خاک های یخ زده ابدی: مناطق توزیع، دما، ویژگی های توسعه

2024 نویسنده: Henry Conors | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-12 06:31

از این مقاله با ویژگی های خاک های همیشه منجمد رایج در مناطق همیشه منجمد آشنا خواهید شد. در زمین شناسی، منجمد دائمی به زمین، از جمله خاک سنگی (کریوتیک) گفته می شود که در دمای انجماد 0 درجه سانتی گراد یا کمتر به مدت دو سال یا بیشتر وجود دارد. بیشتر یخ‌های دائمی در عرض‌های جغرافیایی بالا (در داخل و اطراف مناطق قطب شمال و قطب جنوب) قرار دارند، اما، برای مثال، در کوه‌های آلپ در ارتفاعات بالاتر یافت می‌شوند.

یخ زمین همیشه وجود ندارد، همانطور که ممکن است در مورد سنگ بستر غیر متخلخل باشد، اما اغلب در مقادیری بیش از اشباع هیدرولیکی بالقوه مواد زمین یافت می شود. منجمد دائمی 0.022٪ از کل آب روی زمین را تشکیل می دهد و در 24٪ از زمین های باز در نیمکره شمالی وجود دارد. همچنین در زیر آب در قفسه های قاره قاره های اطراف اقیانوس منجمد شمالی رخ می دهد. به گفته یک گروه از دانشمندان، افزایش دمای جهانی 1.5 درجه سانتیگراد (2.7 درجه فارنهایت) بالاتر از دمای فعلیسطوح برای شروع یخ زدگی دائمی در سیبری کافی خواهد بود.

مطالعه

برخلاف کمبود نسبی گزارش‌ها در مورد خاک‌های یخ‌زده در آمریکای شمالی قبل از جنگ جهانی دوم، ادبیات مربوط به جنبه‌های مهندسی منجمد دائمی به زبان روسی در دسترس بود. در آغاز سال 1942، سایمون ویلیام مولر در متون مرتبطی که توسط کتابخانه کنگره و کتابخانه سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده نگهداری می‌شد، تحقیق کرد تا تا سال 1943 یک کتابچه راهنمای مهندسی و گزارش فنی در مورد منجمد دائمی به دولت ارائه کند.

تعریف

Permafrost خاک، سنگ یا رسوبی است که بیش از دو سال متوالی منجمد شده است. در مناطق غیر پوشیده از یخ، آنها در زیر لایه ای از خاک، سنگ یا رسوب وجود دارند که هر سال یخ زده و ذوب می شوند و به آن "لایه فعال" می گویند. در عمل، این بدان معناست که دائمی یخبندان در دمای متوسط سالانه 2- درجه سانتیگراد (28.4 درجه فارنهایت) یا کمتر رخ می دهد. ضخامت لایه فعال با فصل متفاوت است، اما از 0.3 تا 4 متر متغیر است (کم عمق در امتداد سواحل قطب شمال، در اعماق سیبری جنوبی و فلات چینگهای-تبت).

جغرافیا

در مورد گسترش یخبندان دائمی چطور؟ وسعت یخ های دائمی بسته به آب و هوا متفاوت است: امروزه در نیمکره شمالی، 24 درصد از زمین های عاری از یخ - معادل 19 میلیون کیلومتر مربع - کم و بیش تحت تأثیر یخ های دائمی قرار دارد.

کمی بیش از نیمی از این منطقه با یخ‌های دائمی پوشیده شده است.حدود 20 درصد آن را منجمد دائمی ناپیوسته و کمتر از 30 درصد آن را پرمافراست پراکنده تشکیل می دهند. بیشتر این قلمرو در سیبری، شمال کانادا، آلاسکا و گرینلند واقع شده است. در زیر لایه فعال، نوسانات سالانه دمای منجمد دائمی با عمق کمتر می شود. عمیق ترین عمق منجمد دائمی در جایی اتفاق می افتد که گرمای زمین گرمایی دما را بالاتر از نقطه انجماد نگه می دارد. بالاتر از این حد، ممکن است دائمی یخبندان وجود داشته باشد که دمای آن سالانه تغییر نمی کند. این "یخبندان دائمی همدما" است. مناطقی از خاک های همیشه منجمد برای زندگی فعال انسان مناسب نیستند.

اقلیم

یخبندان دائمی معمولاً در هر آب و هوایی که میانگین دمای هوای سالانه آن زیر نقطه انجماد آب است تشکیل می شود. استثناها را می توان در آب و هوای مرطوب زمستانی، مانند شمال اسکاندیناوی و شمال شرقی روسیه در غرب اورال، جایی که برف به عنوان یک پوشش عایق عمل می کند، یافت. مناطق یخبندان ممکن است استثنا باشند. از آنجایی که همه یخچال‌ها در پایه‌های خود توسط گرمای زمین گرمایی گرم می‌شوند، یخچال‌های معتدل که نزدیک نقطه ذوب تحت فشار خود هستند، می‌توانند آب مایع در مرز زمین داشته باشند. بنابراین، آنها عاری از یخ‌زدگی دائمی هستند. ناهنجاری های سرمای "فسیلی" در شیب زمین گرمایی در مناطقی که یخ های عمیق دائمی در طی پلیستوسن ایجاد شده اند تا چند صد متر ادامه دارند. این از اندازه گیری دمای چاه در آمریکای شمالی و اروپا مشهود است.

دمای زیرزمین

معمولا دمای زیر زمین از فصلی به فصل دیگر کمتر از آن تغییر می کنددمای هوا. در عین حال، میانگین دمای سالانه با افزایش عمق در نتیجه شیب زمین گرمایی پوسته زمین تمایل دارد. بنابراین، اگر میانگین دمای سالانه هوا فقط کمی کمتر از 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) باشد، منجمد دائمی فقط در مکانهایی تشکیل می شود که محافظت شده - معمولاً در سمت شمالی - ایجاد منجمد دائمی ناپیوسته. به طور معمول، منجمد دائمی در اقلیم هایی که میانگین دمای سالانه سطح خاک 5- تا 0 درجه سانتی گراد (23 تا 32 درجه فارنهایت) است، ناپیوسته باقی می ماند. مناطقی که زمستان‌های مرطوب ذکر شده در بالا ذکر شد ممکن است حتی تا 2- درجه سانتیگراد (28 درجه فارنهایت) دارای یخبندان متناوب نباشند.

انواع پرمافراست

Permafrost اغلب به یخبندان دائمی ناپیوسته گسترده تقسیم می شود، جایی که یخبندان دائمی ۵۰ تا ۹۰ درصد از چشم انداز را پوشش می دهد و معمولاً در مناطقی با میانگین دمای سالانه ۲- تا -۴ درجه سانتی گراد (۲۸ تا ۲۵ درجه فارنهایت) یافت می شود. و پرمافراست پرماکت، که در آن یخ‌های دائمی کمتر از 50 درصد از چشم‌انداز را پوشش می‌دهند و معمولاً در دمای متوسط سالانه بین 0 تا -2 درجه سانتی‌گراد (32 و 28 درجه فارنهایت) رخ می‌دهند. در علم خاک، منطقه پرمافراست پرمافراست SPZ است، در حالی که منطقه منجمد دائمی ناپیوسته گسترده منطقه سنجش از دور است. استثنائات در سیبری بدون لعاب و آلاسکا رخ می دهد، جایی که عمق فعلی یخبندان باقیمانده از شرایط آب و هوایی در طول عصر یخبندان است، جایی که زمستان ها 11 درجه سانتی گراد (20 درجه فارنهایت) سردتر از امروز بود.

دمای همیشه منجمد

وقتی میانگین دمای سالانه سطح خاک زیر -5 درجه سانتیگراد (23 درجه فارنهایت) است، تأثیر این جنبههرگز نمی تواند برای ذوب یخ دائمی و تشکیل یک منطقه دائمی منجمد (به اختصار CPZ) کافی باشد. خط دائمی منجمد پیوسته در نیمکره شمالی جنوبی ترین مرز را نشان می دهد که در آن زمین توسط یخ های دائمی یا یخبندان پوشیده شده است.

به دلایل واضح، طراحی روی پرمافراست کار بسیار دشواری است. خط پیوسته منجمد دائمی در سراسر جهان به دلیل تغییرات آب و هوایی منطقه ای در حال تغییر به سمت شمال یا جنوب است. در نیمکره جنوبی، اگر خشکی وجود داشت، بیشتر خط معادل در اقیانوس جنوبی خواهد بود. بیشتر قاره قطب جنوب توسط یخچال های طبیعی پوشیده شده است که در زیر آنها بیشتر زمین در معرض ذوب شدن در زمین است. سرزمین در معرض دید قطب جنوب عمدتاً منجمد دائمی است.

Alps

تخمین‌ها از مساحت کل منطقه منجمد دائمی در آلپ بسیار متفاوت است. بوکهیم و مونرو سه منبع را با هم ترکیب کردند و تخمین‌های جدولی را بر اساس منطقه انجام دادند (در مجموع 3,560,000 کیلومتر مربع).

یخبندان دائمی آلپ در آند روی نقشه وجود نداشت. وسعت در این مورد برای تخمین مقدار آب در این مناطق مدل شده است. در سال 2009، یک محقق آلاسکایی، منجمد دائمی را در ارتفاع 4700 متری (15400 فوت) در بلندترین قله آفریقا، کوه کلیمانجارو، در حدود 3 درجه شمالی از خط استوا کشف کرد. پایه گذاری روی خاک های همیشه منجمد در این عرض های جغرافیایی غیر معمول نیست.

دریاهای یخ زده و کف یخ زده

یخبندان دریایی در زیر بستر دریا رخ می دهد و در قفسه های قاره قطبی وجود دارد.مناطق این مناطق در آخرین عصر یخبندان، زمانی که بیشتر آب زمین در لایه های یخی در خشکی محبوس شده بود و سطح دریاها پایین بود، شکل گرفتند. همانطور که ورقه های یخ ذوب شدند و دوباره به آب دریا تبدیل شدند، منجمد دائمی در شرایط مرزی نسبتاً گرم و شور در مقایسه با یخ های دائمی در سطح، به قفسه های زیر آب تبدیل شد. بنابراین، همیشه منجمد زیر آب در شرایطی وجود دارد که منجر به کاهش آن می شود. طبق گفته Osterkamp، منجمد زیر دریا عاملی در «طراحی، ساخت و بهره برداری از تأسیسات ساحلی، سازه های بستر دریا، جزایر مصنوعی، خطوط لوله زیر دریا و چاه های حفر شده برای اکتشاف و تولید است.

پرمافراست تا اعماق پایه گسترش می یابد، جایی که گرمای زمین گرمایی از زمین و میانگین دمای سطح سالانه به دمای تعادل صفر درجه سانتی گراد می رسد. عمق پایه منجمد دائمی در حوضه های شمالی رودخانه های لنا و یانا در سیبری به 1493 متر (4898 فوت) می رسد. گرادیان زمین گرمایی نرخ افزایش دما نسبت به افزایش عمق در داخل زمین است. دور از مرزهای صفحه تکتونیکی، در بیشتر کشورهای جهان در حدود 25-30 درجه سانتیگراد در هر کیلومتر نزدیک به سطح است. با رسانایی حرارتی مواد زمین شناسی متفاوت است و برای همیشه یخبندان در خاک نسبت به سنگ بستر کمتر است.

یخ در خاک

وقتی محتوای یخ دائمی یخ از 250 درصد (از توده یخ گرفته تا خاک خشک) فراتر رود، به عنوان طبقه بندی می شود.یخ عظیم اجسام یخی عظیم می توانند در ترکیبات مختلف از گل یخی تا یخ خالص متفاوت باشند. لایه های عظیم یخ دارای حداقل ضخامت حداقل 2 متر و قطر کوتاه حداقل 10 متر هستند. اولین مشاهدات ثبت شده در آمریکای شمالی توسط دانشمندان اروپایی در رودخانه کنینگ در آلاسکا در سال 1919 انجام شد. ادبیات روسی تاریخ اولیه‌تری را به ترتیب در سال‌های 1735 و 1739 در طی اکسپدیشن بزرگ شمالی P. Lassinius و Kh. P. Laptev ذکر می‌کند. دو دسته یخ های عظیم زمینی، یخ های سطحی مدفون و به اصطلاح «یخ های درون ریخته ای» هستند. ایجاد هر گونه پایه ای بر روی منجمد دائمی مستلزم آن است که یخچال های طبیعی در نزدیکی آن وجود نداشته باشد.

یخ های سطحی مدفون می تواند از برف، یخ دریاچه یا دریای یخ زده، aufeis (یخ رودخانه نورد شده) و احتمالاً رایج ترین نوع یخ یخبندان مدفون باشد.

یخ زدگی آب های زیرزمینی

یخ درون تخمی در نتیجه یخ زدن آب های زیرزمینی تشکیل می شود. در اینجا، یخ جداسازی غالب است، که در نتیجه تمایز کریستالیزاسیونی که در هنگام انجماد بارش مرطوب رخ می دهد، رخ می دهد. این فرآیند با مهاجرت آب به جبهه یخبندان همراه است.

یخ داخل تخمی (قانونی) به طور گسترده در سراسر کانادا مشاهده و مطالعه شده است و همچنین شامل یخ نفوذی و تزریقی است. علاوه بر این، گوه های یخی، یک نوع جداگانه از یخ زمین، چند ضلعی های طرح دار یا چند ضلعی های توندرا قابل تشخیص را تولید می کنند. گوه های یخی در یک زمین شناسی از قبل موجود تشکیل می شوندلایه. آنها برای اولین بار در سال 1919 توصیف شدند.

چرخه کربن

چرخه کربن دائمی منجمد با انتقال کربن از خاک های همیشه منجمد به پوشش گیاهی و میکروب های زمینی، به اتمسفر، بازگشت به پوشش گیاهی، و در نهایت بازگشت به خاک دائمی منجمد از طریق دفن و بارش از طریق فرآیندهای برودتی مرتبط است. بخشی از این کربن از طریق چرخه جهانی کربن به اقیانوس و سایر نقاط کره زمین منتقل می شود. این چرخه شامل تبادل دی اکسید کربن و متان بین اجزای زمین و جو و انتقال کربن بین خشکی و آب به شکل متان، کربن آلی محلول، کربن معدنی محلول، ذرات کربن معدنی و ذرات کربن آلی است.

تاریخ

منجمد دائمی قطب شمال در طول قرن ها در حال کاهش است. پیامد این امر ذوب شدن خاک است که ممکن است ضعیف تر باشد و آزاد شدن متان که به افزایش نرخ گرمایش جهانی در یک حلقه بازخورد کمک می کند. نواحی پراکنش خاک‌های منجمد دائماً در تاریخ تغییر کرده است.

در آخرین ماکزیمم یخبندان، منجمد دائمی پیوسته منطقه بسیار بزرگتری را نسبت به امروز پوشانده است. در آمریکای شمالی، تنها یک کمربند بسیار باریک از منجمد دائمی در جنوب صفحه یخی نیوجرسی در جنوب آیووا و شمال میسوری وجود داشت. در مناطق خشکتر غربی گسترده بود، جایی که تا مرز جنوبی آیداهو و اورگان امتداد داشت. در نیمکره جنوبی، شواهدی از ابدی سابق وجود داردمنجمد دائمی این دوره در مرکز اوتاگو و در پاتاگونیای آرژانتین، اما احتمالاً ناپیوسته و مرتبط با تندرا بوده است. یخ‌های دائمی آلپ نیز در طول وجود یخچال‌های طبیعی بالای 3000 متر (9840 فوت) در Drakensberg رخ داده است. با این وجود، پایه‌ها و پایه‌های روی منجمد دائمی حتی در آنجا ایجاد می‌شوند.

ساختار خاک

خاک می تواند از بسیاری از مواد بستر، از جمله سنگ بستر، رسوب، مواد آلی، آب یا یخ تشکیل شده باشد. زمین یخ زده هر چیزی است که زیر نقطه انجماد آب باشد، خواه آب در بستر وجود داشته باشد یا نباشد. یخ زمین همیشه وجود ندارد، همانطور که ممکن است در مورد سنگ بستر غیر متخلخل وجود داشته باشد، اما رایج است و ممکن است در مقادیری بیش از اشباع هیدرولیکی بالقوه زیرلایه ذوب شده وجود داشته باشد.

در نتیجه، بارندگی در حال افزایش است، که به نوبه خود باعث تضعیف و احتمالاً فروریختن ساختمان‌ها در مناطقی مانند نوریلسک در شمال روسیه، که در منطقه همیشه منجمد قرار دارد، می‌شود.

ریزش شیب

در طول قرن گذشته، موارد بسیاری از شکست دامنه های آلپ در رشته کوه ها در سراسر جهان گزارش شده است. انتظار می رود میزان زیادی از آسیب های ساختاری با ذوب شدن یخ های دائمی مرتبط باشد، که تصور می شود ناشی از تغییرات آب و هوایی باشد. اعتقاد بر این است که ذوب منجمد دائمی در رانش زمین وال پولا در سال 1987 که منجر به کشته شدن 22 نفر در آلپ ایتالیا شد، نقش داشته است. بزرگ در رشته کوهبخشی از پایداری ساختاری ممکن است ناشی از یخچال‌ها و یخ‌های دائمی باشد. با گرم شدن آب و هوا، یخ‌های دائمی ذوب می‌شوند که منجر به ساختار کوهستانی کمتر پایدار و در نهایت شکست شیب بیشتر می‌شود. افزایش دما باعث می شود اعماق لایه فعال بیشتر شود که مستلزم نفوذ بیشتر آب است. یخ در خاک ذوب می شود و باعث از بین رفتن استحکام خاک، تسریع حرکت و جاری شدن زباله های بالقوه می شود. بنابراین، ساخت و ساز بر روی پرمافراست بسیار نامطلوب است.

همچنین اطلاعاتی در مورد ریزش‌های عظیم سنگ‌ها و یخ‌ها (تا 11.8 میلیون متر³)، زلزله (تا 3.9 میلیون مایل)، سیل (تا 7، 8 میلیون متر ³ آب) و جریان سریع یخ سنگی. این به دلیل "ناپایداری شیب" در شرایط دائمی یخبندان در ارتفاعات ایجاد می شود. ناپایداری شیب در منجمد دائمی در دماهای بالا نزدیک به انجماد در گرمایش دائمی منجمد با تنش مؤثر و افزایش فشار آب منفذی در این خاک‌ها مرتبط است.

توسعه خاکهای همیشه منجمد

Jason Kea و همکارانش یک پیزومتر صلب بدون فیلتر جدید (FRP) برای اندازه‌گیری فشار آب منفذی در خاک‌های نیمه منجمد مانند گرم کردن دائمی یخ‌ها اختراع کرده‌اند. آنها استفاده از مفهوم تنش موثر را به خاک های نیمه منجمد برای استفاده در تجزیه و تحلیل پایداری شیب شیب های گرم شدن دائمی منجمد گسترش دادند. به کارگیری مفهوم استرس موثر مزایای زیادی دارد، به عنوان مثال توانایی ایجاد پایه و اساس بر رویخاک های همیشه منجمد.

ارگانیک

در ناحیه شمال قطبی، منجمد دائمی حاوی 1700 میلیارد تن مواد آلی است که تقریباً نیمی از کل مواد آلی است. این حوضه در طول هزاران سال ایجاد شده است و به آرامی در شرایط سرد قطب شمال در حال نابودی است. مقدار کربنی که در منجمد دائمی ذخیره می‌شود، چهار برابر کربن آزاد شده در جو توسط فعالیت‌های انسان در دوران مدرن است.

پیامدها

تشکیل منجمد دائمی پیامدهای قابل توجهی برای سیستم‌های اکولوژیکی دارد، عمدتاً به دلیل محدودیت‌های اعمال شده در مناطق ریشه، و همچنین محدودیت‌هایی در هندسه لانه‌ها و حفره‌های جانوری که به خانه‌های زیرزمینی نیاز دارند. تأثیرات ثانویه بر گونه‌های وابسته به گیاهان و جانورانی که زیستگاه آنها توسط یخ‌های دائمی محدود شده است، تأثیر می‌گذارد. یکی از رایج ترین نمونه ها، شیوع صنوبر سیاه در مناطق وسیعی از منجمد دائمی است، زیرا این گونه می تواند استقرار محدود در نزدیکی سطح را تحمل کند.

محاسبات خاک های همیشه منجمد گاهی اوقات برای تجزیه و تحلیل مواد آلی انجام می شود. یک گرم خاک از یک لایه فعال می تواند حاوی بیش از یک میلیارد سلول باکتری باشد. هنگامی که در امتداد یکدیگر قرار می گیرند، باکتری ها از یک کیلوگرم خاک لایه فعال، زنجیره ای به طول 1000 کیلومتر را تشکیل می دهند. تعداد باکتری ها در خاک دائمی منجمد به طور گسترده ای متفاوت است، به طور معمول بین 1 تا 1000 میلیون در هر گرم خاک. بیشتر اینهاباکتری ها و قارچ ها در خاک همیشه منجمد را نمی توان در آزمایشگاه کشت، اما هویت میکروارگانیسم ها را می توان با استفاده از روش های مبتنی بر DNA آشکار کرد.

منطقه قطب شمال و گرمایش جهانی

منطقه قطب شمال یکی از منابع طبیعی گازهای گلخانه ای متان است. گرمایش جهانی در حال تسریع انتشار آن است. مقدار زیادی متان در قطب شمال در ذخایر گاز طبیعی، منجمد دائمی و به شکل clathrates زیر آب ذخیره می شود. منابع دیگر متان عبارتند از: تالک های زیردریایی، حمل و نقل رودخانه ای، عقب نشینی مجتمع یخی، منجمد دائمی زیردریایی، و رسوبات هیدرات گازی در حال پوسیدگی. تجزیه و تحلیل کامپیوتری اولیه نشان می دهد که همیشه منجمد می تواند کربنی معادل حدود 15 درصد از انتشارات امروزی ناشی از فعالیت های انسانی تولید کند. گرم شدن و آب شدن توده‌های خاک، ساختمان‌سازی روی منجمد دائمی را خطرناک‌تر می‌کند.