Ewig gefrorene Böden: Verbreitungsgebiete, Temperatur, Entwicklungsmerkmale

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-12 05:33

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Eigenschaften von Permafrostböden, die in Permafrostzonen üblich sind. In der Geologie ist Permafrost Land, einschließlich steiniger (kryotischer) Böden, das zwei oder mehr Jahre lang bei einer Gefriertemperatur von 0 ° C oder darunter vorhanden ist. Der größte Teil des Permafrosts befindet sich in hohen Breiten (in und um die arktischen und antarktischen Regionen), aber beispielsweise in den Alpen in höheren Lagen.

Grundeis ist nicht immer vorhanden, wie es bei nicht porösem Grundgestein der Fall sein kann, aber es wird oft in Mengen gefunden, die die potenzielle hydraulische Sättigung des Grundmaterials überschreiten. Permafrost macht 0,022 % des gesamten Wassers auf der Erde aus und kommt auf 24 % des offenen Landes in der nördlichen Hemisphäre vor. Es kommt auch unter Wasser auf den Kontinentalschelfs der Kontinente vor, die den Arktischen Ozean umgeben. Laut einer Gruppe von Wissenschaftlern eine globale Temperaturerhöhung von 1,5 ° C (2,7 ° F) über der aktuellenreichen aus, um den Permafrost in Sibirien aufzutauen.

Studie

Im Gegensatz zum relativen Mangel an Berichten über gefrorene Böden in Nordamerika vor dem Zweiten Weltkrieg war Literatur zu den technischen Aspekten des Permafrosts auf Russisch verfügbar. Ab 1942 vertiefte sich Simon William Muller in einschlägige Literatur der Library of Congress und der Library of the United States Geological Survey, um der Regierung bis 1943 ein technisches Handbuch und einen technischen Bericht über Permafrost zur Verfügung zu stellen.

Definition

Permafrost ist Boden, Gestein oder Sediment, das für mehr als zwei aufeinanderfolgende Jahre gefroren war. In nicht eisbedeckten Gebieten existieren sie unter einer Schicht aus Erde, Gestein oder Sediment, die jedes Jahr gefriert und auftaut und als "aktive Schicht" bezeichnet wird. In der Praxis bedeutet dies, dass Permafrost bei einer durchschnittlichen Jahrestemperatur von -2 °C (28,4 °F) oder darunter auftritt. Die Dicke der aktiven Schicht variiert mit der Jahreszeit, reicht aber von 0,3 bis 4 Meter (flach entlang der arktischen Küste; tief in Südsibirien und auf dem Qinghai-Tibet-Plateau).

Geographie

Was ist mit der Ausbreitung von Permafrost? Die Ausdehnung des Permafrosts variiert je nach Klima: Heute sind auf der Nordhalbkugel 24 % der eisfreien Landfläche – das entspricht 19 Millionen Quadratkilometern – mehr oder weniger von Permafrost betroffen.

Etwas mehr als die Hälfte dieser Fläche ist mit durchgehendem Permafrost bedeckt,etwa 20 Prozent sind diskontinuierlicher Permafrost und knapp 30 Prozent sind sporadischer Permafrost. Der größte Teil dieses Territoriums liegt in Sibirien, Nordkanada, Alaska und Grönland. Unterhalb der aktiven Schicht werden die jährlichen Permafrost-Temperaturschwankungen mit der Tiefe geringer. Die tiefste Tiefe des Permafrosts tritt dort auf, wo Erdwärme Temperaturen über dem Gefrierpunkt hält. Oberhalb dieser Grenze kann es Permafrost geben, dessen Temperatur sich nicht jährlich ändert. Das ist „isothermer Permafrost“. Gebiete mit Permafrostböden sind für aktives menschliches Leben schlecht geeignet.

Klima

Permafrost bildet sich normalerweise in jedem Klima, in dem die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Ausnahmen finden sich in feuchten Winterklimaten wie in Nordskandinavien und Nordostrussland westlich des Urals, wo Schnee als isolierende Hülle wirkt. Gletschergebiete können Ausnahmen sein. Da alle Gletscher an ihrer Basis durch geothermische Wärme erhitzt werden, können gemäßigte Gletscher, die sich in der Nähe ihres unter Druck stehenden Schmelzpunkts befinden, flüssiges Wasser an der Grenze zum Land haben. Daher sind sie frei von Permafrost. „Fossile“k alte Anomalien im geothermischen Gradienten in Gebieten, in denen sich während des Pleistozäns tiefer Permafrost entwickelt hat, bestehen bis zu mehreren hundert Metern. Dies geht aus Brunnentemperaturmessungen in Nordamerika und Europa hervor.

Untergrundtemperatur

Typischerweise schwankt die Temperatur im Untergrund von Saison zu Saison weniger alsLufttemperatur. Gleichzeitig nehmen die mittleren Jahrestemperaturen aufgrund des geothermischen Gradienten der Erdkruste tendenziell mit der Tiefe zu. Liegt die durchschnittliche Jahreslufttemperatur also nur knapp unter 0 °C, bildet sich Permafrost nur an geschützten Stellen – meist auf der Nordseite – und es entsteht diskontinuierlicher Permafrost. Typischerweise bleibt Permafrost in Klimazonen, in denen die durchschnittliche jährliche Bodenoberflächentemperatur -5 bis 0 ° C (23 bis 32 ° F) beträgt, diskontinuierlich. Die oben erwähnten Gebiete mit nassen Wintern haben möglicherweise nicht einmal zeitweiligen Permafrost bis zu -2 °C (28 °F).

Permafrostarten

Permafrost wird oft weiter unterteilt in ausgedehnten diskontinuierlichen Permafrost, wobei Permafrost 50 bis 90 Prozent der Landschaft bedeckt und typischerweise in Gebieten mit mittleren Jahrestemperaturen von -2 bis -4 °C (28 bis 25 °F) vorkommt., und sporadischer Permafrost, bei dem Permafrost weniger als 50 Prozent der Landschaft bedeckt und typischerweise bei mittleren Jahrestemperaturen zwischen 0 und -2 ° C (32 und 28 ° F) auftritt. In der Bodenkunde ist die sporadische Permafrostzone die SPZ, während die ausgedehnte diskontinuierliche Permafrostzone die Fernerkundungszone ist. Ausnahmen gibt es im unverglasten Sibirien und in Alaska, wo die aktuelle Tiefe des Permafrosts ein Überbleibsel der Klimabedingungen während der Eiszeit ist, wo die Winter 11 °C (20 °F) kälter waren als heute.

Permafrosttemperatur

Wenn die durchschnittlichen jährlichen Bodenoberflächentemperaturen unter -5 °C (23 °F) liegen, ist der Einfluss des Aspektskann nie ausreichen, um den Permafrost aufzutauen und eine durchgehende Permafrostzone (kurz CPZ) zu bilden. Die Linie des kontinuierlichen Permafrosts auf der Nordhalbkugel stellt die südlichste Grenze dar, an der das Land von kontinuierlichem Permafrost oder Gletschereis bedeckt ist.

Design auf Permafrost ist aus offensichtlichen Gründen eine extrem schwierige Aufgabe. Die durchgehende Permafrostlinie verschiebt sich aufgrund des regionalen Klimawandels weltweit nach Norden oder Süden. Auf der Südhalbkugel würde der größte Teil der entsprechenden Linie im Südpolarmeer liegen, wenn es Land gäbe. Der größte Teil des antarktischen Kontinents ist von Gletschern bedeckt, unter denen der größte Teil des Geländes im Boden schmilzt. Das exponierte Land der Antarktis besteht größtenteils aus Permafrost.

Alpen

Schätzungen der Gesamtfläche der Permafrostzone in den Alpen schwanken stark. Bockheim und Munro kombinierten die drei Quellen und erstellten tabellarische Schätzungen nach Regionen (insgesamt 3.560.000 km2).

Der alpine Permafrost in den Anden war nicht auf der Karte. Die Ausdehnung wird in diesem Fall modelliert, um die Wassermenge in diesen Gebieten abzuschätzen. Im Jahr 2009 entdeckte ein alaskischer Forscher Permafrost auf 4.700 m (15.400 ft) auf Afrikas höchstem Gipfel, dem Kilimandscharo, etwa 3° nördlich des Äquators. Gründungen auf Permafrostböden sind in diesen Breiten keine Seltenheit.

Gefrorene Meere und gefrorener Boden

Meeres-Permafrost tritt unter dem Meeresboden auf und existiert auf polaren FestlandsockelnRegionen. Diese Gebiete entstanden während der letzten Eiszeit, als der größte Teil des Wassers der Erde in Eisschilden an Land eingeschlossen war und der Meeresspiegel niedrig war. Als die Eisschilde schmolzen und wieder zu Meerwasser wurden, wurde der Permafrost unter relativ warmen und salzigen Randbedingungen im Vergleich zum Permafrost an der Oberfläche zu untergetauchten Regalen. Daher existiert Unterwasser-Permafrost unter Bedingungen, die zu seiner Verringerung führen. Laut Osterkamp ist Unterwasser-Permafrost ein Faktor bei „der Planung, dem Bau und dem Betrieb von Küstenanlagen, Meeresbodenstrukturen, künstlichen Inseln, Unterwasserpipelines und Bohrlöchern, die zur Exploration und Produktion gebohrt werden“.

Permafrost erstreckt sich bis in die Tiefen der Basis, wo die geothermische Wärme der Erde und die durchschnittliche jährliche Oberflächentemperatur eine Gleichgewichtstemperatur von 0 °C erreichen. Die Tiefe der Permafrostbasis erreicht 1.493 Meter (4.898 Fuß) in den nördlichen Becken der Flüsse Lena und Yana in Sibirien. Der geothermische Gradient ist die Rate des Temperaturanstiegs relativ zur Zunahme der Tiefe im Erdinneren. Weit entfernt von den Grenzen der tektonischen Platte beträgt sie in den meisten Ländern der Erde etwa 25-30 °C/km in Oberflächennähe. Sie variiert mit der Wärmeleitfähigkeit des geologischen Materials und ist bei Permafrost im Boden geringer als im Grundgestein.

Eis im Boden

Wenn der Eisgeh alt von Permafrost 250 Prozent übersteigt (von der Eismasse bis zum trockenen Boden), wird er als klassifiziertmassives Eis. Massive Eiskörper können in ihrer Zusammensetzung von eisigem Schlamm bis zu reinem Eis reichen. Massive Eisschichten haben eine Mindestdicke von mindestens 2 Metern, einen kurzen Durchmesser von mindestens 10 Metern. Die ersten aufgezeichneten Sichtungen in Nordamerika wurden 1919 von europäischen Wissenschaftlern am Canning River in Alaska gemacht. Die russische Literatur gibt ein früheres Datum von 1735 und 1739 während der Großen Nordexpedition von P. Lassinius bzw. Kh. P. Laptev an. Die zwei Kategorien von massivem Grundeis sind vergrabenes Oberflächeneis und sogenanntes "Intra-Shed-Eis". Die Schaffung von Fundamenten auf Permafrost erfordert, dass keine großen Gletscher in der Nähe sind.

Vergrabenes Oberflächeneis kann von Schnee, gefrorenem See- oder Meereis, Aufeis (gerolltem Flusseis) stammen und die wahrscheinlich häufigste Variante ist vergrabenes Gletschereis.

Grundwasser gefriert

Intradiestimales Eis entsteht durch Gefrieren des Grundwassers. Hier herrscht Seigerungseis vor, das durch Kristallisationsdifferenzierung entsteht, die beim Gefrieren von nassem Niederschlag auftritt. Der Vorgang wird von einer Wasserwanderung zur Gefrierfront begleitet.

Intradiestimales (konstitutionelles) Eis wurde in ganz Kanada umfassend beobachtet und untersucht und umfasst auch Intrusiv- und Injektionseis. Darüber hinaus erzeugen Eiskeile, eine separate Art von Grundeis, erkennbare gemusterte Polygone oder Tundra-Polygone. Eiskeile bilden sich in einer bereits bestehenden geologischen FormSubstrat. Sie wurden erstmals 1919 beschrieben.

Kohlenstoffkreislauf

Der Permafrost-Kohlenstoffkreislauf befasst sich mit der Übertragung von Kohlenstoff aus Permafrostböden auf terrestrische Vegetation und Mikroben, in die Atmosphäre, zurück zur Vegetation und schließlich zurück in den Permafrostboden durch Vergrabung und Niederschlag durch kryogene Prozesse. Ein Teil dieses Kohlenstoffs wird durch den globalen Kohlenstoffkreislauf in die Ozeane und andere Teile der Erde übertragen. Der Kreislauf umfasst den Austausch von Kohlendioxid und Methan zwischen terrestrischen Komponenten und der Atmosphäre sowie den Transport von Kohlenstoff zwischen Land und Wasser in Form von Methan, gelöstem organischem Kohlenstoff, gelöstem anorganischem Kohlenstoff, anorganischen Kohlenstoffpartikeln und organischen Kohlenstoffpartikeln.

Verlauf

Der Permafrostboden der Arktis ist im Laufe der Jahrhunderte geschrumpft. Die Folge davon ist ein eventuell schwächeres Auftauen des Bodens und die Freisetzung von Methan, das in einer Rückkopplungsschleife zu einer Erhöhung der globalen Erwärmungsrate beiträgt. Die Verbreitungsgebiete von Permafrostböden haben sich in der Geschichte ständig verändert.

Beim letzten glazialen Maximum bedeckte durchgehender Permafrost eine viel größere Fläche als heute. In Nordamerika existierte nur ein sehr schmaler Permafrostgürtel südlich der Breitengrad-Eisdecke von New Jersey in Süd-Iowa und Nord-Missouri. Es war in den trockeneren westlichen Regionen weit verbreitet, wo es sich bis zur südlichen Grenze von Idaho und Oregon erstreckte. Auf der Südhalbkugel gibt es einige Hinweise auf einen ehemaligen EwigenPermafrost dieser Zeit in Zentral-Otago und im argentinischen Patagonien, aber er war wahrscheinlich diskontinuierlich und mit der Tundra verbunden. Alpiner Permafrost trat auch in den Drakensbergen während der Existenz von Gletschern über 3.000 Metern (9.840 Fuß) auf. Trotzdem werden auch dort Fundamente und Fundamente auf Permafrost errichtet.

Bodenstruktur

Boden kann aus vielen Substratmaterialien bestehen, darunter Grundgestein, Sedimente, organische Stoffe, Wasser oder Eis. Gefrorener Boden ist alles unter dem Gefrierpunkt von Wasser, unabhängig davon, ob Wasser im Substrat vorhanden ist oder nicht. Grundeis ist nicht immer vorhanden, wie es bei nicht porösem Grundgestein der Fall sein kann, aber es ist üblich und kann in Mengen vorhanden sein, die die potenzielle hydraulische Sättigung des aufgetauten Substrats überschreiten.

Infolgedessen nehmen die Niederschläge zu, was wiederum Gebäude in Gebieten wie Norilsk im Norden Russlands, das in der Permafrostzone liegt, schwächt und möglicherweise zum Einsturz bringt.

Hangeinsturz

Im vergangenen Jahrhundert gab es viele gemeldete Fälle von alpinem Hängebruch in Gebirgszügen auf der ganzen Welt. Es wird erwartet, dass eine große Menge an strukturellen Schäden mit dem schmelzenden Permafrost verbunden ist, von dem angenommen wird, dass er durch den Klimawandel verursacht wird. Es wird angenommen, dass schmelzender Permafrost zum Erdrutsch von Val Pola im Jahr 1987 beigetragen hat, bei dem 22 Menschen in den italienischen Alpen ums Leben kamen. Groß in GebirgszügenEin Teil der strukturellen Stabilität kann auf Gletscher und Permafrost zurückzuführen sein. Wenn sich das Klima erwärmt, taut der Permafrostboden auf, was zu einer weniger stabilen Bergstruktur und schließlich zu mehr Hängebrüchen führt. Eine Erhöhung der Temperatur ermöglicht tiefere Tiefen der aktiven Schicht, was ein noch stärkeres Eindringen von Wasser zur Folge hat. Das Eis im Boden schmilzt, was zu einem Verlust der Bodenfestigkeit, einer beschleunigten Bewegung und potenziellen Murgängen führt. Bauen auf Permafrost ist daher höchst unerwünscht.

Es gibt auch Informationen über massive Stein- und Eisstürze (bis zu 11,8 Millionen m³), Erdbeben (bis zu 3,9 Millionen Meilen), Überschwemmungen (bis zu 7. 8 Millionen m³ Wasser) und die schnelle Strömung von Felseis. Dies wird durch "Hanginstabilität" bei Permafrostbedingungen im Hochland verursacht. Hanginstabilität im Permafrost bei erhöhten Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt im sich erwärmenden Permafrost ist mit effektivem Stress und erhöhtem Porenwasserdruck in diesen Böden verbunden.

Entwicklung von Permafrostböden

Jason Kea und Co-Autoren haben ein neues filterloses starres Piezometer (FRP) erfunden, um den Porenwasserdruck in teilweise gefrorenen Böden wie z. B. sich erwärmendem Permafrost zu messen. Sie erweiterten die Anwendung des Konzepts der effektiven Spannung auf teilweise gefrorene Böden zur Verwendung bei der Hangstabilitätsanalyse von sich erwärmenden Permafrosthängen. Die Anwendung des Konzepts der effektiven Spannung hat viele Vorteile, zum Beispiel die Fähigkeit, Basen und Fundamente darauf aufzubauenPermafrostböden.

Bio

In der nördlichen Zirkumpolarregion enthält Permafrost 1.700 Milliarden Tonnen organisches Material, fast die Hälfte aller organischen Stoffe. Dieses Becken wurde über Jahrtausende geschaffen und wird langsam in den k alten Bedingungen der Arktis zerstört. Die im Permafrost gespeicherte Kohlenstoffmenge ist viermal so hoch wie die Kohlenstoffmenge, die durch menschliche Aktivitäten in der heutigen Zeit in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Konsequenzen

Die Bildung von Permafrost hat erhebliche Auswirkungen auf Ökosysteme, hauptsächlich aufgrund von Beschränkungen, die Wurzelzonen auferlegt werden, sowie Einschränkungen der Geometrie von Höhlen und Höhlen für Tiere, die unterirdische Behausungen benötigen. Sekundäre Auswirkungen betreffen von Pflanzen und Tieren abhängige Arten, deren Lebensraum durch Permafrost begrenzt ist. Eines der häufigsten Beispiele ist die Verbreitung der Schwarzfichte in weiten Gebieten mit Permafrost, da diese Art eine begrenzte Ansiedlung in Oberflächennähe tolerieren kann.

Berechnungen von Permafrostböden werden manchmal für die Analyse von organischem Material durchgeführt. Ein Gramm Erde aus einer aktiven Schicht kann über eine Milliarde Bakterienzellen enth alten. Aneinandergelegt bilden Bakterien aus einem Kilogramm Erde der Aktivschicht eine 1000 km lange Kette. Die Anzahl der Bakterien im Permafrostboden schwankt stark, typischerweise zwischen 1 und 1000 Millionen pro Gramm Boden. Die meisten von diesenBakterien und Pilze in Permafrostböden können nicht im Labor gezüchtet werden, aber die Identität von Mikroorganismen kann mit DNA-basierten Methoden aufgedeckt werden.

Die Arktis und die globale Erwärmung

Die arktische Region ist eine der natürlichen Quellen von Methan-Treibhausgasen. Die globale Erwärmung beschleunigt seine Freisetzung. In der Arktis ist eine große Menge Methan in Erdgasvorkommen, im Permafrost und in Form von Unterwasser-Clathraten gespeichert. Andere Methanquellen sind unterseeische Talks, Flusstransporte, der Rückzug von Eiskomplexen, unterseeischer Permafrost und zerfallende Gashydratablagerungen. Vorläufige Computeranalysen zeigen, dass Permafrost Kohlenstoff erzeugen kann, der etwa 15 Prozent der heutigen Emissionen aus menschlichen Aktivitäten entspricht. Das Erwärmen und Auftauen von Bodenmassiven macht das Bauen auf Permafrost noch gefährlicher.