Da questo articolo imparerai le caratteristiche dei terreni di permafrost che sono comuni nelle zone di permafrost. In geologia, il permafrost è terra, compreso il suolo pietroso (criotico), che è presente a una temperatura di congelamento di 0 °C o inferiore per due o più anni. La maggior parte del permafrost si trova alle alte latitudini (dentro e intorno alle regioni artiche e antartiche), ma, ad esempio, nelle Alpi si trova ad altitudini più elevate.
Il ghiaccio macinato non è sempre presente, come potrebbe essere il caso del substrato roccioso non poroso, ma si trova spesso in quantità superiori alla potenziale saturazione idraulica del materiale macinato. Il permafrost costituisce lo 0,022% dell'acqua totale sulla Terra ed esiste nel 24% delle terre aperte nell'emisfero settentrionale. Si trova anche sott'acqua sulle piattaforme continentali dei continenti che circondano l'Oceano Artico. Secondo un gruppo di scienziati, un aumento della temperatura globale di 1,5 °C (2,7 °F) sopra l'attualei livelli saranno sufficienti per iniziare a scongelare il permafrost in Siberia.
Studio
In contrasto con la relativa scarsità di rapporti sui suoli ghiacciati in Nord America prima della seconda guerra mondiale, la letteratura sugli aspetti ingegneristici del permafrost era disponibile in russo. A partire dal 1942, Simon William Muller ha approfondito la letteratura pertinente detenuta dalla Library of Congress e dalla Library of the United States Geological Survey per fornire al governo un manuale di ingegneria e un rapporto tecnico sul permafrost entro il 1943.
Definizione
Il permafrost è suolo, roccia o sedimenti che sono stati congelati per più di due anni consecutivi. Nelle aree non coperte di ghiaccio, esistono sotto uno strato di terreno, roccia o sedimento che gela e si scioglie ogni anno ed è chiamato "strato attivo". In pratica, ciò significa che il permafrost si verifica a una temperatura media annuale di -2 °C (28,4 °F) o inferiore. Lo spessore dello strato attivo varia con la stagione, ma varia da 0,3 a 4 metri (poco profondo lungo la costa artica; in profondità nella Siberia meridionale e nell' altopiano Qinghai-tibetano).
Geografia
E la diffusione del permafrost? L'estensione del permafrost varia in base al clima: oggi nell'emisfero settentrionale, il 24% della superficie libera dai ghiacci - pari a 19 milioni di chilometri quadrati - è più o meno interessata dal permafrost.
Leggermente più della metà di quest'area è coperta da permafrost continuo,circa il 20 percento è permafrost discontinuo e poco meno del 30 percento è permafrost sporadico. La maggior parte di questo territorio si trova in Siberia, Canada settentrionale, Alaska e Groenlandia. Sotto lo strato attivo, le fluttuazioni annuali della temperatura del permafrost si riducono con la profondità. La profondità più profonda del permafrost si verifica dove il calore geotermico mantiene le temperature sopra lo zero. Al di sopra di questo limite, potrebbe esserci permafrost, la cui temperatura non cambia ogni anno. Questo è il "permafrost isotermico". Le aree dei suoli di permafrost sono poco adatte alla vita umana attiva.
Clima
Il permafrost di solito si forma in qualsiasi clima in cui la temperatura media annuale dell'aria è inferiore al punto di congelamento dell'acqua. Si possono trovare eccezioni nei climi invernali umidi, come nella Scandinavia settentrionale e nella Russia nord-orientale a ovest degli Urali, dove la neve funge da copertura isolante. Le aree glaciali possono essere eccezioni. Poiché tutti i ghiacciai sono riscaldati alla loro base dal calore geotermico, i ghiacciai temperati che sono vicini al loro punto di fusione pressurizzato possono avere acqua liquida al confine con la terraferma. Pertanto, sono esenti da permafrost. Anomalie del freddo "fossile" nel gradiente geotermico nelle aree in cui si è sviluppato il permafrost profondo durante il Pleistocene persistono fino a diverse centinaia di metri. Ciò è evidente dalle misurazioni della temperatura dei pozzi in Nord America e in Europa.
Temperatura sotterranea
In genere, la temperatura nel sottosuolo varia di stagione in stagione meno ditemperatura dell'aria. Allo stesso tempo, le temperature medie annuali tendono ad aumentare con la profondità a causa del gradiente geotermico della crosta terrestre. Pertanto, se la temperatura media annuale dell'aria è solo leggermente inferiore a 0 ° C (32 ° F), il permafrost si formerà solo in luoghi protetti, di solito sul lato nord, creando un permafrost discontinuo. Tipicamente, il permafrost rimarrà discontinuo nei climi in cui la temperatura media annuale della superficie del suolo è compresa tra -5 e 0°C (da 23 a 32°F). Le aree con inverni umidi menzionate sopra potrebbero non avere nemmeno un permafrost intermittente fino a -2 °C (28 °F).
Tipi di permafrost
Il permafrost è spesso ulteriormente suddiviso in un ampio permafrost discontinuo, dove il permafrost copre dal 50 al 90 percento del paesaggio e si trova tipicamente in aree con temperature medie annuali comprese tra -2 e -4 °C (da 28 a 25 °F), e il permafrost sporadico, in cui il permafrost copre meno del 50% del paesaggio e in genere si verifica a temperature medie annuali comprese tra 0 e -2 ° C (32 e 28 ° F). Nella scienza del suolo, la zona di permafrost sporadico è la ZPS, mentre l'ampia zona di permafrost discontinua è la zona di telerilevamento. Eccezioni si verificano nella Siberia e nell'Alaska non sm altate, dove l'attuale profondità del permafrost è un residuo delle condizioni climatiche durante l'era glaciale, dove gli inverni erano di 11 °C (20 °F) più freddi di oggi.
Temperatura del permafrost
Quando le temperature medie annuali della superficie del suolo sono inferiori a -5 °C (23 °F), l'influenza dell'aspettonon può mai essere abbastanza per scongelare il permafrost e formare una zona di permafrost continua (CPZ in breve). La linea del permafrost continuo nell'emisfero settentrionale rappresenta il confine più meridionale dove la terra è coperta dal permafrost continuo o dal ghiaccio glaciale.
Per ovvi motivi, progettare sul permafrost è un compito estremamente difficile. La linea continua del permafrost sta cambiando a nord oa sud in tutto il mondo a causa del cambiamento climatico regionale. Nell'emisfero australe, la maggior parte della linea equivalente sarebbe nell'Oceano Australe se ci fosse terra. La maggior parte del continente antartico è ricoperta da ghiacciai, sotto i quali la maggior parte del terreno è soggetta a scioglimento nel terreno. La terra esposta dell'Antartide è in gran parte permafrost.
Alpi
Le stime dell'area totale della zona del permafrost nelle Alpi variano notevolmente. Bockheim e Munro hanno combinato le tre fonti e fatto stime tabellari per regione (3.560.000 km2 in totale).
Il permafrost alpino nelle Ande non era sulla mappa. L'estensione in questo caso è modellata per stimare la quantità di acqua in queste aree. Nel 2009, un ricercatore dell'Alaska ha scoperto il permafrost a 4.700 m (15.400 piedi) sulla vetta più alta dell'Africa, il Kilimangiaro, a circa 3° a nord dell'equatore. Non sono rare le fondazioni su suoli di permafrost a queste latitudini.
Mari ghiacciati e fondali ghiacciati
Il permafrost marino si verifica sotto il fondale marino ed esiste sulle piattaforme continentali polariregioni. Queste aree si sono formate durante l'ultima era glaciale, quando la maggior parte dell'acqua terrestre era rinchiusa nelle calotte glaciali sulla terraferma e il livello del mare era basso. Quando le calotte di ghiaccio si sono sciolte e sono diventate di nuovo acqua di mare, il permafrost è diventato piattaforme sommerse in condizioni al contorno relativamente calde e salate rispetto al permafrost in superficie. Pertanto, il permafrost subacqueo esiste in condizioni che portano alla sua riduzione. Secondo Osterkamp, il permafrost sottomarino è un fattore nella progettazione, costruzione e gestione di strutture costiere, strutture del fondale marino, isole artificiali, condotte sottomarine e pozzi perforati per l'esplorazione e la produzione.
Il permafrost si estende fino alle profondità della base, dove il calore geotermico proveniente dalla Terra e la temperatura superficiale media annuale raggiungono una temperatura di equilibrio di 0 °C. La profondità della base del permafrost raggiunge i 1.493 metri (4.898 piedi) nei bacini settentrionali dei fiumi Lena e Yana in Siberia. Il gradiente geotermico è il tasso di aumento della temperatura rispetto all'aumento della profondità all'interno della Terra. Lontano dai confini della placca tettonica, si trova a circa 25-30 °C/km vicino alla superficie nella maggior parte dei paesi del mondo. Varia con la conducibilità termica del materiale geologico ed è minore per il permafrost nel suolo che nel substrato roccioso.
Ghiaccio nel terreno
Quando il contenuto di ghiaccio del permafrost supera il 250 percento (dalla massa di ghiaccio al suolo asciutto), viene classificato comeghiaccio massiccio. Enormi corpi di ghiaccio possono variare nella composizione dal fango ghiacciato al ghiaccio puro. I massicci strati di ghiaccio hanno uno spessore minimo di almeno 2 metri, un diametro corto di almeno 10 metri. I primi avvistamenti registrati in Nord America furono fatti da scienziati europei sul fiume Canning in Alaska nel 1919. La letteratura russa fornisce una data precedente del 1735 e del 1739 durante la Grande spedizione settentrionale di P. Lassinius e Kh. P. Laptev, rispettivamente. Le due categorie di ghiaccio macinato massiccio sono il ghiaccio superficiale sepolto e il cosiddetto "ghiaccio interno". La creazione di eventuali fondamenta sul permafrost richiede che non ci siano grandi ghiacciai nelle vicinanze.
Il ghiaccio superficiale sepolto può provenire da neve, lago ghiacciato o ghiaccio marino, aufeis (ghiaccio di fiume rotolato) e probabilmente la variante più comune è il ghiaccio glaciale sepolto.
Congelamento delle acque sotterranee
Il ghiaccio intradiestimale si forma a seguito del congelamento delle acque sotterranee. Qui prevale la segregazione del ghiaccio, che si verifica a seguito della differenziazione della cristallizzazione che si verifica durante il congelamento delle precipitazioni umide. Il processo è accompagnato dalla migrazione dell'acqua verso il fronte di congelamento.
Il ghiaccio intradiestimale (costituzionale) è stato ampiamente osservato e studiato in tutto il Canada e include anche ghiaccio intrusivo e per iniezione. Inoltre, i cunei di ghiaccio, un tipo separato di ghiaccio macinato, producono poligoni modellati riconoscibili o poligoni della tundra. I cunei di ghiaccio si formano in una preesistente geologiasubstrato. Furono descritti per la prima volta nel 1919.
Ciclo del carbonio
Il ciclo del carbonio del permafrost riguarda il trasferimento di carbonio dai suoli del permafrost alla vegetazione terrestre e ai microbi, nell'atmosfera, di nuovo alla vegetazione e infine al suolo del permafrost attraverso l'interramento e la precipitazione attraverso processi criogenici. Parte di questo carbonio viene trasferito nell'oceano e in altre parti del globo attraverso il ciclo globale del carbonio. Il ciclo comprende lo scambio di anidride carbonica e metano tra i componenti terrestri e l'atmosfera e il trasporto di carbonio tra terra e acqua sotto forma di metano, carbonio organico disciolto, carbonio inorganico disciolto, particelle di carbonio inorganico e particelle di carbonio organico.
Cronologia
Il permafrost dell'Artico si è ridotto nel corso dei secoli. La conseguenza di ciò è lo scongelamento del suolo, che può essere più debole, e il rilascio di metano, che contribuisce ad aumentare il tasso di riscaldamento globale in un ciclo di feedback. Le aree di distribuzione dei suoli permafrost sono cambiate costantemente nella storia.
All'ultimo massimo glaciale, il permafrost continuo copriva un'area molto più ampia di quella odierna. In Nord America, esisteva solo una cintura molto stretta di permafrost a sud della latitudine della calotta glaciale del New Jersey nell'Iowa meridionale e nel Missouri settentrionale. Era esteso nelle regioni occidentali più aride, dove si estendeva fino al confine meridionale dell'Idaho e dell'Oregon. Nell'emisfero australe, ci sono alcune prove di un passato eternopermafrost di questo periodo nell'Otago centrale e nella Patagonia argentina, ma probabilmente era discontinuo e associato alla tundra. Il permafrost alpino si è verificato anche nel Drakensberg durante l'esistenza di ghiacciai sopra i 3.000 metri (9.840 piedi). Tuttavia, anche lì vengono stabilite fondamenta e fondazioni sul permafrost.
Struttura del suolo
Il suolo può essere composto da molti materiali di substrato, inclusi substrato roccioso, sedimenti, materia organica, acqua o ghiaccio. Il terreno ghiacciato è qualsiasi cosa al di sotto del punto di congelamento dell'acqua, indipendentemente dal fatto che l'acqua sia presente o meno nel substrato. Il ghiaccio macinato non è sempre presente, come potrebbe essere il caso del substrato roccioso non poroso, ma è comune e può essere presente in quantità superiori alla potenziale saturazione idraulica del substrato scongelato.
Di conseguenza, le precipitazioni stanno aumentando, il che a sua volta sta indebolendo e forse facendo crollare gli edifici in aree come Norilsk nel nord della Russia, che si trova nella zona del permafrost.
Crollo del pendio
Nel secolo scorso, sono stati segnalati molti casi di cedimento dei pendii alpini nelle catene montuose di tutto il mondo. Si prevede che una grande quantità di danni strutturali sarà associata allo scioglimento del permafrost, che si ritiene sia causato dai cambiamenti climatici. Si ritiene che lo scioglimento del permafrost abbia contribuito alla frana della Val Pola del 1987 che ha ucciso 22 persone nelle Alpi italiane. Grande nelle catene montuoseparte della stabilità strutturale può essere dovuta ai ghiacciai e al permafrost. Quando il clima si riscalda, il permafrost si scioglie, portando a una struttura montuosa meno stabile e alla fine a un maggiore cedimento dei pendii. L'aumento della temperatura consente una profondità più profonda dello strato attivo, il che comporta una penetrazione dell'acqua ancora maggiore. Il ghiaccio nel terreno si scioglie, causando perdita di forza del suolo, movimento accelerato e potenziali colate detritiche. Pertanto, la costruzione sul permafrost è altamente indesiderabile.
Ci sono anche informazioni su massicce cadute di rocce e ghiaccio (fino a 11,8 milioni di m3), terremoti (fino a 3,9 milioni di miglia), inondazioni (fino a 7, 8 milioni di m3 di acqua) e il rapido flusso di ghiaccio roccioso. Ciò è causato dall '"instabilità dei pendii" in condizioni di permafrost negli altopiani. L'instabilità dei pendii nel permafrost a temperature elevate prossime allo zero nel permafrost in fase di riscaldamento è associata a uno stress efficace e all'aumento della pressione interstiziale dell'acqua in questi suoli.
Sviluppo dei suoli permafrost
Jason Kea e coautori hanno inventato un nuovo piezometro rigido (FRP) senza filtro per misurare la pressione interstiziale dell'acqua in terreni parzialmente ghiacciati come il riscaldamento del permafrost. Hanno esteso l'uso del concetto di sollecitazione efficace ai suoli parzialmente congelati per l'uso nell'analisi della stabilità dei pendii del riscaldamento dei pendii del permafrost. L'applicazione del concetto di stress efficace presenta molti vantaggi, ad esempio la capacità di costruire basi e fondamenta su cui poggiaresuoli permafrost.
Biologico
Nella regione circumpolare settentrionale, il permafrost contiene 1.700 miliardi di tonnellate di materiale organico, quasi la metà di tutta la materia organica. Questo bacino è stato creato nel corso di millenni e viene lentamente distrutto nelle condizioni fredde dell'Artico. La quantità di carbonio sequestrata nel permafrost è quattro volte la quantità di carbonio rilasciata nell'atmosfera dall'attività umana nei tempi moderni.
Conseguenze
La formazione del permafrost ha implicazioni significative per i sistemi ecologici, principalmente a causa delle restrizioni imposte alle zone delle radici, nonché delle restrizioni sulla geometria di tane e tane per la fauna che richiede abitazioni sotterranee. Gli impatti secondari colpiscono le specie dipendenti da piante e animali il cui habitat è limitato dal permafrost. Uno degli esempi più comuni è la prevalenza dell'abete nero in vaste aree di permafrost, poiché questa specie può tollerare uno stabilimento limitato vicino alla superficie.
I calcoli dei suoli di permafrost vengono talvolta effettuati per l'analisi del materiale organico. Un grammo di terreno da uno strato attivo può contenere oltre un miliardo di cellule batteriche. Quando sono posti uno accanto all' altro, i batteri di un chilogrammo di terreno dello strato attivo formano una catena lunga 1000 km. Il numero di batteri nel suolo del permafrost varia ampiamente, in genere tra 1 e 1000 milioni per grammo di suolo. Molti di questibatteri e funghi nel suolo del permafrost non possono essere coltivati in laboratorio, ma l'identità dei microrganismi può essere rivelata utilizzando metodi basati sul DNA.
La regione artica e il riscaldamento globale
La regione artica è una delle fonti naturali di gas serra di metano. Il riscaldamento globale ne sta accelerando il rilascio. Una grande quantità di metano viene immagazzinata nell'Artico nei depositi di gas naturale, nel permafrost e sotto forma di clatrati sottomarini. Altre fonti di metano includono talik sottomarini, trasporti fluviali, ritiro del complesso di ghiaccio, permafrost sottomarino e depositi di idrati di gas in decomposizione. L'analisi preliminare del computer indica che il permafrost può produrre carbonio pari a circa il 15 per cento delle emissioni odierne delle attività umane. Il riscaldamento e il disgelo dei massicci del suolo rende la costruzione sul permafrost ancora più pericoloso.
