Igavesti külmunud mullad: levikualad, temperatuur, arenguomadused

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-12 06:15

Sellest artiklist saate teada igikeltsa muldade omaduste kohta, mis on levinud igikeltsa tsoonides. Geoloogias on igikelts maa, sealhulgas kivine (krüootne) pinnas, mis on külmumistemperatuuril 0 °C või alla selle kaks või enam aastat. Suurem osa igikeltsast asub kõrgetel laiuskraadidel (Arktika ja Antarktika piirkondades ja nende ümbruses), kuid näiteks Alpides leidub seda kõrgematel kõrgustel.

Maajää ei ole alati olemas, nagu võib juhtuda mittepoorsete aluspõhjakivimite puhul, kuid seda leidub sageli kogustes, mis ületavad maapinna materjali potentsiaalset hüdraulilist küllastumist. Igikelts moodustab 0,022% kogu veest Maal ja seda leidub 24% põhjapoolkera avatud maast. Seda esineb ka Põhja-Jäämerd ümbritsevate kontinentide mandrilavadel vee all. Ühe teadlaste rühma sõnul tõuseb globaalne temperatuur 1,5 °C (2,7 °F) üle praegusetasemest piisab, et alustada igikeltsa sulatamist Siberis.

Uuring

Vastupidiselt sellele, et Põhja-Ameerikas enne II maailmasõda oli suhteliselt vähe teateid külmunud muldade kohta, oli igikeltsa tehnilisi aspekte käsitlev kirjandus saadaval vene keeles. Alates 1942. aastast süvenes Simon William Muller Kongressi raamatukogu ja Ameerika Ühendriikide Geoloogiakeskuse raamatukogu valduses olevasse kirjandusse, et anda valitsusele 1943. aastaks insenerijuhend ja tehniline aruanne igikeltsa kohta.

Definitsioon

Igikelts on muld, kivim või sete, mis on külmunud rohkem kui kaks aastat järjest. Jääga mitte kaetud aladel asuvad need mulla, kivimi või settekihi all, mis külmub ja sulab igal aastal ja mida nimetatakse "aktiivseks kihiks". Praktikas tähendab see, et igikelts tekib aasta keskmisel temperatuuril -2 °C (28,4 °F) või madalamal. Aktiivse kihi paksus varieerub sõltuv alt aastaajast, kuid jääb vahemikku 0,3–4 meetrit (madal piki Arktika rannikut; sügaval Lõuna-Siberis ja Qinghai-Tiibeti platool).

Geograafia

Aga igikeltsa levik? Igikeltsa ulatus on kliimati erinev: tänapäeval on põhjapoolkeral 24% jäävabast maismaast, mis võrdub 19 miljoni ruutkilomeetriga, rohkemal või vähemal määral igikeltsast mõjutatud.

Veidi üle poole sellest alast on kaetud pideva igikeltsaga,umbes 20 protsenti on katkendlik igikelts ja veidi alla 30 protsendi juhuslik igikelts. Suurem osa sellest territooriumist asub Siberis, Põhja-Kanadas, Alaskal ja Gröönimaal. Aktiivse kihi all muutuvad iga-aastased igikeltsa temperatuurikõikumised sügavusega väiksemaks. Igikeltsa sügavaim sügavus tekib seal, kus geotermiline soojus hoiab temperatuuri üle külmumise. Üle selle piiri võib esineda igikeltsa, mille temperatuur ei muutu aastas. See on "isotermiline igikelts". Igikeltsa muldade alad ei sobi aktiivseks inimeluks.

Kliima

Igikelts tekib tavaliselt igas kliimas, kus aasta keskmine õhutemperatuur on alla vee külmumispunkti. Erandiks võib olla talvine niiske kliima, näiteks Põhja-Skandinaavias ja Uuralitest läänes asuvas Kirde-Venemaal, kus lumi toimib isoleeriva kattena. Erandiks võivad olla liustikualad. Kuna kõiki liustikke soojendab geotermiline soojus, võib parasvöötme liustikel, mis on rõhu all oleva sulamistemperatuuri lähedal, maismaa piiril olla vedelat vett. Seetõttu on nad igikeltsavabad. "Fossiilsed" külmaanomaaliad geotermilises gradiendis piirkondades, kus pleistotseeni ajal tekkis sügav igikelts, püsivad kuni mitmesaja meetrini. See ilmneb kaevude temperatuuri mõõtmistest Põhja-Ameerikas ja Euroopas.

Temperatuur maa all

Tavaliselt erineb maa-alune temperatuur hooajati vähem kuiõhu temperatuur. Samal ajal kipuvad aasta keskmised temperatuurid maakoore geotermilise gradiendi tõttu sügavuse kasvades tõusma. Seega, kui aasta keskmine õhutemperatuur on vaid veidi alla 0 °C (32 °F), tekib igikelts ainult kaitstud kohtades – tavaliselt põhjaküljel –, tekitades katkendliku igikeltsa. Tavaliselt jääb igikelts katkendlikuks kliimas, kus keskmine aastane mullapinna temperatuur on -5 kuni 0 °C (23 kuni 32 °F). Ülalmainitud märgade talvedega piirkondades ei pruugi isegi kuni -2 °C (28 °F) vahelduvat igikeltsa esineda.

Igikeltsa tüübid

Igikelts jaguneb sageli veel ulatuslikuks katkendlikuks igikeltsaks, kus igikelts katab 50–90 protsenti maastikust ja seda leidub tavaliselt piirkondades, mille aasta keskmine temperatuur on –2 kuni –4 °C (28–25 °F). ja juhuslik igikelts, kus igikelts katab vähem kui 50 protsenti maastikust ja esineb tavaliselt aasta keskmisel temperatuuril vahemikus 0–2 °C (32–28 °F). Mullateaduses on sporaadiline igikeltsa tsoon SPZ, samas kui ulatuslik katkendlik igikeltsa tsoon on kaugseiretsoon. Erandid on glasuurimata Siberis ja Alaskas, kus praegune igikeltsa sügavus on jääaja kliimatingimuste jäänuk, kus talved olid 11 °C (20 °F) külmemad kui praegu.

Igikeltsa temperatuur

Kui mullapinna aastane keskmine temperatuur on alla -5 °C (23 °F), mõjutab aspektei saa kunagi piisata igikeltsa sulatamiseks ja pideva igikeltsa tsooni (lühid alt CPZ) moodustamiseks. Põhjapoolkera pideva igikeltsa joon tähistab lõunapoolseimat piiri, kus maad katab pidev igikeltsa või liustikujää.

Arusaadavatel põhjustel on igikeltsale projekteerimine äärmiselt keeruline ülesanne. Pidev igikeltsa joon muutub piirkondliku kliimamuutuse tõttu üle maailma põhja või lõuna suunas. Lõunapoolkeral asuks suurem osa samaväärsest joonest lõunaookeanis, kui seal oleks maismaa. Suurem osa Antarktika mandrist on kaetud liustikega, mille all sulab suurem osa maastikust maa sees. Antarktika paljastatud maa on suures osas igikelts.

Alpid

Alpide igikeltsa vööndi kogupindala hinnangud on väga erinevad. Bockheim ja Munro ühendasid kolm allikat ja tegid tabelihinnangud piirkondade kaupa (kokku 3 560 000 km2).

Alpide igikeltsa Andides ei olnud kaardil. Sel juhul on ulatust modelleeritud, et hinnata nende piirkondade veekogust. Aastal 2009 avastas Alaska teadlane 4700 m (15 400 jala) kõrguselt igikeltsa Aafrika kõrgeim alt tipult Kilimanjaro mäelt, umbes 3° ekvaatorist põhja pool. Vundamendid igikeltsa muldadel pole neil laiuskraadidel haruldased.

Külmunud meri ja jäätunud põhi

Mere igikelts tekib merepõhja all ja eksisteerib polaarsetel mandrilavadelpiirkondades. Need alad tekkisid viimasel jääajal, mil suurem osa Maa veest oli maismaal jääkihtidesse suletud ja meretase madal. Kui jääkilbid sulasid ja muutusid taas mereveeks, muutus igikelts pinnapealse igikeltsaga võrreldes suhteliselt soojades ja soolastes piiritingimustes sukeldatud riiuliteks. Seetõttu eksisteerib veealune igikelts tingimustes, mis viivad selle vähenemiseni. Osterkampi sõnul on merealune igikelts "rannikurajatiste, merepõhjakonstruktsioonide, tehissaarte, veealuste torujuhtmete ja uurimiseks ja tootmiseks puuritavate kaevude projekteerimisel, ehitamisel ja käitamisel" tegur.

Igikelts ulatub aluse sügavustele, kus Maa geotermiline soojus ja aasta keskmine pinnatemperatuur saavutavad tasakaalutemperatuuri 0 °C. Siberi Lena ja Yana jõgede põhjapoolsetes vesikondades ulatub igikeltsa aluse sügavus 1493 meetrini (4898 jalga). Geotermiline gradient on temperatuuri tõusu kiirus võrreldes sügavuse suurenemisega Maa sisemuses. Tektoonilise plaadi piiridest kaugel on enamikus maailma riikides maapinna lähedal umbes 25–30 °C/km. See varieerub sõltuv alt geoloogilise materjali soojusjuhtivusest ja on vähem igikeltsa jaoks pinnases kui aluspõhjas.

Jää mullas

Kui igikeltsa jääsisaldus ületab 250 protsenti (jäämassist kuiva mullani), klassifitseeritakse see järgmiseltmassiivne jää. Massiivsete jääkehade koostis võib ulatuda jäisest mudast kuni puhta jääni. Massiivsete jääkihtide minimaalne paksus on vähem alt 2 meetrit, lühike läbimõõt vähem alt 10 meetrit. Esimesed registreeritud vaatlused Põhja-Ameerikas tegid Euroopa teadlased Alaskal Canningi jõel 1919. aastal. Vene kirjandus annab varasemaks kuupäevaks vastav alt 1735. ja 1739. aasta P. Lassiniuse ja Kh. P. Laptevi põhjaretke ajal. Massiivse pinnasejää kaks kategooriat on mattunud pinnajää ja nn kuurisisene jää. Igikeltsale aluste loomine eeldab, et läheduses ei oleks suuri liustikke.

Maetud pinnajää võib pärineda lumest, jäätunud järve- või merejääst, aufeis’st (rullitud jõejää) ja ilmselt kõige levinum variant on mattunud liustikujää.

Põhjavee külmumine

Põhjavee külmumise tagajärjel tekib traditsiooniline jää. Siin valitseb eraldusjää, mis tekib märgade sademete külmumisel tekkiva kristalliseerumise diferentseerumise tulemusena. Protsessiga kaasneb vee migratsioon külmumisfrondile.

Intradiestimaalset (põhiseaduslikku) jääd on laialdaselt vaadeldud ja uuritud kogu Kanadas ning see hõlmab ka pealetungivat ja süstitavat jääd. Lisaks tekitavad jääkiilud, mis on omaette maajäätüüp, äratuntavaid mustrilisi hulknurki või tundrapolügoone. Jääkiilud tekivad juba olemasolevas geoloogilisessubstraat. Neid kirjeldati esmakordselt 1919. aastal.

Süsiniktsükkel

Igikeltsa süsinikuringe on seotud süsiniku ülekandmisega igikeltsa muldadest maismaa taimestikule ja mikroobidele, atmosfääri, tagasi taimestikule ja lõpuks tagasi igikeltsa pinnasesse matmise ja krüogeensete protsesside kaudu sademete kaudu. Osa sellest süsinikust kandub globaalse süsinikuringe kaudu ookeani ja maakera mujale. Tsükkel hõlmab süsinikdioksiidi ja metaani vahetust maapealsete komponentide ja atmosfääri vahel ning süsiniku transporti maa ja vee vahel metaani, lahustunud orgaanilise süsiniku, lahustunud anorgaanilise süsiniku, anorgaanilise süsiniku osakeste ja orgaaniliste süsinikuosakeste kujul.

Ajalugu

Arktika igikelts on sajandite jooksul kahanenud. Selle tagajärjeks on pinnase sulamine, mis võib olla nõrgem, ja metaani eraldumine, mis aitab tagasisideahelas kaasa globaalse soojenemise kiiruse suurenemisele. Igikeltsa muldade levikualad on ajaloos pidev alt muutunud.

Viimasel liustiku maksimumil kattis pidev igikelts palju suurema ala kui praegu. Põhja-Ameerikas oli New Jersey laiuskraadi jääkilbist lõuna pool Iowa lõunaosas ja Missouri põhjaosas vaid väga kitsas igikeltsa vöö. See oli ulatuslik kuivemates läänepiirkondades, kus see ulatus Idaho ja Oregoni lõunapiirini. Lõunapoolkeral on mõningaid tõendeid kunagise igaviku kohtaselle perioodi igikeltsa keskosas Otagos ja Argentina Patagoonias, kuid see oli tõenäoliselt katkendlik ja seotud tundraga. Alpide igikelts tekkis ka Drakensbergis üle 3000 meetri (9840 jala) kõrguste liustike olemasolul. Sellegipoolest rajatakse isegi seal vundamente ja vundamente igikeltsale.

Mulla struktuur

Muld võib koosneda paljudest substraadimaterjalidest, sealhulgas aluspõhjakivimitest, setetest, orgaanilisest ainest, veest või jääst. Külmunud maapind on kõik, mis jääb alla vee külmumispunkti, olenemata sellest, kas substraadis on vett või mitte. Maajää ei ole alati olemas, nagu võib juhtuda mittepoorsete aluspõhjakivimite puhul, kuid see on tavaline ja võib esineda kogustes, mis ületavad sulatatud substraadi potentsiaalset hüdraulilist küllastumist.

Selle tulemusena sademete hulk suureneb, mis omakorda nõrgestab ja võib-olla variseb hooneid kokku sellistes piirkondades nagu Norilsk Põhja-Venemaal, mis asub igikeltsa tsoonis.

Nõlva kokkuvarisemine

Viimase sajandi jooksul on üle maailma mäeahelikes teatatud paljudest alpinõlvade rikke juhtudest. Arvatakse, et igikeltsa sulamisega on seotud suur hulk struktuurseid kahjustusi, mille põhjuseks arvatakse olevat kliimamuutus. Arvatakse, et igikeltsa sulamine aitas kaasa 1987. aasta Val Pola maalihkele, mis tappis Itaalia Alpides 22 inimest. Suur mäeahelikesosa struktuuri stabiilsusest võib olla tingitud liustikest ja igikeltsast. Kliima soojenedes igikelts sulab, mis põhjustab mäestiku ebastabiilsema struktuuri ja lõpuks rohkem kallakuid. Temperatuuri tõstmine võimaldab aktiivse kihi sügavamale sügavusele, mis toob kaasa veelgi suurema vee läbitungimise. Pinnases olev jää sulab, põhjustades mulla tugevuse kaotust, kiirendades liikumist ja potentsiaalset prahivoogu. Seetõttu on igikeltsale ehitamine äärmiselt ebasoovitav.

Samuti on teavet massiliste kivide ja jää kukkumiste (kuni 11,8 miljonit m³), maavärinate (kuni 3,9 miljonit miili), üleujutuste (kuni 7, 8 miljonit m³ vett) ja kivise jää kiire vool. Selle põhjuseks on "nõlvade ebastabiilsus" mägismaa igikeltsa tingimustes. Nõlvade ebastabiilsus igikeltsa kõrgetel temperatuuridel külmumistemperatuuri lähedal soojeneva igikeltsa korral on seotud tõhusa stressi ja suurenenud pooride veesurvega nendes muldades.

Igikeltsa muldade arendamine

Jason Kea ja kaasautorid on leiutanud uue filtrita jäiga piesomeetri (FRP), et mõõta pooride veesurvet osaliselt külmunud pinnases, näiteks soojenevas igikeltsas. Nad laiendasid efektiivse pinge kontseptsiooni osaliselt külmunud muldadele, et kasutada seda soojenevate igikeltsa nõlvade nõlvade stabiilsuse analüüsis. Efektiivse pinge kontseptsiooni rakendamisel on palju eeliseid, näiteks võimalus ehitada aluseid ja vundamenteigikeltsa mullad.

Orgaaniline

Põhjapoolses ringpolaarses piirkonnas sisaldab igikelts 1700 miljardit tonni orgaanilist ainet, mis on peaaegu pool kogu orgaanilisest ainest. See bassein on loodud aastatuhandete jooksul ja hävib Arktika külmades tingimustes aeglaselt. Igikeltsa seostunud süsiniku kogus on neli korda suurem kui tänapäeval inimtegevuse tagajärjel atmosfääri paisatud süsiniku hulk.

Tagajärjed

Igikeltsa moodustumisel on märkimisväärne mõju ökoloogilistele süsteemidele, eelkõige juurealadele seatud piirangute ning ka maa-aluseid kodusid vajava loomastiku urgude ja urgude geomeetria piirangute tõttu. Teisesed mõjud mõjutavad taimedest ja loomadest sõltuvaid liike, kelle elupaika piirab igikelts. Üks levinumaid näiteid on musta kuuse levimus suurtel igikeltsa aladel, kuna see liik talub piiratud kasvu pinna lähedal.

Orgaanilise materjali analüüsimiseks tehakse mõnikord igikeltsa muldade arvutusi. Üks gramm aktiivse kihi mulda võib sisaldada üle miljardi bakteriraku. Üksteise kõrvale asetades moodustavad ühest kilogrammist aktiivse kihi mullast pärit bakterid 1000 km pikkuse ahela. Bakterite arv igikeltsa pinnases on väga erinev, tavaliselt vahemikus 1 kuni 1000 miljonit mulla grammi kohta. Enamik neistBaktereid ja seeni igikeltsa pinnases ei saa laboris kultiveerida, kuid mikroorganismide identiteedi saab tuvastada DNA-põhiste meetoditega.

Arktika piirkond ja globaalne soojenemine

Arktika piirkond on üks metaani kasvuhoonegaaside looduslikest allikatest. Globaalne soojenemine kiirendab selle vabanemist. Arktikas ladestub suur hulk metaani maagaasimaardlates, igikeltsas ja veealuste klatraatide kujul. Muude metaani allikate hulka kuuluvad allveelaevade taliks, jõetransport, jääkompleksi taganemine, allveelaeva igikelts ja lagunevad gaasihüdraadi ladestused. Esialgne arvutianalüüs näitab, et igikelts võib toota süsinikku, mis moodustab umbes 15 protsenti tänapäeva inimtegevusest tulenevatest heitkogustest. Mullamassiivide soojenemine ja sulamine muudab igikeltsale ehitamise veelgi ohtlikumaks.