Solos eternamente congelados: áreas de distribuição, temperatura, características de desenvolvimento

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Última modificação: 2024-02-12 11:52

Neste artigo você aprenderá sobre as características dos solos de permafrost que são comuns em zonas de permafrost. Em geologia, o permafrost é terra, incluindo solo pedregoso (criótico), que está presente a uma temperatura de congelamento de 0 ° C ou menos por dois ou mais anos. A maior parte do permafrost está localizado em altas latitudes (dentro e ao redor das regiões ártica e antártica), mas, por exemplo, nos Alpes, ele é encontrado em altitudes mais altas.

O gelo do solo nem sempre está presente, como pode ser o caso de rochas não porosas, mas é frequentemente encontrado em quantidades superiores à saturação hidráulica potencial do material do solo. O permafrost representa 0,022% do total de água na Terra e existe em 24% das terras abertas no Hemisfério Norte. Também ocorre debaixo d'água nas plataformas continentais dos continentes ao redor do Oceano Ártico. De acordo com um grupo de cientistas, um aumento da temperatura global de 1,5 ° C (2,7 ° F) acima da atualníveis serão suficientes para começar a descongelar o permafrost na Sibéria.

Estudar

Em contraste com a relativa escassez de relatórios sobre solos congelados na América do Norte antes da Segunda Guerra Mundial, a literatura sobre os aspectos de engenharia do permafrost estava disponível em russo. A partir de 1942, Simon William Muller mergulhou na literatura relevante mantida pela Biblioteca do Congresso e pela Biblioteca do Serviço Geológico dos Estados Unidos para fornecer ao governo um manual de engenharia e um relatório técnico sobre o permafrost em 1943.

Definição

Permafrost é solo, rocha ou sedimento que foi congelado por mais de dois anos consecutivos. Em áreas não cobertas de gelo, eles existem sob uma camada de solo, rocha ou sedimento que congela e derrete todos os anos e é chamada de "camada ativa". Na prática, isso significa que o permafrost ocorre a uma temperatura média anual de -2 ° C (28,4 ° F) ou inferior. A espessura da camada ativa varia com a estação do ano, mas varia de 0,3 a 4 metros (raso ao longo da costa do Ártico; profundo no sul da Sibéria e no Plan alto Qinghai-Tibetano).

Geografia

E a propagação do permafrost? A extensão do permafrost varia de acordo com o clima: hoje no Hemisfério Norte, 24% da área de terra livre de gelo - equivalente a 19 milhões de quilômetros quadrados - é mais ou menos afetada pelo permafrost.

Pouco mais da metade desta área é coberta por permafrost contínuo,cerca de 20% é permafrost descontínuo e pouco menos de 30% é permafrost esporádico. A maior parte deste território está localizado na Sibéria, norte do Canadá, Alasca e Groenlândia. Abaixo da camada ativa, as flutuações anuais de temperatura do permafrost tornam-se menores com a profundidade. A maior profundidade do permafrost ocorre onde o calor geotérmico mantém as temperaturas acima de zero. Acima desse limite, pode haver permafrost, cuja temperatura não muda anualmente. Este é o "permafrost isotérmico". Áreas de solos permafrost são pouco adequadas para a vida humana ativa.

Clima

Permafrost geralmente se forma em qualquer clima onde a temperatura média anual do ar está abaixo do ponto de congelamento da água. Exceções podem ser encontradas em climas de inverno úmido, como no norte da Escandinávia e no nordeste da Rússia, a oeste dos Urais, onde a neve atua como uma cobertura isolante. As áreas glaciais podem ser exceções. Como todas as geleiras são aquecidas em suas bases pelo calor geotérmico, as geleiras temperadas que estão perto de seu ponto de fusão pressurizado podem ter água líquida na fronteira com a terra. Portanto, eles estão livres de permafrost. Anomalias frias "fósseis" no gradiente geotérmico em áreas onde o permafrost profundo se desenvolveu durante o Pleistoceno persistem até várias centenas de metros. Isso fica evidente nas medições de temperatura de poços na América do Norte e na Europa.

Temperatura subterrânea

Normalmente, a temperatura no subsolo varia de estação para estação menos detemperatura do ar. Ao mesmo tempo, as temperaturas médias anuais tendem a aumentar com a profundidade como resultado do gradiente geotérmico da crosta terrestre. Assim, se a temperatura média anual do ar for apenas um pouco abaixo de 0 ° C (32 ° F), o permafrost só se formará em locais protegidos - geralmente no lado norte - criando permafrost descontínuo. Normalmente, o permafrost permanecerá descontínuo em climas onde a temperatura média anual da superfície do solo é de -5 a 0°C (23 a 32°F). As áreas com invernos úmidos mencionados acima podem nem ter permafrost intermitente até -2 °C (28 °F).

Tipos de permafrost

Permafrost é muitas vezes dividido em permafrost descontínuo extenso, onde o permafrost cobre 50 a 90 por cento da paisagem e é normalmente encontrado em áreas com temperaturas médias anuais de -2 a -4 ° C (28 a 25 ° F), e permafrost esporádico, onde o permafrost cobre menos de 50 por cento da paisagem e normalmente ocorre em temperaturas médias anuais entre 0 e -2 ° C (32 e 28 ° F). Na ciência do solo, a zona esporádica de permafrost é a SPZ, enquanto a extensa zona descontínua de permafrost é a zona de sensoriamento remoto. Exceções ocorrem na Sibéria e no Alasca não envidraçados, onde a profundidade atual do permafrost é um remanescente das condições climáticas durante a Idade do Gelo, onde os invernos eram 11 °C (20 °F) mais frios do que hoje.

Temperatura do permafrost

Quando as temperaturas médias anuais da superfície do solo estão abaixo de -5 °C (23 °F), a influência do aspectonunca pode ser suficiente para descongelar o permafrost e formar uma zona contínua de permafrost (CPZ para abreviar). A linha de permafrost contínuo no Hemisfério Norte representa o limite mais ao sul, onde a terra é coberta por permafrost contínuo ou gelo glacial.

Por razões óbvias, projetar em permafrost é uma tarefa extremamente difícil. A linha contínua do permafrost está mudando para o norte ou para o sul em todo o mundo devido às mudanças climáticas regionais. No hemisfério sul, a maior parte da linha equivalente estaria no Oceano Antártico se houvesse terra. A maior parte do continente antártico é coberta por geleiras, sob as quais a maior parte do terreno está sujeita ao derretimento do solo. A terra exposta da Antártida é em grande parte permafrost.

Alpes

As estimativas da área total da zona de permafrost nos Alpes variam muito. Bockheim e Munro combinaram as três fontes e fizeram estimativas tabulares por região (3.560.000 km2 no total).

Permafrost alpino nos Andes não estava no mapa. A extensão neste caso é modelada para estimar a quantidade de água nestas áreas. Em 2009, um pesquisador do Alasca descobriu o permafrost a 4.700 m (15.400 pés) no pico mais alto da África, o Monte Kilimanjaro, cerca de 3° ao norte do equador. Fundações em solos de permafrost nessas latitudes não são incomuns.

Mares congelados e fundo congelado

O permafrost marinho ocorre sob o fundo do mar e existe nas plataformas continentais polaresregiões. Essas áreas se formaram durante a última era glacial, quando a maior parte da água da Terra estava presa em camadas de gelo em terra e os níveis do mar eram baixos. À medida que as camadas de gelo derreteram e se tornaram água do mar novamente, o permafrost tornou-se prateleiras submersas sob condições de fronteira relativamente quentes e salgadas em comparação com o permafrost na superfície. Portanto, o permafrost subaquático existe em condições que levam à sua redução. De acordo com Osterkamp, o permafrost submarino é um fator no “projeto, construção e operação de instalações costeiras, estruturas do fundo do mar, ilhas artificiais, dutos submarinos e poços perfurados para exploração e produção.

Permafrost se estende até as profundezas da base, onde o calor geotérmico da Terra e a temperatura média anual da superfície atingem uma temperatura de equilíbrio de 0 °C. A profundidade da base do permafrost atinge 1.493 metros (4.898 pés) nas bacias do norte dos rios Lena e Yana na Sibéria. O gradiente geotérmico é a taxa de aumento da temperatura em relação ao aumento da profundidade no interior da Terra. Longe dos limites da placa tectônica, é cerca de 25-30°C/km perto da superfície na maioria dos países do mundo. Varia com a condutividade térmica do material geológico e é menor para o permafrost no solo do que no leito rochoso.

Gelo no solo

Quando o teor de gelo do permafrost excede 250 por cento (da massa de gelo ao solo seco), é classificado comogelo maciço. Corpos de gelo maciços podem variar em composição de lama gelada a gelo puro. Camadas de gelo maciças têm uma espessura mínima de pelo menos 2 metros, um diâmetro curto de pelo menos 10 metros. Os primeiros avistamentos registrados na América do Norte foram feitos por cientistas europeus no rio Canning, no Alasca, em 1919. A literatura russa dá uma data anterior de 1735 e 1739 durante a Grande Expedição do Norte de P. Lassinius e Kh. P. Laptev, respectivamente. As duas categorias de gelo terrestre maciço são o gelo de superfície enterrado e o chamado "gelo intraderramado". A criação de quaisquer fundações no permafrost requer que não haja grandes geleiras nas proximidades.

O gelo de superfície enterrado pode vir de neve, lago congelado ou gelo marinho, aufeis (gelo de rio enrolado) e provavelmente a variante mais comum é o gelo glacial enterrado.

Congelamento de águas subterrâneas

O gelo intradiestimativo é formado como resultado do congelamento das águas subterrâneas. Aqui, prevalece a segregação de gelo, que ocorre como resultado da diferenciação de cristalização que ocorre durante o congelamento da precipitação úmida. O processo é acompanhado pela migração da água para a frente de congelamento.

O gelo intradiestimal (constitucional) tem sido amplamente observado e estudado em todo o Canadá e também inclui gelo intrusivo e de injeção. Além disso, as cunhas de gelo, um tipo separado de gelo terrestre, produzem polígonos padronizados reconhecíveis ou polígonos de tundra. As cunhas de gelo se formam em uma área geológica pré-existentesubstrato. Eles foram descritos pela primeira vez em 1919.

Ciclo do carbono

O ciclo de carbono do permafrost está relacionado com a transferência de carbono dos solos do permafrost para a vegetação e micróbios terrestres, para a atmosfera, de volta à vegetação e, finalmente, de volta ao solo do permafrost através de soterramento e precipitação através de processos criogênicos. Parte desse carbono é transferido para o oceano e outras partes do globo através do ciclo global do carbono. O ciclo inclui a troca de dióxido de carbono e metano entre os componentes terrestres e a atmosfera, e o transporte de carbono entre a terra e a água na forma de metano, carbono orgânico dissolvido, carbono inorgânico dissolvido, partículas de carbono inorgânico e partículas de carbono orgânico.

Histórico

O permafrost do Ártico vem encolhendo ao longo dos séculos. A consequência disso é o degelo do solo, que pode estar mais fraco, e a liberação de metano, que contribui para o aumento da taxa de aquecimento global em um ciclo de retroalimentação. As áreas de distribuição dos solos do permafrost mudaram constantemente na história.

No último máximo glacial, o permafrost contínuo cobria uma área muito maior do que hoje. Na América do Norte, apenas um cinturão muito estreito de permafrost existia ao sul da camada de gelo da latitude de Nova Jersey, no sul de Iowa e no norte do Missouri. Era extenso nas regiões mais secas do oeste, onde se estendia até a fronteira sul de Idaho e Oregon. No hemisfério sul, há alguma evidência de um antigo eternopermafrost deste período no centro de Otago e na Patagônia Argentina, mas provavelmente foi descontínuo e associado à tundra. O permafrost alpino também ocorreu no Drakensberg durante a existência de geleiras acima de 3.000 metros (9.840 pés). No entanto, fundações e fundações no permafrost estão sendo estabelecidas mesmo lá.

Estrutura do solo

O solo pode ser composto de muitos materiais de substrato, incluindo rocha, sedimentos, matéria orgânica, água ou gelo. Solo congelado é qualquer coisa abaixo do ponto de congelamento da água, esteja ou não a água presente no substrato. O gelo do solo nem sempre está presente, como pode ser o caso de rochas não porosas, mas é comum e pode estar presente em quantidades superiores à saturação hidráulica potencial do substrato descongelado.

Como resultado, as chuvas estão aumentando, o que por sua vez está enfraquecendo e possivelmente desmoronando edifícios em áreas como Norilsk, no norte da Rússia, que fica na zona de permafrost.

Redução da inclinação

Ao longo do século passado, houve muitos casos relatados de falha de encostas alpinas em cadeias de montanhas ao redor do mundo. Espera-se que uma grande quantidade de danos estruturais esteja associada ao derretimento do permafrost, que se acredita ser causado pelas mudanças climáticas. Acredita-se que o derretimento do permafrost tenha contribuído para o deslizamento de terra de Val Pola em 1987, que matou 22 pessoas nos Alpes italianos. Grande em cadeias de montanhasparte da estabilidade estrutural pode ser devido às geleiras e ao permafrost. À medida que o clima aquece, o permafrost derrete, levando a uma estrutura montanhosa menos estável e, eventualmente, a mais falhas nas encostas. O aumento da temperatura permite profundidades mais profundas da camada ativa, o que acarreta ainda mais penetração de água. O gelo no solo derrete, causando perda de resistência do solo, movimento acelerado e potenciais fluxos de detritos. Portanto, a construção em permafrost é altamente indesejável.

Há também informações sobre quedas maciças de rochas e gelo (até 11,8 milhões de m³), terremotos (até 3,9 milhões de milhas), inundações (até 7, 8 milhões de m³ de água) e o rápido fluxo de gelo rochoso. Isso é causado pela "instabilidade das encostas" em condições de permafrost nas terras altas. A instabilidade das encostas no permafrost em temperaturas elevadas próximas ao congelamento no aquecimento do permafrost está associada ao estresse efetivo e ao aumento da pressão da água dos poros nesses solos.

Desenvolvimento de solos de permafrost

Jason Kea e co-autores inventaram um novo piezômetro rígido sem filtro (FRP) para medir a pressão da água dos poros em solos parcialmente congelados, como o aquecimento do permafrost. Eles estenderam o uso do conceito de estresse efetivo para solos parcialmente congelados para uso na análise de estabilidade de encostas de encostas de permafrost em aquecimento. A aplicação do conceito de estresse efetivo tem muitas vantagens, por exemplo, a capacidade de construir bases e alicerces sobresolos de permafrost.

Orgânico

Na região circumpolar norte, o permafrost contém 1.700 bilhões de toneladas de material orgânico, quase metade de toda a matéria orgânica. Esta bacia foi criada ao longo de milênios e está sendo lentamente destruída nas condições frias do Ártico. A quantidade de carbono sequestrado no permafrost é quatro vezes a quantidade de carbono liberada na atmosfera pela atividade humana nos tempos modernos.

Consequências

A formação do permafrost tem implicações significativas para os sistemas ecológicos, principalmente devido às restrições impostas às zonas de raízes, bem como às restrições na geometria de tocas e tocas para a fauna que requer casas subterrâneas. Impactos secundários afetam espécies dependentes de plantas e animais cujo habitat é limitado pelo permafrost. Um dos exemplos mais comuns é a prevalência de abetos pretos em vastas áreas de permafrost, pois esta espécie pode tolerar estabelecimento limitado próximo à superfície.

Cálculos de solos de permafrost às vezes são feitos para a análise de material orgânico. Um grama de solo de uma camada ativa pode conter mais de um bilhão de células bacterianas. Quando colocadas uma ao lado da outra, as bactérias de um quilograma de solo da camada ativa formam uma cadeia de 1000 km de comprimento. O número de bactérias no solo de permafrost varia muito, normalmente entre 1 e 1.000 milhões por grama de solo. A maioria destesbactérias e fungos no solo do permafrost não podem ser cultivados em laboratório, mas a identidade dos microrganismos pode ser revelada usando métodos baseados em DNA.

A região do Ártico e o aquecimento global

A região do Ártico é uma das fontes naturais de metano gases de efeito estufa. O aquecimento global está acelerando sua liberação. Uma grande quantidade de metano é armazenada no Ártico em depósitos de gás natural, permafrost e na forma de clatratos subaquáticos. Outras fontes de metano incluem taliks submarinos, transporte fluvial, recuo do complexo de gelo, permafrost submarino e depósitos de hidratos de gás em decomposição. Análises preliminares de computador indicam que o permafrost pode produzir carbono equivalente a cerca de 15% das emissões atuais das atividades humanas. O aquecimento e o degelo dos maciços do solo tornam a construção no permafrost ainda mais perigosa.