלים. על פי ההערכות, הפשרת הקדחת תרמה למפולת ואל פולה ב-1987 שהרגה 22 בני אדם באלפים האיטלקיים. גדול ברכסי הריםחלק מהיציבות המבנית עשוי לנבוע מקרחונים וקרחון. ככל שהאקלים מתחמם, הפרמפרפר מפשיר, מה שמוביל למבנה הרים פחות יציב ובסופו של דבר ליותר כשל במדרון. הגדלת הטמפרטורה מאפשרת עומקים עמוקים יותר של השכבה הפעילה, מה שגורר אף יותר חדירת מים. הקרח באדמה נמס, מה שגורם לאובדן חוזק הקרקע, תנועה מואצת וזרימת פסולת פוטנציאלית. לכן, בנייה על פרמפרוסט היא מאוד לא רצויה.

יש גם מידע על נפילות מסיביות של סלעים וקרח (עד 11.8 מיליון מ'³), רעידות אדמה (עד 3.9 מיליון מייל), שיטפונות (עד 7, 8 מיליון מ³ מים) וזרימה מהירה של קרח סלעי. הדבר נגרם מ"אי יציבות של מדרון" בתנאי פרמפרפר ברמות הגבוהות. חוסר יציבות של שיפוע ב-permafrost בטמפרטורות גבוהות ליד קפוא ב-permafrost מתחמם קשורה ללחץ יעיל וללחץ מים נקבובי מוגבר בקרקעות אלו.

פיתוח קרקעות פרמפרוסט

Jason Kea ומחברים משותפים המציאו פיזומטר קשיח חדש ללא מסננים (FRP) למדידת לחץ המים הנקבוביות בקרקעות קפואות חלקית, כגון פרמפרסט מתחמם. הם הרחיבו את השימוש במושג הלחץ האפקטיבי לקרקעות קפואות חלקית לשימוש בניתוח יציבות המדרונות של מדרונות פרמפרוסט מתחממים. ליישום המושג לחץ אפקטיבי יש יתרונות רבים, למשל, היכולת לבנות עליו יסודות ויסודותקרקעות פרמפרסט.

אורגני

באזור המעגל הצפוני, פרמפרסט מכיל 1,700 מיליארד טון של חומר אורגני, כמעט מחצית מכלל החומר האורגני. אגן זה נוצר במשך אלפי שנים והוא נהרס אט אט בתנאים הקרים של הקוטב הצפוני. כמות הפחמן שנסגר בפרמפרוסט היא פי ארבעה מכמות הפחמן המשתחררת לאטמוספירה על ידי פעילות אנושית בעת החדשה.

השלכות

להיווצרות פרמפרוסט יש השלכות משמעותיות על מערכות אקולוגיות, בעיקר בשל הגבלות המוטלות על אזורי שורשים, כמו גם הגבלות על הגיאומטריה של מאורות ומחילות לבעלי חיים הדורשים בתים תת-קרקעיים. השפעות משניות משפיעות על מינים התלויים בצמחים ובבעלי חיים שבית הגידול שלהם מוגבל על ידי קרח. אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר היא השכיחות של אשוח שחור באזורים נרחבים של פרמפרסט, שכן מין זה יכול לסבול התבססות מוגבלת ליד פני השטח.

חישובים של קרקעות פרמפרוסט נעשים לפעמים לצורך ניתוח של חומר אורגני. גרם אחד של אדמה משכבה פעילה יכול להכיל למעלה ממיליארד תאי חיידקים. כאשר מונחים זה לצד זה, חיידקים מקילוגרם אחד של אדמה מהשכבה הפעילה יוצרים שרשרת באורך 1000 ק מ. מספר החיידקים באדמת פרמפרוסט משתנה מאוד, בדרך כלל בין 1 ל-1000 מיליון לגרם אדמה. רוב אלהלא ניתן להתרבות חיידקים ופטריות באדמת פרמפרוסט במעבדה, אך ניתן לחשוף את זהות המיקרואורגניזמים באמצעות שיטות מבוססות DNA.

האזור הארקטי וההתחממות הגלובלית

האזור הארקטי הוא אחד המקורות הטבעיים של גזי חממה מתאן. ההתחממות הגלובלית מאיצה את שחרורו. כמות גדולה של מתאן מאוחסנת בקוטב הצפוני במרבצי גז טבעי, פרמאפרוסט ובצורה של קלתרטים תת-מימיים. מקורות אחרים של מתאן כוללים טליקים צוללים, הובלת נהרות, נסיגת קומפלקס קרח, קרח תת-ימי ומרבצי גז הידראט מתכלה. ניתוח ממוחשב ראשוני מצביע על כך ש-permafrost יכול לייצר פחמן השווה לכ-15% מהפליטות של היום מפעילות אנושית. התחממות והפשרה של מסיבי אדמה הופכים את הבנייה על פרמפרפר למסוכנת עוד יותר.