Ikuisesti jäätynyt maaperä: levinneisyysalueet, lämpötila, kehitysominaisuudet

2024 Kirjoittaja: Henry Conors | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-12 06:46

Tästä artikkelista opit ikiroutaalueiden ominaisuuksista, jotka ovat yleisiä ikiroutaalueilla. Geologiassa ikirouta on maaperää, mukaan lukien kivinen (kryoottinen) maaperä, jonka jäätymislämpötila on 0 °C tai sitä alhaisempi vähintään kaksi vuotta. Suurin osa ikiroutasta sijaitsee korkeilla leveysasteilla (arktisilla ja antarktisilla alueilla ja niiden ympäristössä), mutta esimerkiksi Alpeilla sitä esiintyy korkeammilla korkeuksilla.

Maajäätä ei aina ole läsnä, kuten ei-huokoisen kallioperän tapauksessa, mutta sitä esiintyy usein määrinä, jotka ylittävät maamateriaalin mahdollisen hydraulisen kyllästymisen. Ikirouta muodostaa 0,022 % koko maapallon vedestä, ja sitä esiintyy 24 %:lla pohjoisen pallonpuoliskon avoimesta maasta. Sitä esiintyy myös vedenalaisena Jäämerta ympäröivien maanosien mannerjalustoilla. Erään tutkijaryhmän mukaan maapallon lämpötila nousee 1,5 °C (2,7 °F) nykyistä korkeammaksi.tasot riittävät ikiroudan sulamisen aloittamiseen Siperiassa.

Opiskelu

Toisin kuin Pohjois-Amerikan jäätyneistä maaperistä ennen toista maailmansotaa oli suhteellisen vähän raportteja, ikiroudan teknisiä näkökohtia koskevaa kirjallisuutta oli saatavilla venäjäksi. Vuodesta 1942 lähtien Simon William Muller syventyi Library of Congressin ja Library of the United States Geological Surveyn kirjallisuuteen toimittaakseen hallitukselle teknisen käsikirjan ja teknisen raportin ikiroutasta vuoteen 1943 mennessä.

Määritelmä

Ikurouta on maaperää, kiveä tai sedimenttiä, joka on ollut jäässä yli kaksi vuotta peräkkäin. Ei-jääpeitteisillä alueilla niitä on maaperän, kiven tai sedimentin alla, joka jäätyy ja sulaa joka vuosi ja jota kutsutaan "aktiiviseksi kerrokseksi". Käytännössä tämä tarkoittaa, että ikiroutaa esiintyy vuoden keskilämpötilassa -2 °C (28,4 °F) tai sitä alhaisemmalla tasolla. Aktiivisen kerroksen paksuus vaihtelee vuodenaikojen mukaan, mutta vaihtelee välillä 0,3–4 metriä (matala arktisella rannikolla; syvällä Etelä-Siperiassa ja Qinghai-Tiibetin tasangolla).

Maantiede

Entä ikiroudan leviäminen? Ikiroudan laajuus vaihtelee ilmaston mukaan: nykyään ikirouta vaikuttaa enemmän tai vähemmän pohjoisella pallonpuoliskolla 24 % jäättömästä maa-alasta, mikä vastaa 19 miljoonaa neliökilometriä.

Hieman yli puolet tästä alueesta on jatkuvan ikiroudan peitossa,noin 20 prosenttia on epäjatkuvaa ikiroutaa ja hieman alle 30 prosenttia satunnaista ikiroutaa. Suurin osa tästä alueesta sijaitsee Siperiassa, Pohjois-Kanadassa, Alaskassa ja Grönlannissa. Aktiivisen kerroksen alla vuotuiset ikiroudan lämpötilan vaihtelut pienenevät syvyyden myötä. Ikiroudan syvin syvyys syntyy siellä, missä geoterminen lämpö pitää lämpötilat jäätymisen yläpuolella. Tämän rajan yläpuolella voi olla ikiroutaa, jonka lämpötila ei muutu vuosittain. Tämä on "isoterminen ikirouta". Ikirouta-alueet soveltuvat huonosti aktiiviseen ihmiselämään.

Ilmasto

Ikuroutaa muodostuu yleensä missä tahansa ilmastossa, jossa vuoden keskilämpötila on veden jäätymispisteen alapuolella. Poikkeuksia löytyy kosteista talvi-ilmastoista, kuten Pohjois-Skandinaviasta ja Koillis-Venäjältä Uralin länsipuolella, missä lumi toimii eristävänä peitteenä. Jäätiköt voivat olla poikkeuksia. Koska kaikki jäätiköt lämmitetään niiden pohjalla geotermisen lämmön vaikutuksesta, lauhkeilla jäätiöillä, jotka ovat lähellä paineistettua sulamispistettään, voi olla nestemäistä vettä maan rajalla. Siksi ne ovat vapaita ikiroutasta. "Fossiiliset" kylmän poikkeavuudet geotermisessä gradientissa alueilla, joilla pleistoseenin aikana kehittynyt syvä ikirouta säilyy useisiin satoihin metriin asti. Tämä käy ilmi kaivojen lämpötilamittauksista Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa.

Lämpötila maan alla

Yleensä maanalainen lämpötila vaihtelee vuodenajan mukaan vähemmän kuinilman lämpötila. Samaan aikaan vuotuiset keskilämpötilat pyrkivät nousemaan syvyyden myötä maankuoren geotermisen gradientin seurauksena. Siten, jos vuotuinen keskilämpötila on vain hieman alle 0 °C (32 °F), ikiroutaa muodostuu vain suojattuihin paikkoihin - yleensä pohjoispuolella - ja syntyy epäjatkuvaa ikiroutaa. Tyypillisesti ikirouta pysyy epäjatkuvana ilmastossa, jossa maan keskimääräinen vuotuinen pinnan lämpötila on -5 - 0 °C (23 - 32 °F). Yllä mainituilla alueilla, joilla on kosteat talvet, ei ehkä ole edes ajoittaista ikiroutaa -2 °C (28 °F) asti.

Ikuroudan tyypit

Ikurouta jaetaan usein edelleen laajaan epäjatkuvaan ikiroutaan, jossa ikirouta peittää 50–90 prosenttia maisemasta ja esiintyy tyypillisesti alueilla, joiden vuotuinen keskilämpötila on -2–-4 °C (28–25 °F)., ja satunnainen ikirouta, jossa ikirouta peittää alle 50 prosenttia maisemasta ja esiintyy tyypillisesti vuotuisissa keskilämpötilassa 0 ja -2 °C (32 ja 28 °F). Maaperätieteessä satunnainen ikiroutavyöhyke on SPZ, kun taas laaja epäjatkuva ikirouta on kaukokartoitusvyöhyke. Poikkeuksia esiintyy lasittamattomassa Siperiassa ja Alaskassa, joissa nykyinen ikiroudan syvyys on jäänteen jääkauden ilmasto-oloista, missä talvet olivat 11 °C (20 °F) kylmempiä kuin nykyään.

Ikuroudan lämpötila

Kun keskimääräiset vuotuiset maaperän pinnan lämpötilat ovat alle -5 °C (23 °F), näkökulman vaikutusei voi koskaan riittää sulattamaan ikiroutaa ja muodostamaan jatkuvan ikiroutavyöhykkeen (lyhyesti CPZ). Jatkuvan ikiroudan viiva pohjoisella pallonpuoliskolla edustaa eteläisintä rajaa, jossa maa on jatkuvan ikiroudan tai jäätikköjään peitossa.

Ilmisistä syistä ikiroutalle suunnitteleminen on erittäin vaikea tehtävä. Jatkuva ikiroutaviiva muuttuu pohjoiseen tai etelään ympäri maailmaa alueellisen ilmastonmuutoksen vuoksi. Eteläisellä pallonpuoliskolla suurin osa vastaavasta linjasta olisi eteläisellä v altamerellä, jos siellä olisi maata. Suurin osa Etelämantereen alueesta on jäätiköiden peitossa, joiden alla suurin osa maastosta sulaa maassa. Etelämantereen paljas maa on suurelta osin ikiroutaa.

Alpit

Arviot Alppien ikiroutavyöhykkeen kokonaispinta-alasta vaihtelevat suuresti. Bockheim ja Munro yhdistivät kolme lähdettä ja tekivät taulukkoarvioita alueittain (yhteensä 3 560 000 km2).

Andien ikiroutaa ei ollut kartalla. Laajuus tässä tapauksessa mallinnetaan arvioimaan näiden alueiden vesimäärä. Vuonna 2009 alaskalainen tutkija löysi ikiroudan 4 700 metrin korkeudelta Afrikan korkeimmasta huipusta, Kilimanjaro-vuoresta, noin 3° päiväntasaajasta pohjoiseen. Perustukset ikiroutamailla näillä leveysasteilla eivät ole harvinaisia.

Jäässä meret ja jäässä pohja

Meren ikiroutaa esiintyy merenpohjan alla ja sitä esiintyy napa-mannerjalustoillaalueilla. Nämä alueet muodostuivat viimeisen jääkauden aikana, jolloin suurin osa maapallon vedestä oli lukittuneena jääpeitteihin maalla ja merenpinnat olivat matalalla. Kun jäälevyt sulaivat ja muuttuivat jälleen merivedeksi, ikirouta muuttui vedenalaisiksi hyllyiksi suhteellisen lämpimissä ja suolaisissa raja-olosuhteissa verrattuna pinnan ikiroudan. Siksi vedenalainen ikirouta on olemassa olosuhteissa, jotka johtavat sen vähenemiseen. Osterkampin mukaan merenalainen ikirouta on tekijä "rannikkoalueiden, merenpohjan rakenteiden, keinotekoisten saarten, merenalaisten putkistojen ja tutkimusta ja tuotantoa varten porattujen kaivojen suunnittelussa, rakentamisessa ja käytössä".

Ikurouta ulottuu pohjan syvyyteen, jossa maapallon geoterminen lämpö ja keskimääräinen vuotuinen pintalämpötila saavuttavat 0 °C:n tasapainolämpötilan. Ikiroudan pohjan syvyys on 1 493 metriä (4 898 jalkaa) Lena- ja Yana-jokien pohjoisilla altailla Siperiassa. Geoterminen gradientti on lämpötilan nousunopeus suhteessa syvyyden kasvuun maan sisäosissa. Kaukana tektonisen levyn rajoista se on noin 25-30 °C/km lähellä pintaa useimmissa maailman maissa. Se vaihtelee geologisen materiaalin lämmönjohtavuuden mukaan ja on vähemmän ikiroutalle maaperässä kuin kallioperässä.

Jää maassa

Kun ikiroudan jääpitoisuus ylittää 250 prosenttia (jäämassasta kuivaan maaperään), se luokitellaanmassiivinen jää. Massiivisten jääkappaleiden koostumus voi vaihdella jäisestä mudasta puhtaaseen jäähän. Massiivisten jääkerrosten vähimmäispaksuus on vähintään 2 metriä ja lyhyt halkaisija vähintään 10 metriä. Ensimmäiset kirjatut havainnot Pohjois-Amerikassa tehtiin eurooppalaisen tutkijan toimesta Canning-joella Alaskassa vuonna 1919. Venäläinen kirjallisuus antaa aikaisemman päivämäärän vuodet 1735 ja 1739 P. Lassiniusin ja Kh. P. Laptevin suuren pohjoisen tutkimusmatkan aikana. Massiivisen maajään kaksi luokkaa ovat pintajää ja niin sanottu "sisäjää". Ikiroudan perustan luominen edellyttää, että lähellä ei ole suuria jäätiköitä.

Hautautunut pintajää voi olla peräisin lumesta, jäätyneestä järvi- tai merijäästä, aufeista (kierretty jokijää) ja luultavasti yleisin muunnelma on hautautunut jääjää.

Pohjaveden jäätyminen

Intradiestimaalista jäätä muodostuu pohjaveden jäätymisen seurauksena. Täällä vallitsee erottuva jää, joka syntyy märän sateen jäätymisen aikana tapahtuvan kiteytyserilaistumisen seurauksena. Prosessiin liittyy veden kulkeutuminen pakkasrintamalle.

Intradiestimaalista (perustuslaillista) jäätä on havaittu ja tutkittu laajasti kaikkialla Kanadassa, ja se sisältää myös tunkeutuvan ja ruiskutettavan jään. Lisäksi jääkiilat, erillinen maajäätyyppi, muodostavat tunnistettavia kuvioituja polygoneja tai tundrapolygoneja. Jääkiiloja muodostuu jo olemassa olevaan geologiaansubstraatti. Ne kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 1919.

Hiilikierto

Ikiroutahiilen kiertokulku liittyy hiilen siirtymiseen ikiroutamaista maan kasvillisuuteen ja mikrobeihin, ilmakehään, takaisin kasvillisuuteen ja lopuksi takaisin ikiroutamaahan hautaamisen ja saostumisen kautta kryogeenisten prosessien kautta. Osa tästä hiilestä siirtyy v altameriin ja muihin osiin maapalloa maailmanlaajuisen hiilikierron kautta. Kierto sisältää hiilidioksidin ja metaanin vaihdon maanosien ja ilmakehän välillä sekä hiilen kuljetuksen maan ja veden välillä metaanin, liuenneen orgaanisen hiilen, liuenneen epäorgaanisen hiilen, epäorgaanisten hiilihiukkasten ja orgaanisten hiilihiukkasten muodossa.

Historia

Arktisen ikirouta on kutistunut vuosisatojen ajan. Seurauksena on maaperän sulaminen, joka voi olla heikompi, ja metaanin vapautuminen, joka edistää ilmaston lämpenemisen nopeutta takaisinkytkentäpiirissä. Ikiroudan levinneisyysalueet ovat muuttuneet jatkuvasti historian aikana.

Jääkauden viimeisellä maksimilla jatkuva ikirouta peitti paljon suuremman alueen kuin nykyään. Pohjois-Amerikassa oli vain hyvin kapea ikiroutavyöhyke New Jerseyn leveysastejäätikön eteläpuolella Etelä-Iowassa ja Pohjois-Missourissa. Se oli laaja kuivemmilla läntisillä alueilla, missä se ulottui Idahon ja Oregonin etelärajalle. Eteläisellä pallonpuoliskolla on todisteita entisestä ikuisestatämän ajanjakson ikirouta Otagon keskustassa ja Argentiinan Patagoniassa, mutta se oli luultavasti epäjatkuvaa ja liittyi tundraan. Alppien ikiroutaa esiintyi myös Drakensbergissä yli 3 000 metrin (9 840 jalkaa) jäätiköiden aikana. Siitä huolimatta säätiöitä ja perustuksia ikiroutalle perustetaan jopa sinne.

Maaperän rakenne

Maaperä voi koostua monista substraattimateriaaleista, mukaan lukien kallioperästä, sedimentistä, orgaanisesta aineesta, vedestä tai jäästä. Jäätynyt maa on mitä tahansa veden jäätymispisteen alapuolella riippumatta siitä, onko alustassa vettä vai ei. Maajäätä ei aina ole läsnä, kuten ei-huokoisen kallioperän tapauksessa, mutta se on yleistä ja sitä voi esiintyä määrinä, jotka ylittävät sulaneen alustan mahdollisen hydraulisen kyllästymisen.

Tämän seurauksena sademäärät lisääntyvät, mikä puolestaan heikentää ja mahdollisesti kaataa rakennuksia alueilla, kuten Norilskissa Pohjois-Venäjällä, joka sijaitsee ikiroutavyöhykkeellä.

Rinteen romahdus

Viime vuosisadan aikana on raportoitu monia tapauksia alppirinteiden vaurioista vuoristoalueilla ympäri maailmaa. Suuren määrän rakenteellisia vahinkoja odotetaan liittyvän ikiroudan sulamiseen, jonka uskotaan johtuvan ilmastonmuutoksesta. Ikiroudan sulamisen uskotaan olleen osallisena vuoden 1987 Val Polan maanvyörymään, joka tappoi 22 ihmistä Italian Alpeilla. Suuri vuoristoissaosa rakenteellisesta vakaudesta voi johtua jäätiköistä ja ikiroutasta. Kun ilmasto lämpenee, ikirouta sulaa, mikä johtaa vähemmän vakaaseen vuoristorakenteeseen ja lopulta enemmän rinteiden rikkoutumiseen. Lämpötilan nostaminen mahdollistaa aktiivisen kerroksen syvemmät syvyydet, mikä lisää veden tunkeutumista. Maaperän jää sulaa aiheuttaen maaperän lujuuden menetystä, kiihtynyttä liikettä ja mahdollisia roskavirtoja. Siksi rakentaminen ikiroutalle on erittäin epätoivottavaa.

Tietoja on myös massiivisista kivien ja jään putoamisesta (jopa 11,8 miljoonaa m³), maanjäristyksistä (jopa 3,9 miljoonaa mailia), tulvista (jopa 7, 8 miljoonaa m³ vettä) ja kivijään nopea virtaus. Tämä johtuu "rinteiden epävakaudesta" ikiroutaolosuhteissa ylängöillä. Ikiroudan rinteiden epävakaus korkeissa lämpötiloissa lähellä jäätymistä lämpenevässä ikiroudassa liittyy tehokkaaseen stressiin ja lisääntyneeseen huokosveden paineeseen näissä maaperässä.

Ikiroutamaiden kehitys

Jason Kea ja muut kirjoittajat ovat keksineet uuden suodattimettoman jäykän pietsometrin (FRP) mittaamaan huokosveden painetta osittain jäätyneessä maaperässä, kuten lämpenevässä ikiroudassa. He laajensivat tehokkaan jännityksen käsitteen käyttöä osittain jäätyneeseen maaperään käytettäväksi lämpenevien ikiroutarinteiden rinteiden stabiilisuusanalyysissä. Tehokkaan jännityksen käsitteen soveltamisella on monia etuja, esimerkiksi kyky rakentaa pohjaa ja perustaaikirouta maaperät.

Organic

Pohjoisella ympyränapaisella alueella ikirouta sisältää 1 700 miljardia tonnia orgaanista materiaalia, lähes puolet kaikesta orgaanisesta aineesta. Tämä altaan on luotu vuosituhansien aikana ja tuhoutuu hitaasti arktisen kylmissä olosuhteissa. Ikiroudassa sitoutuneen hiilen määrä on neljä kertaa ihmisen toiminnasta ilmakehään vapautuneen hiilen määrä nykyaikana.

Seuraukset

Ikiroudan muodostumisella on merkittäviä vaikutuksia ekologisiin järjestelmiin, mikä johtuu pääasiassa juurivyöhykkeille asetettujen rajoitusten sekä maanalaisia koteja vaativien eläimistöjen luolien ja kolojen geometrian rajoituksista. Toissijaiset vaikutukset vaikuttavat kasveista ja eläimistä riippuvaisiin lajeihin, joiden elinympäristöä rajoittaa ikirouta. Yksi yleisimmistä esimerkeistä on mustan kuusen esiintyminen laajoilla ikiroudan alueilla, koska tämä laji sietää rajallista kasvua lähellä pintaa.

Orgaanisen materiaalin analysointia varten tehdään joskus laskelmia ikiroutamaista. Yksi gramma maaperää aktiivisesta kerroksesta voi sisältää yli miljardi bakteerisolua. Kun bakteerit asetetaan vierekkäin, yhdestä kilogrammasta aktiivisen kerroksen maaperää muodostavat 1000 km pituisen ketjun. Bakteerien määrä ikiroutamaassa vaihtelee suuresti, tyypillisesti 1-1000 miljoonaa grammaa kohden. Suurin osa näistäikiroutamaassa olevia bakteereja ja sieniä ei voida viljellä laboratoriossa, mutta mikro-organismien identiteetti voidaan paljastaa DNA-pohjaisilla menetelmillä.

Arktinen alue ja ilmaston lämpeneminen

Arktinen alue on yksi metaanin kasvihuonekaasujen luonnollisista lähteistä. Ilmaston lämpeneminen nopeuttaa sen vapautumista. Suuri määrä metaania varastoituu arktisella alueella maakaasuesiintymiin, ikiroutaan ja vedenalaisten klatraattien muodossa. Muita metaanin lähteitä ovat sukellusveneet, jokikuljetukset, jääkompleksin vetäytyminen, sukellusvene ikirouta ja hajoavat kaasuhydraattiesiintymät. Alustava tietokoneanalyysi osoittaa, että ikirouta voi tuottaa hiiltä noin 15 prosenttia nykyisestä ihmisen toiminnasta aiheutuvista päästöistä. Maaperän lämpeneminen ja sulaminen tekee ikiroudalle rakentamisesta entistä vaarallisempaa.