Tanah beku kekal: kawasan pengedaran, suhu, ciri pembangunan

2024 Pengarang: Henry Conors | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-02-12 11:03

Dari artikel ini, anda akan mempelajari tentang ciri-ciri tanah permafrost yang biasa terdapat di zon permafrost. Dalam geologi, permafrost ialah tanah, termasuk tanah berbatu (kriotik), yang terdapat pada suhu beku 0 °C atau di bawah selama dua tahun atau lebih. Kebanyakan permafrost terletak di latitud tinggi (dalam dan sekitar kawasan Artik dan Antartika), tetapi, sebagai contoh, di Alps ia ditemui di altitud yang lebih tinggi.

Ais tanah tidak selalu ada, seperti yang mungkin berlaku dengan batuan dasar tidak berliang, tetapi ia sering dijumpai dalam kuantiti yang melebihi potensi tepu hidraulik bahan tanah. Permafrost membentuk 0.022% daripada jumlah air di Bumi dan wujud di 24% tanah lapang di Hemisfera Utara. Ia juga berlaku di bawah air di rak benua di benua yang mengelilingi Lautan Artik. Menurut satu kumpulan saintis, peningkatan suhu global 1.5 °C (2.7 °F) melebihi arustahap sudah cukup untuk mula mencairkan permafrost di Siberia.

Kajian

Berbeza dengan kekurangan relatif laporan mengenai tanah beku di Amerika Utara sebelum Perang Dunia II, literatur tentang aspek kejuruteraan permafrost tersedia dalam bahasa Rusia. Bermula pada tahun 1942, Simon William Muller mendalami kesusasteraan berkaitan yang dipegang oleh Perpustakaan Kongres dan Perpustakaan Kajian Geologi Amerika Syarikat untuk menyediakan kerajaan dengan manual kejuruteraan dan laporan teknikal mengenai permafrost menjelang 1943.

Definisi

Permafrost ialah tanah, batu atau sedimen yang telah dibekukan selama lebih daripada dua tahun berturut-turut. Di kawasan yang tidak dilitupi ais, ia wujud di bawah lapisan tanah, batu atau sedimen yang membeku dan mencair setiap tahun dan dipanggil "lapisan aktif". Dalam amalan, ini bermakna permafrost berlaku pada suhu tahunan purata -2 °C (28.4 °F) atau lebih rendah. Ketebalan lapisan aktif berbeza mengikut musim, tetapi berkisar antara 0.3 hingga 4 meter (cetek di sepanjang pantai Artik; jauh di selatan Siberia dan Dataran Tinggi Qinghai-Tibet).

Geografi

Bagaimana pula dengan penyebaran permafrost? Tahap permafrost berbeza mengikut iklim: hari ini di Hemisfera Utara, 24% daripada kawasan tanah bebas ais - bersamaan dengan 19 juta kilometer persegi - lebih kurang terjejas oleh permafrost.

Sedikit lebih separuh daripada kawasan ini dilitupi dengan permafrost berterusan,kira-kira 20 peratus adalah permafrost terputus-putus dan hanya di bawah 30 peratus adalah permafrost sporadis. Kebanyakan wilayah ini terletak di Siberia, utara Kanada, Alaska dan Greenland. Di bawah lapisan aktif, turun naik suhu permafrost tahunan menjadi lebih kecil dengan kedalaman. Kedalaman permafrost yang paling dalam berlaku apabila haba geoterma mengekalkan suhu melebihi paras beku. Di atas had ini, mungkin terdapat permafrost, suhu yang tidak berubah setiap tahun. Ini adalah "permafrost isoterma". Kawasan tanah permafrost kurang sesuai untuk kehidupan manusia yang aktif.

Iklim

Permafrost biasanya terbentuk dalam mana-mana iklim di mana purata suhu udara tahunan adalah di bawah takat beku air. Pengecualian boleh didapati dalam iklim musim sejuk yang basah, seperti di Scandinavia Utara dan timur laut Rusia di barat Ural, di mana salji bertindak sebagai penutup penebat. Kawasan glasier mungkin terkecuali. Oleh kerana semua glasier dipanaskan di pangkalannya oleh haba geoterma, glasier sederhana yang berhampiran takat lebur bertekanan boleh mempunyai air cecair di sempadan dengan tanah. Oleh itu, mereka bebas daripada permafrost. Anomali sejuk "fosil" dalam kecerunan geoterma di kawasan di mana permafrost dalam berkembang semasa Pleistosen berterusan sehingga beberapa ratus meter. Ini terbukti daripada pengukuran suhu perigi di Amerika Utara dan Eropah.

Suhu di bawah tanah

Lazimnya, suhu di bawah tanah berbeza dari musim ke musim kurang daripadasuhu udara. Pada masa yang sama, purata suhu tahunan cenderung meningkat dengan kedalaman akibat kecerunan geoterma kerak bumi. Oleh itu, jika purata suhu udara tahunan hanya di bawah sedikit 0 °C (32 °F), permafrost hanya akan terbentuk di tempat yang dilindungi - biasanya di sebelah utara - mewujudkan permafrost tidak berterusan. Lazimnya, permafrost akan kekal tidak berterusan dalam iklim di mana purata suhu permukaan tanah tahunan ialah -5 hingga 0°C (23 hingga 32°F). Kawasan yang mempunyai musim sejuk basah yang dinyatakan di atas mungkin tidak mempunyai fros kekal yang terputus-putus sehingga -2 °C (28 °F).

Jenis permafrost

Permafrost selalunya dibahagikan lagi kepada permafrost tak selanjar yang meluas, di mana permafrost meliputi 50 hingga 90 peratus landskap dan biasanya ditemui di kawasan dengan purata suhu tahunan -2 hingga -4 °C (28 hingga 25 °F), dan permafrost sporadis, di mana permafrost meliputi kurang daripada 50 peratus landskap dan biasanya berlaku pada purata suhu tahunan antara 0 dan -2 °C (32 dan 28 °F). Dalam sains tanah, zon permafrost sporadis ialah SPZ, manakala zon permafrost tak selanjar yang meluas ialah zon penderiaan jauh. Pengecualian berlaku di Siberia dan Alaska yang tidak berlapis, di mana kedalaman permafrost semasa adalah sisa keadaan iklim semasa Zaman Ais, di mana musim sejuk adalah 11 °C (20 °F) lebih sejuk daripada hari ini.

Suhu permafrost

Apabila purata suhu permukaan tanah tahunan di bawah -5 °C (23 °F), pengaruh aspektidak pernah cukup untuk mencairkan permafrost dan membentuk zon permafrost yang berterusan (pendek kata CPZ). Garisan permafrost berterusan di Hemisfera Utara mewakili sempadan paling selatan di mana tanah diliputi oleh permafrost berterusan atau ais glasier.

Atas sebab yang jelas, mereka bentuk pada permafrost adalah tugas yang amat sukar. Garis permafrost berterusan berubah ke utara atau selatan di seluruh dunia disebabkan oleh perubahan iklim serantau. Di hemisfera selatan, kebanyakan garisan yang setara akan berada di Lautan Selatan jika ada daratan. Kebanyakan benua Antartika dilitupi oleh glasier, di mana kebanyakan rupa bumi tertakluk kepada pencairan di dalam tanah. Tanah Antartika yang terdedah sebahagian besarnya adalah permafrost.

Alps

Anggaran jumlah keluasan zon permafrost di Alps sangat berbeza-beza. Bockheim dan Munro menggabungkan tiga sumber dan membuat anggaran jadual mengikut wilayah (jumlah 3,560,000 km2).

Alpine permafrost di Andes tiada pada peta. Tahap dalam kes ini dimodelkan untuk menganggarkan jumlah air di kawasan ini. Pada tahun 2009, seorang penyelidik Alaska menemui permafrost pada 4,700 m (15,400 kaki) di puncak tertinggi Afrika, Gunung Kilimanjaro, kira-kira 3° utara khatulistiwa. Asas pada tanah permafrost di latitud ini adalah perkara biasa.

Lautan beku dan dasar beku

Permafrost marin berlaku di bawah dasar laut dan wujud di pelantar benua kutubwilayah. Kawasan-kawasan ini terbentuk semasa zaman ais yang lalu, apabila kebanyakan air Bumi terkurung dalam kepingan ais di darat dan paras laut adalah rendah. Apabila kepingan ais cair dan menjadi air laut semula, permafrost menjadi rak tenggelam di bawah keadaan sempadan yang agak panas dan masin berbanding dengan permafrost di permukaan. Oleh itu, permafrost bawah air wujud dalam keadaan yang membawa kepada pengurangannya. Menurut Osterkamp, permafrost bawah laut ialah faktor dalam reka bentuk, pembinaan dan operasi kemudahan pantai, struktur dasar laut, pulau buatan, saluran paip dasar laut dan telaga yang digerudi untuk penerokaan dan pengeluaran.

Permafrost memanjang ke kedalaman asas, di mana haba geoterma dari Bumi dan purata suhu permukaan tahunan mencapai suhu keseimbangan 0 °C. Kedalaman asas permafrost mencapai 1,493 meter (4,898 kaki) di lembangan utara sungai Lena dan Yana di Siberia. Kecerunan geoterma ialah kadar peningkatan suhu berbanding peningkatan kedalaman di pedalaman Bumi. Jauh dari sempadan plat tektonik, ia adalah kira-kira 25-30 °C/km berhampiran permukaan di kebanyakan negara di dunia. Ia berbeza mengikut kekonduksian terma bahan geologi dan kurang bagi permafrost dalam tanah berbanding batuan dasar.

Ais dalam tanah

Apabila kandungan ais permafrost melebihi 250 peratus (dari jisim ais ke tanah kering), ia dikelaskan sebagaiais besar-besaran. Badan ais yang besar boleh terdiri daripada komposisi daripada lumpur berais kepada ais tulen. Lapisan ais besar mempunyai ketebalan minimum sekurang-kurangnya 2 meter, diameter pendek sekurang-kurangnya 10 meter. Penampakan pertama yang direkodkan di Amerika Utara dibuat oleh saintis Eropah di Sungai Canning di Alaska pada tahun 1919. Kesusasteraan Rusia memberikan tarikh awal 1735 dan 1739 semasa Ekspedisi Besar Utara P. Lassinius dan Kh. P. Laptev, masing-masing. Dua kategori ais tanah yang besar ialah ais permukaan yang tertimbus dan apa yang dipanggil "ais dalam gudang". Penciptaan mana-mana asas pada permafrost memerlukan tiada glasier besar berdekatan.

Ais permukaan yang tertimbus boleh datang daripada salji, tasik beku atau ais laut, aufeis (ais sungai yang digulung) dan mungkin varian yang paling biasa ialah ais glasier terkubur.

Pembekuan air bawah tanah

Ais intradiestimal terbentuk akibat pembekuan air bawah tanah. Di sini, ais pengasingan berlaku, yang berlaku akibat pembezaan penghabluran yang berlaku semasa pembekuan kerpasan basah. Proses ini disertai dengan penghijrahan air ke bahagian hadapan beku.

Ais intradiesimal (perlembagaan) telah diperhatikan dan dikaji secara meluas di seluruh Kanada dan juga termasuk ais penceroboh dan suntikan. Selain itu, baji ais, sejenis ais tanah yang berasingan, menghasilkan poligon bercorak atau poligon tundra yang boleh dikenali. Baji ais terbentuk dalam geologi yang sedia adasubstrat. Ia pertama kali diterangkan pada tahun 1919.

Kitaran karbon

Kitaran karbon permafrost berkenaan dengan pemindahan karbon daripada tanah permafrost kepada tumbuh-tumbuhan dan mikrob darat, ke atmosfera, kembali kepada tumbuh-tumbuhan, dan akhirnya kembali ke tanah permafrost melalui pengebumian dan pemendakan melalui proses kriogenik. Sebahagian daripada karbon ini dipindahkan ke lautan dan bahagian lain di dunia melalui kitaran karbon global. Kitaran ini merangkumi pertukaran karbon dioksida dan metana antara komponen daratan dan atmosfera, dan pengangkutan karbon antara tanah dan air dalam bentuk metana, karbon organik terlarut, karbon tak organik terlarut, zarah karbon tak organik dan zarah karbon organik.

Sejarah

Permafrost Artik telah mengecut selama berabad-abad. Akibatnya ialah pencairan tanah, yang mungkin lebih lemah, dan pembebasan metana, yang menyumbang kepada peningkatan kadar pemanasan global dalam gelung maklum balas. Kawasan taburan tanah permafrost sentiasa berubah dalam sejarah.

Pada maksimum glasier terakhir, permafrost berterusan meliputi kawasan yang lebih besar daripada hari ini. Di Amerika Utara, hanya satu jalur permafrost yang sangat sempit wujud di selatan lembaran ais latitud New Jersey di selatan Iowa dan utara Missouri. Ia meluas di kawasan barat yang lebih kering, di mana ia meluas ke sempadan selatan Idaho dan Oregon. Di hemisfera selatan, terdapat beberapa bukti bekas yang kekalpermafrost tempoh ini di Otago tengah dan di Patagonia Argentina, tetapi ia mungkin tidak berterusan dan dikaitkan dengan tundra. Permafrost alpine juga berlaku di Drakensberg semasa kewujudan glasier melebihi 3,000 meter (9,840 kaki). Namun begitu, asas dan asas pada permafrost sedang ditubuhkan walaupun di sana.

Struktur tanah

Tanah boleh terdiri daripada banyak bahan substrat, termasuk batuan dasar, sedimen, bahan organik, air atau ais. Tanah beku ialah apa-apa yang berada di bawah takat beku air, sama ada air terdapat dalam substrat atau tidak. Ais tanah tidak selalu ada, seperti yang mungkin berlaku untuk batuan dasar tidak berliang, tetapi ia adalah perkara biasa dan mungkin terdapat dalam kuantiti yang melebihi potensi tepu hidraulik substrat yang dicairkan.

Akibatnya, hujan semakin meningkat, yang seterusnya semakin lemah dan berkemungkinan runtuh bangunan di kawasan seperti Norilsk di utara Rusia, yang terletak di zon permafrost.

Cerun runtuh

Sepanjang abad yang lalu, terdapat banyak kes kegagalan cerun alpine yang dilaporkan di banjaran gunung di seluruh dunia. Sejumlah besar kerosakan struktur dijangka dikaitkan dengan pencairan permafrost, yang dipercayai disebabkan oleh perubahan iklim. Pencairan permafrost dipercayai telah menyumbang kepada tanah runtuh Val Pola 1987 yang mengorbankan 22 orang di Pergunungan Alps Itali. Besar dalam banjaran gunungsebahagian daripada kestabilan struktur mungkin disebabkan oleh glasier dan permafrost. Apabila iklim menjadi panas, permafrost mencair, membawa kepada struktur gunung yang kurang stabil dan akhirnya lebih banyak kegagalan cerun. Meningkatkan suhu membolehkan kedalaman lapisan aktif yang lebih dalam, yang memerlukan lebih banyak penembusan air. Ais di dalam tanah mencair, menyebabkan kehilangan kekuatan tanah, pergerakan yang dipercepatkan, dan potensi aliran serpihan. Oleh itu, pembinaan pada permafrost adalah sangat tidak diingini.

Terdapat juga maklumat tentang kejatuhan besar batu dan ais (sehingga 11.8 juta m³), gempa bumi (sehingga 3.9 juta batu), banjir (sehingga 7, 8 juta m³ air) dan aliran ais berbatu yang laju. Ini disebabkan oleh "ketidakstabilan cerun" dalam keadaan permafrost di tanah tinggi. Ketidakstabilan cerun dalam permafrost pada suhu tinggi yang menghampiri pembekuan dalam memanaskan permafrost dikaitkan dengan tegasan berkesan dan peningkatan tekanan air liang dalam tanah ini.

Pembangunan tanah permafrost

Jason Kea dan pengarang bersama telah mencipta piezometer tegar tanpa penapis (FRP) baharu untuk mengukur tekanan air liang dalam tanah separa beku seperti memanaskan permafrost. Mereka memperluaskan penggunaan konsep tegasan berkesan kepada tanah separa beku untuk digunakan dalam analisis kestabilan cerun bagi memanaskan cerun permafrost. Aplikasi konsep tekanan berkesan mempunyai banyak kelebihan, contohnya, keupayaan untuk membina asas dan asas padatanah permafrost.

Organik

Di kawasan circumpolar utara, permafrost mengandungi 1,700 bilion tan bahan organik, hampir separuh daripada semua bahan organik. Lembangan ini telah dicipta selama beribu tahun dan perlahan-lahan dimusnahkan dalam keadaan sejuk di Artik. Jumlah karbon yang diasingkan dalam permafrost adalah empat kali ganda jumlah karbon yang dibebaskan ke atmosfera oleh aktiviti manusia pada zaman moden.

Akibat

Pembentukan permafrost mempunyai implikasi yang ketara untuk sistem ekologi, terutamanya disebabkan oleh sekatan yang diletakkan pada zon akar, serta sekatan pada geometri sarang dan lubang untuk fauna yang memerlukan rumah bawah tanah. Kesan sekunder menjejaskan spesies yang bergantung kepada tumbuhan dan haiwan yang habitatnya terhad oleh permafrost. Salah satu contoh yang paling biasa ialah kelaziman cemara hitam di kawasan permafrost yang luas, kerana spesies ini boleh bertolak ansur dengan pembentukan yang terhad berhampiran permukaan.

Pengiraan tanah permafrost kadangkala dibuat untuk analisis bahan organik. Satu gram tanah dari lapisan aktif boleh mengandungi lebih satu bilion sel bakteria. Apabila diletakkan di sepanjang satu sama lain, bakteria dari satu kilogram tanah lapisan aktif membentuk rantai sepanjang 1000 km. Bilangan bakteria dalam tanah permafrost berbeza-beza, biasanya antara 1 dan 1000 juta setiap gram tanah. Kebanyakan inibakteria dan kulat dalam tanah permafrost tidak boleh dibiakkan di makmal, tetapi identiti mikroorganisma boleh didedahkan menggunakan kaedah berasaskan DNA.

Wilayah Artik dan pemanasan global

Wilayah Artik ialah salah satu sumber semula jadi gas rumah hijau metana. Pemanasan global mempercepatkan pelepasannya. Sebilangan besar metana disimpan di Artik dalam endapan gas asli, permafrost dan dalam bentuk klatrat bawah air. Sumber lain metana termasuk talik dasar laut, pengangkutan sungai, pengunduran kompleks ais, permafros dasar laut, dan mendapan hidrat gas yang mereput. Analisis komputer awal menunjukkan bahawa permafrost boleh menghasilkan karbon bersamaan dengan kira-kira 15 peratus daripada pelepasan hari ini daripada aktiviti manusia. Memanaskan dan mencairkan jisim tanah menjadikan bangunan di atas permafrost lebih berbahaya.