Van dit artikel leer je over de kenmerken van permafrostbodems die veel voorkomen in permafrostzones. In de geologie is permafrost land, inclusief steenachtige (cryotische) grond, dat gedurende twee of meer jaar aanwezig is bij een vriestemperatuur van 0 ° C of lager. De meeste permafrost bevindt zich op hoge breedtegraden (in en rond de Arctische en Antarctische gebieden), maar bijvoorbeeld in de Alpen wordt hij op grotere hoogte gevonden.
Grondijs is niet altijd aanwezig, zoals het geval kan zijn bij niet-poreuze gesteente, maar het wordt vaak aangetroffen in hoeveelheden die de potentiële hydraulische verzadiging van het grondmateriaal overschrijden. Permafrost maakt 0,022% uit van het totale water op aarde en komt voor in 24% van het open land op het noordelijk halfrond. Het komt ook voor onder water op de continentale platen van de continenten rond de Noordelijke IJszee. Volgens een groep wetenschappers is een wereldwijde temperatuurstijging van 1,5 ° C (2,7 ° F) boven de huidigeniveaus zullen voldoende zijn om de permafrost in Siberië te laten ontdooien.
Studeren
In tegenstelling tot de relatieve schaarste aan rapporten over bevroren bodems in Noord-Amerika vóór de Tweede Wereldoorlog, was literatuur over de technische aspecten van permafrost beschikbaar in het Russisch. Vanaf 1942 dook Simon William Muller in relevante literatuur van de Library of Congress en de Library of the United States Geological Survey om de regering te voorzien van een technische handleiding en een technisch rapport over permafrost tegen 1943.
Definitie
Permafrost is grond, gesteente of sediment dat meer dan twee opeenvolgende jaren is bevroren. In gebieden die niet met ijs bedekt zijn, bevinden ze zich onder een laag aarde, gesteente of sediment die elk jaar bevriest en ontdooit en de "actieve laag" wordt genoemd. In de praktijk betekent dit dat permafrost optreedt bij een gemiddelde jaartemperatuur van -2 °C (28,4 °F) of lager. De dikte van de actieve laag varieert met het seizoen, maar varieert van 0,3 tot 4 meter (ondiep langs de Arctische kust; diep in Zuid-Siberië en het Qinghai-Tibetaanse plateau).
Geografie
Hoe zit het met de verspreiding van permafrost? De mate van permafrost verschilt per klimaat: vandaag wordt op het noordelijk halfrond 24% van het ijsvrije landoppervlak - gelijk aan 19 miljoen vierkante kilometer - min of meer aangetast door permafrost.
Iets meer dan de helft van dit gebied is bedekt met continue permafrost,ongeveer 20 procent is discontinue permafrost en iets minder dan 30 procent is sporadische permafrost. Het grootste deel van dit gebied ligt in Siberië, Noord-Canada, Alaska en Groenland. Onder de actieve laag worden de jaarlijkse temperatuurschommelingen van de permafrost kleiner met de diepte. De diepste diepte van permafrost treedt op waar aardwarmte de temperatuur boven het vriespunt houdt. Boven deze limiet kan er permafrost zijn, waarvan de temperatuur niet jaarlijks verandert. Dit is "isotherme permafrost". Gebieden met permafrostbodems zijn slecht geschikt voor actief menselijk leven.
Klimaat
Permafrost vormt zich gewoonlijk in elk klimaat waar de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur onder het vriespunt van water ligt. Uitzonderingen zijn te vinden in natte winterklimaten, zoals in Noord-Scandinavië en Noordoost-Rusland ten westen van de Oeral, waar sneeuw als isolerende laag fungeert. Glaciale gebieden kunnen uitzonderingen zijn. Omdat alle gletsjers aan hun basis worden verwarmd door aardwarmte, kunnen gematigde gletsjers die zich in de buurt van hun smeltpunt onder druk bevinden, vloeibaar water hebben aan de grens met het land. Daarom zijn ze vrij van permafrost. "Fossiele" koude anomalieën in de geothermische gradiënt in gebieden waar tijdens het Pleistoceen diepe permafrost is ontstaan, blijven tot enkele honderden meters bestaan. Dit blijkt uit brontemperatuurmetingen in Noord-Amerika en Europa.
Temperatuur ondergronds
Normaal gesproken varieert de temperatuur onder de grond van seizoen tot seizoen minder danluchttemperatuur. Tegelijkertijd hebben de gemiddelde jaartemperaturen de neiging om met de diepte toe te nemen als gevolg van de geothermische gradiënt van de aardkorst. Dus als de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur slechts iets onder 0 ° C (32 ° F) ligt, zal permafrost zich alleen vormen op plaatsen die beschermd zijn - meestal aan de noordkant - waardoor discontinue permafrost ontstaat. Doorgaans blijft permafrost discontinu in klimaten waar de gemiddelde jaarlijkse bodemtemperatuur -5 tot 0 ° C (23 tot 32 ° F) is. De bovengenoemde gebieden met natte winters hebben misschien niet eens intermitterende permafrost tot -2 °C (28 °F).
Soorten permafrost
Permafrost wordt vaak verder onderverdeeld in uitgebreide discontinue permafrost, waarbij permafrost 50 tot 90 procent van het landschap beslaat en meestal wordt aangetroffen in gebieden met gemiddelde jaartemperaturen van -2 tot -4 °C (28 tot 25 °F), en sporadische permafrost, waarbij permafrost minder dan 50 procent van het landschap beslaat en typisch optreedt bij gemiddelde jaarlijkse temperaturen tussen 0 en -2 ° C (32 en 28 ° F). In de bodemkunde is de sporadische permafrostzone de SPZ, terwijl de uitgebreide discontinue permafrostzone de teledetectiezone is. Uitzonderingen komen voor in ongeglazuurd Siberië en Alaska, waar de huidige diepte van de permafrost een overblijfsel is van de klimaatomstandigheden tijdens de ijstijd, waar de winters 11 °C (20 °F) kouder waren dan vandaag.
Permafrost temperatuur
Als de gemiddelde jaarlijkse bodemtemperatuur lager is dan -5 °C (23 °F), is de invloed van het aspectkan nooit genoeg zijn om de permafrost te ontdooien en een continue permafrostzone (kortweg CPZ) te vormen. De lijn van continue permafrost op het noordelijk halfrond vertegenwoordigt de meest zuidelijke grens waar het land is bedekt door continue permafrost of gletsjerijs.
Om voor de hand liggende redenen is ontwerpen op permafrost een buitengewoon moeilijke taak. De continue permafrostlijn verandert over de hele wereld van noord of zuid als gevolg van regionale klimaatverandering. Op het zuidelijk halfrond zou het grootste deel van de equivalente lijn in de Zuidelijke Oceaan liggen als er land was. Het grootste deel van het Antarctische continent is bedekt met gletsjers, waaronder het grootste deel van het terrein onderhevig is aan smelten in de grond. Het blootgestelde land van Antarctica is grotendeels permafrost.
Alpen
De schattingen van de totale oppervlakte van de permafrostzone in de Alpen lopen sterk uiteen. Bockheim en Munro combineerden de drie bronnen en maakten schattingen in tabelvorm per regio (3.560.000 km2 in totaal).
Alpine permafrost in de Andes stond niet op de kaart. De omvang is in dit geval gemodelleerd om de hoeveelheid water in deze gebieden te schatten. In 2009 ontdekte een onderzoeker uit Alaska permafrost op 4.700 m (15.400 ft) op de hoogste berg van Afrika, de Kilimanjaro, ongeveer 3° ten noorden van de evenaar. Funderingen op permafrostbodems op deze breedtegraden zijn niet ongewoon.
Bevroren zeeën en bevroren bodem
Mariene permafrost komt voor onder de zeebodem en bestaat op polaire continentale platenRegio's. Deze gebieden zijn gevormd tijdens de laatste ijstijd, toen het meeste water op aarde opgesloten zat in ijskappen op het land en de zeespiegel laag was. Toen de ijskappen smolten en weer zeewater werden, werd de permafrost onder relatief warme en zoute randvoorwaarden verzonken planken in vergelijking met de permafrost aan het oppervlak. Daarom bestaat onderwaterpermafrost onder omstandigheden die leiden tot vermindering ervan. Volgens Osterkamp is onderzeese permafrost een factor in het ontwerp, de bouw en de exploitatie van kustfaciliteiten, zeebodemstructuren, kunstmatige eilanden, onderzeese pijpleidingen en putten die worden geboord voor exploratie en productie.
Permafrost strekt zich uit tot de diepten van de basis, waar aardwarmte van de aarde en de gemiddelde jaarlijkse oppervlaktetemperatuur een evenwichtstemperatuur van 0 °C bereiken. De diepte van de permafrostbasis bereikt 1493 meter (4898 voet) in de noordelijke stroomgebieden van de rivieren Lena en Yana in Siberië. De geothermische gradiënt is de snelheid waarmee de temperatuur stijgt ten opzichte van de toename in diepte in het binnenste van de aarde. Ver van de grenzen van de tektonische plaat is het in de meeste landen van de wereld ongeveer 25-30 °C/km aan de oppervlakte. Het varieert met de thermische geleidbaarheid van het geologische materiaal en is minder voor permafrost in de bodem dan in gesteente.
IJs in de grond
Wanneer het ijsgeh alte van permafrost hoger is dan 250 procent (van ijsmassa tot droge grond), wordt het geclassificeerd alsmassief ijs. Massieve ijslichamen kunnen qua samenstelling variëren van ijzige modder tot puur ijs. Massieve ijslagen hebben een minimale dikte van minimaal 2 meter, een korte diameter van minimaal 10 meter. De eerste geregistreerde waarnemingen in Noord-Amerika werden in 1919 gedaan door Europese wetenschappers op de Canning River in Alaska. De Russische literatuur vermeldt een eerdere datum van 1735 en 1739 tijdens de Grote Noordelijke Expeditie van respectievelijk P. Lassinius en Kh. P. Laptev. De twee categorieën massief grondijs zijn begraven oppervlakte-ijs en zogenaamd "intra-shed ice". Om funderingen op permafrost aan te leggen, mogen er geen grote gletsjers in de buurt zijn.
Begraven oppervlakte-ijs kan afkomstig zijn van sneeuw, bevroren meer- of zee-ijs, aufeis (opgerold rivierijs) en waarschijnlijk de meest voorkomende variant is begraven gletsjerijs.
Grondwater bevriezing
Intradiestimaal ijs wordt gevormd als gevolg van bevriezing van het grondwater. Hier heerst segregatie-ijs, dat optreedt als gevolg van kristallisatiedifferentiatie die optreedt tijdens het bevriezen van natte neerslag. Het proces gaat gepaard met watermigratie naar het vriesfront.
Intradiëstimaal (constitutioneel) ijs is algemeen waargenomen en bestudeerd in heel Canada en omvat ook opdringerig en injectie-ijs. Bovendien produceren ijswiggen, een apart type grondijs, herkenbare polygonen met patronen of toendra-polygonen. IJswiggen vormen zich in een reeds bestaande geologischesubstraat. Ze werden voor het eerst beschreven in 1919.
Koolstofcyclus
De permafrost-koolstofcyclus houdt zich bezig met de overdracht van koolstof van permafrostbodems naar terrestrische vegetatie en microben, naar de atmosfeer, terug naar vegetatie en uiteindelijk terug naar de permafrostbodem door begraving en neerslag door middel van cryogene processen. Een deel van deze koolstof wordt via de wereldwijde koolstofcyclus overgebracht naar de oceaan en andere delen van de wereld. De cyclus omvat de uitwisseling van koolstofdioxide en methaan tussen terrestrische componenten en de atmosfeer, en het transport van koolstof tussen land en water in de vorm van methaan, opgeloste organische koolstof, opgeloste anorganische koolstof, anorganische koolstofdeeltjes en organische koolstofdeeltjes.
Geschiedenis
De permafrost van het noordpoolgebied is door de eeuwen heen aan het krimpen. Het gevolg hiervan is het ontdooien van de bodem, die mogelijk zwakker is, en het vrijkomen van methaan, wat bijdraagt aan een snellere opwarming van de aarde in een terugkoppelingslus. De verspreidingsgebieden van permafrostbodems zijn in de geschiedenis voortdurend veranderd.
Bij het laatste glaciale maximum bedekte continue permafrost een veel groter gebied dan vandaag. In Noord-Amerika bestond slechts een zeer smalle gordel van permafrost ten zuiden van de ijskap op de breedtegraad van New Jersey in het zuiden van Iowa en het noorden van Missouri. Het was uitgebreid in de drogere westelijke regio's, waar het zich uitstrekte tot de zuidelijke grens van Idaho en Oregon. Op het zuidelijk halfrond is er enig bewijs van een voormalige eeuwigepermafrost van deze periode in centraal Otago en in Argentijns Patagonië, maar het was waarschijnlijk discontinu en geassocieerd met de toendra. Alpine permafrost kwam ook voor in de Drakensbergen tijdens het bestaan van gletsjers boven de 3.000 meter (9.840 voet). Niettemin worden zelfs daar funderingen en funderingen op permafrost gelegd.
Bodemstructuur
De bodem kan uit veel substraatmaterialen bestaan, waaronder gesteente, sediment, organisch materiaal, water of ijs. Bevroren grond is alles onder het vriespunt van water, ongeacht of er water in het substraat aanwezig is. Grondijs is niet altijd aanwezig, zoals het geval kan zijn voor niet-poreuze gesteenten, maar het is gebruikelijk en kan aanwezig zijn in hoeveelheden die de potentiële hydraulische verzadiging van het ontdooide substraat overschrijden.
Als gevolg hiervan neemt de regenval toe, wat op zijn beurt gebouwen verzwakt en mogelijk instort in gebieden zoals Norilsk in het noorden van Rusland, dat in de permafrostzone ligt.
Helling instorten
In de afgelopen eeuw zijn er veel gevallen gemeld van falen van alpine hellingen in bergketens over de hele wereld. Een grote hoeveelheid structurele schade zal naar verwachting worden geassocieerd met smeltende permafrost, waarvan wordt aangenomen dat deze wordt veroorzaakt door klimaatverandering. Smeltende permafrost zou hebben bijgedragen aan de aardverschuiving in Val Pola in 1987, waarbij 22 mensen omkwamen in de Italiaanse Alpen. Groot in bergketenseen deel van de structurele stabiliteit kan te wijten zijn aan gletsjers en permafrost. Naarmate het klimaat warmer wordt, ontdooit de permafrost, wat leidt tot een minder stabiele bergstructuur en uiteindelijk meer uitval van hellingen. Door de temperatuur te verhogen, kunnen diepere diepten van de actieve laag worden bereikt, wat nog meer waterpenetratie met zich meebrengt. Het ijs in de grond smelt, wat leidt tot verlies van bodemsterkte, versnelde beweging en mogelijke puinstromen. Daarom is constructie op permafrost hoogst ongewenst.
Er is ook informatie over massale valpartijen van rotsen en ijs (tot 11,8 miljoen m3), aardbevingen (tot 3,9 miljoen mijl), overstromingen (tot 7, 8 miljoen m3 water) en de snelle stroom van rotsachtig ijs. Dit wordt veroorzaakt door "hellingsinstabiliteit" in permafrost-omstandigheden in de hooglanden. Instabiliteit van de helling in permafrost bij verhoogde temperaturen rond het vriespunt in opwarmende permafrost wordt geassocieerd met effectieve stress en verhoogde poriewaterdruk in deze bodems.
Ontwikkeling van permafrostbodems
Jason Kea en co-auteurs hebben een nieuwe filterloze stijve piëzometer (FRP) uitgevonden om de poriewaterdruk te meten in gedeeltelijk bevroren bodems zoals opwarmende permafrost. Ze breidden het gebruik van het concept van effectieve spanning uit tot gedeeltelijk bevroren bodems voor gebruik in hellingsstabiliteitsanalyse van opwarmende permafrosthellingen. De toepassing van het concept van effectieve stress heeft veel voordelen, bijvoorbeeld het vermogen om bases en fundamenten op te bouwenpermafrost bodems.
Biologisch
In het noordelijke circumpolaire gebied bevat permafrost 1.700 miljard ton organisch materiaal, bijna de helft van al het organische materiaal. Dit bassin is in de loop van millennia aangelegd en wordt langzaam vernietigd in de koude omstandigheden van het noordpoolgebied. De hoeveelheid koolstof die is vastgelegd in permafrost is vier keer de hoeveelheid koolstof die in de moderne tijd door menselijke activiteit in de atmosfeer vrijkomt.
Consequenties
De vorming van permafrost heeft aanzienlijke gevolgen voor ecologische systemen, voornamelijk vanwege beperkingen op wortelzones, evenals beperkingen op de geometrie van holen en holen voor fauna die ondergrondse huizen nodig hebben. Secundaire effecten zijn van invloed op soorten die afhankelijk zijn van planten en dieren waarvan het leefgebied wordt beperkt door permafrost. Een van de meest voorkomende voorbeelden is de prevalentie van zwarte spar in uitgestrekte permafrostgebieden, omdat deze soort een vestiging kan verdragen die beperkt is aan de oppervlakte.
Berekeningen van permafrostbodems worden soms gemaakt voor de analyse van organisch materiaal. Eén gram aarde uit een actieve laag kan meer dan een miljard bacteriecellen bevatten. Bij plaatsing langs elkaar vormen bacteriën uit één kilogram grond van de actieve laag een ketting van 1000 km lang. Het aantal bacteriën in permafrostgrond varieert sterk, meestal tussen 1 en 1000 miljoen per gram grond. De meeste van dezebacteriën en schimmels in permafrostgrond kunnen niet in het laboratorium worden gekweekt, maar de identiteit van micro-organismen kan worden onthuld met behulp van op DNA gebaseerde methoden.
Het Noordpoolgebied en de opwarming van de aarde
Het noordpoolgebied is een van de natuurlijke bronnen van methaanbroeikasgassen. De opwarming van de aarde versnelt de introductie ervan. Een grote hoeveelheid methaan wordt in het noordpoolgebied opgeslagen in aardgasvoorraden, permafrost en in de vorm van onderwaterclathraat. Andere bronnen van methaan zijn onderzeese taliks, riviertransport, terugtrekking van ijscomplexen, onderzeese permafrost en rottende gashydraatafzettingen. Voorlopige computeranalyse geeft aan dat permafrost koolstof kan produceren gelijk aan ongeveer 15 procent van de huidige uitstoot door menselijke activiteiten. Opwarming en ontdooiing van bodemmassieven maakt het bouwen op permafrost nog gevaarlijker.
