Đất đóng băng vĩnh cửu: khu vực phân bố, nhiệt độ, đặc điểm phát triển

2024 Tác giả: Henry Conors | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-12 14:32

Từ bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về các đặc điểm của đất đóng băng vĩnh cửu phổ biến trong các vùng đóng băng vĩnh cửu. Về địa chất, băng vĩnh cửu là đất, bao gồm đất đá (đá lạnh), tồn tại ở nhiệt độ đóng băng từ 0 ° C trở xuống trong hai năm trở lên. Hầu hết các lớp băng vĩnh cửu nằm ở vĩ độ cao (trong và xung quanh các vùng Bắc Cực và Nam Cực), nhưng, ví dụ, ở dãy Alps, nó được tìm thấy ở độ cao hơn.

Băng trên mặt đất không phải lúc nào cũng có, như có thể xảy ra với đá gốc không xốp, nhưng nó thường được tìm thấy với số lượng vượt quá mức bão hòa thủy lực tiềm năng của vật liệu nền. Permafrost chiếm 0,022% tổng lượng nước trên Trái đất và tồn tại trong 24% diện tích đất trống ở Bắc bán cầu. Nó cũng xảy ra dưới nước trên thềm lục địa của các lục địa xung quanh Bắc Băng Dương. Theo một nhóm các nhà khoa học, nhiệt độ toàn cầu tăng 1,5 ° C (2,7 ° F) so với hiện tạimức độ sẽ đủ để bắt đầu làm tan băng vĩnh cửu ở Siberia.

Học

Trái ngược với sự tương đối ít ỏi của các báo cáo về đất đóng băng ở Bắc Mỹ trước Thế chiến thứ hai, tài liệu về các khía cạnh kỹ thuật của lớp băng vĩnh cửu lại có sẵn bằng tiếng Nga. Bắt đầu từ năm 1942, Simon William Muller nghiên cứu các tài liệu liên quan do Thư viện Quốc hội Hoa Kỳ và Thư viện Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ tổ chức để cung cấp cho chính phủ sổ tay kỹ thuật và báo cáo kỹ thuật về lớp băng vĩnh cửu vào năm 1943.

Định nghĩa

Permafrost là đất, đá hoặc trầm tích đã bị đóng băng hơn hai năm liên tục. Ở những khu vực không có băng bao phủ, chúng tồn tại dưới một lớp đất, đá hoặc trầm tích đóng băng và tan băng hàng năm và được gọi là "lớp hoạt động". Trên thực tế, điều này có nghĩa là băng vĩnh cửu xuất hiện ở nhiệt độ trung bình hàng năm là -2 ° C (28,4 ° F) hoặc thấp hơn. Độ dày của lớp hoạt động thay đổi theo mùa, nhưng dao động từ 0,3 đến 4 mét (nông dọc theo bờ biển Bắc Cực; sâu ở phía nam Siberia và cao nguyên Thanh Hải-Tây Tạng).

Địa lý

Còn sự lan rộng của lớp băng vĩnh cửu thì sao? Mức độ của lớp băng vĩnh cửu thay đổi theo khí hậu: ngày nay ở Bắc bán cầu, 24% diện tích đất không có băng - tương đương 19 triệu km vuông - ít nhiều bị ảnh hưởng bởi lớp băng vĩnh cửu.

Hơn một nửa khu vực này bị bao phủ bởi lớp băng vĩnh cửu liên tục,khoảng 20 phần trăm là lớp băng vĩnh cửu không liên tục và chỉ dưới 30 phần trăm là lớp băng vĩnh cửu lẻ tẻ. Phần lớn lãnh thổ này nằm ở Siberia, bắc Canada, Alaska và Greenland. Bên dưới lớp hoạt động, dao động nhiệt độ của lớp băng vĩnh cửu hàng năm trở nên nhỏ hơn theo độ sâu. Độ sâu nhất của lớp băng vĩnh cửu xảy ra nơi nhiệt địa nhiệt duy trì nhiệt độ trên mức đóng băng. Trên giới hạn này, có thể có băng vĩnh cửu, nhiệt độ không thay đổi hàng năm. Đây là "lớp băng vĩnh cửu đẳng nhiệt". Những khu vực đất đóng băng vĩnh cửu không thích hợp cho cuộc sống con người năng động.

Khí hậu

Băng giá thường hình thành ở bất kỳ khí hậu nào có nhiệt độ không khí trung bình hàng năm thấp hơn điểm đóng băng của nước. Có thể tìm thấy các trường hợp ngoại lệ ở vùng khí hậu mùa đông ẩm ướt, chẳng hạn như ở Bắc Scandinavia và đông bắc Nga ở phía tây Urals, nơi tuyết đóng vai trò như một lớp vỏ cách nhiệt. Các khu vực băng giá có thể là ngoại lệ. Bởi vì tất cả các sông băng đều được làm nóng ở chân của chúng bằng nhiệt địa nhiệt, các sông băng ôn đới gần điểm nóng chảy có áp của chúng có thể có nước lỏng ở ranh giới với đất liền. Do đó, chúng không bị đóng băng vĩnh cửu. Các dị thường lạnh "hóa thạch" trong độ dốc địa nhiệt ở những khu vực có lớp băng vĩnh cửu sâu phát triển trong kỷ Pleistocen kéo dài tới vài trăm mét. Điều này thể hiện rõ qua các phép đo nhiệt độ giếng ở Bắc Mỹ và Châu Âu.

Nhiệt độ dưới lòng đất

Thông thường, nhiệt độ dưới lòng đất thay đổi theo từng mùa thấp hơnnhiệt độ không khí. Đồng thời, nhiệt độ trung bình hàng năm có xu hướng tăng theo độ sâu do độ dốc địa nhiệt của vỏ trái đất. Do đó, nếu nhiệt độ không khí trung bình hàng năm chỉ dưới 0 ° C (32 ° F) một chút, băng vĩnh cửu sẽ chỉ hình thành ở những nơi được bảo vệ - thường là ở phía bắc - tạo ra các lớp băng vĩnh cửu không liên tục. Thông thường, lớp băng vĩnh cửu sẽ không liên tục ở những vùng khí hậu nơi nhiệt độ bề mặt đất trung bình hàng năm là -5 đến 0 ° C (23 đến 32 ° F). Những khu vực có mùa đông ẩm ướt được đề cập ở trên thậm chí có thể không có băng vĩnh cửu không liên tục xuống tới -2 ° C (28 ° F).

Các loại băng vĩnh cửu

Permafrost thường được chia thành các lớp băng vĩnh cửu rộng lớn không liên tục, nơi lớp băng vĩnh cửu bao phủ từ 50 đến 90 phần trăm cảnh quan và thường được tìm thấy ở các khu vực có nhiệt độ trung bình hàng năm từ -2 đến -4 ° C (28 đến 25 ° F), và lớp băng vĩnh cửu lẻ tẻ, nơi lớp băng vĩnh cửu bao phủ ít hơn 50% cảnh quan và thường xuất hiện ở nhiệt độ trung bình hàng năm từ 0 đến -2 ° C (32 và 28 ° F). Trong khoa học đất, vùng băng vĩnh cửu lẻ tẻ là SPZ, trong khi vùng băng vĩnh cửu rộng rãi không liên tục là vùng viễn thám. Các trường hợp ngoại lệ xảy ra ở Siberia và Alaska không tráng men, nơi độ sâu hiện tại của lớp băng vĩnh cửu là tàn tích của điều kiện khí hậu trong Kỷ Băng hà, nơi có mùa đông lạnh hơn ngày nay 11 ° C (20 ° F).

Nhiệt độ băng giá

Khi nhiệt độ bề mặt đất trung bình hàng năm dưới -5 ° C (23 ° F), ảnh hưởng của khía cạnhkhông bao giờ có thể đủ để làm tan băng vĩnh cửu và tạo thành một vùng băng vĩnh cửu liên tục (viết tắt là CPZ). Đường đóng băng vĩnh cửu liên tục ở Bắc bán cầu đại diện cho ranh giới cực nam nơi đất được bao phủ bởi lớp băng vĩnh cửu hoặc băng hà liên tục.

Vì những lý do rõ ràng, thiết kế trên lớp băng vĩnh cửu là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn. Dòng băng vĩnh cửu liên tục thay đổi theo hướng bắc hoặc nam trên khắp thế giới do biến đổi khí hậu khu vực. Ở Nam bán cầu, hầu hết các đường tương đương sẽ nằm ở Nam Đại dương nếu có đất liền. Phần lớn lục địa Nam Cực được bao phủ bởi các sông băng, theo đó phần lớn địa hình bị tan chảy trong lòng đất. Phần đất lộ thiên của Nam Cực phần lớn là băng vĩnh cửu.

Alps

Ước tính về tổng diện tích của vùng đóng băng vĩnh cửu trên dãy Alps rất khác nhau. Bockheim và Munro kết hợp ba nguồn và đưa ra ước tính dạng bảng theo khu vực (tổng cộng 3.560.000 km2).

Lớp băng vĩnh cửu trên dãy núi Andes không có trên bản đồ. Mức độ trong trường hợp này được lập mô hình để ước tính lượng nước ở những khu vực này. Năm 2009, một nhà nghiên cứu người Alaska đã phát hiện ra lớp băng vĩnh cửu ở độ cao 4.700 m (15.400 ft) trên đỉnh núi cao nhất của châu Phi, núi Kilimanjaro, cách đường xích đạo khoảng 3 ° về phía bắc. Nền móng trên đất đóng băng vĩnh cửu ở những vĩ độ này không phải là hiếm.

Biển đông và đáy đông lạnh

Biển đóng băng vĩnh cửu xuất hiện dưới đáy biển và tồn tại trên các thềm lục địa địa cựcvùng. Những khu vực này hình thành trong thời kỳ băng hà cuối cùng, khi phần lớn nước trên Trái đất bị nhốt trong các tảng băng trên đất liền và mực nước biển thấp. Khi các tảng băng tan chảy và trở thành nước biển, lớp băng vĩnh cửu trở thành các thềm chìm trong điều kiện ranh giới tương đối ấm và mặn so với lớp băng vĩnh cửu ở bề mặt. Do đó, lớp băng vĩnh cửu dưới nước tồn tại trong những điều kiện dẫn đến sự suy giảm của nó. Theo Osterkamp, lớp băng vĩnh cửu dưới đáy biển là một yếu tố trong “thiết kế, xây dựng và vận hành các công trình ven biển, cấu trúc dưới đáy biển, đảo nhân tạo, đường ống dưới biển và giếng khoan để thăm dò và sản xuất.

Permafrost kéo dài đến độ sâu của chân đế, nơi nhiệt địa nhiệt từ Trái đất và nhiệt độ bề mặt trung bình hàng năm đạt đến nhiệt độ cân bằng là 0 ° C. Độ sâu của lớp băng vĩnh cửu lên tới 1.493 mét (4.898 ft) ở lưu vực phía bắc của sông Lena và Yana ở Siberia. Độ dốc địa nhiệt là tốc độ gia tăng nhiệt độ so với sự gia tăng độ sâu bên trong Trái đất. Xa ranh giới của mảng kiến tạo, nhiệt độ gần bề mặt khoảng 25-30 ° C / km ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Nó thay đổi theo độ dẫn nhiệt của vật liệu địa chất và ít đóng băng vĩnh cửu trong đất hơn là trong đá gốc.

Băng trong đất

Khi hàm lượng băng của lớp băng vĩnh cửu vượt quá 250 phần trăm (từ khối lượng băng đến đất khô), nó được phân loại làkhối băng lớn. Các khối băng khổng lồ có thể có thành phần từ bùn băng đến băng tinh khiết. Các lớp băng khổng lồ có độ dày tối thiểu ít nhất là 2 mét, đường kính ngắn ít nhất là 10 mét. Những cảnh tượng đầu tiên được ghi nhận ở Bắc Mỹ được các nhà khoa học châu Âu thực hiện trên sông Canning ở Alaska vào năm 1919. Văn học Nga đưa ra niên đại sớm hơn là năm 1735 và 1739 trong cuộc thám hiểm Phương Bắc vĩ đại của P. Lassinius và Kh. P. Laptev, tương ứng. Hai loại băng lớn trên mặt đất là băng bề mặt bị chôn vùi và được gọi là "băng trong nhà". Việc tạo ra bất kỳ nền móng nào trên lớp băng vĩnh cửu yêu cầu không có sông băng lớn nào gần đó.

Băng chìm trên bề mặt có thể đến từ tuyết, hồ đóng băng hoặc băng biển, aufeis (băng sông cuộn) và có lẽ biến thể phổ biến nhất là băng bị chôn vùi.

Nước ngầm đóng băng

Băng tối ưu được hình thành do đóng băng nước ngầm. Ở đây, băng phân ly chiếm ưu thế, xảy ra do sự phân hóa kết tinh xảy ra trong quá trình đóng băng kết tủa ướt. Quá trình này đi kèm với sự di chuyển của nước đến mặt trước đóng băng.

Đá tối ưu (hợp hiến) đã được quan sát và nghiên cứu rộng rãi trên khắp Canada và cũng bao gồm cả băng xâm nhập và tiêm. Ngoài ra, băng nêm, một loại băng ngầm riêng biệt, tạo ra các đa giác có hoa văn hoặc đa giác lãnh nguyên có thể nhận biết được. Nêm băng hình thành trong một địa chất có từ trướccơ chất. Chúng được mô tả lần đầu tiên vào năm 1919.

Chu trình cacbon

Chu trình cacbon đóng băng vĩnh cửu liên quan đến việc chuyển cacbon từ đất đóng băng vĩnh cửu đến thảm thực vật trên cạn và vi sinh vật, đến khí quyển, trở lại thảm thực vật, và cuối cùng trở lại đất băng vĩnh cửu thông qua chôn lấp và kết tủa thông qua các quá trình đông lạnh. Một phần carbon này được chuyển đến đại dương và các bộ phận khác của địa cầu thông qua chu trình carbon toàn cầu. Chu trình bao gồm sự trao đổi carbon dioxide và methane giữa các thành phần trên cạn và khí quyển, và sự vận chuyển carbon giữa đất và nước dưới dạng mêtan, carbon hữu cơ hòa tan, carbon vô cơ hòa tan, các phần tử carbon vô cơ và các phần tử carbon hữu cơ.

Lịch sử

Lớp băng vĩnh cửu ở Bắc Cực đã bị thu hẹp trong nhiều thế kỷ. Hậu quả của việc này là làm tan băng đất, có thể yếu hơn, và giải phóng khí mêtan, góp phần làm tăng tốc độ ấm lên toàn cầu trong một vòng phản hồi. Các khu vực phân bố của đất đóng băng vĩnh cửu đã liên tục thay đổi trong lịch sử.

Ở cực đại băng hà cuối cùng, lớp băng vĩnh cửu liên tục bao phủ một khu vực rộng lớn hơn nhiều so với hiện nay. Ở Bắc Mỹ, chỉ có một vành đai băng vĩnh cửu rất hẹp tồn tại ở phía nam của dải băng vĩ độ New Jersey ở nam Iowa và bắc Missouri. Nó lan rộng ở các vùng phía tây khô hạn hơn, nơi nó kéo dài đến biên giới phía nam của Idaho và Oregon. Ở Nam bán cầu, có một số bằng chứng về mộtThời kỳ này đóng băng vĩnh cửu ở trung tâm Otago và ở Patagonia thuộc Argentina, nhưng nó có lẽ không liên tục và gắn liền với lãnh nguyên. Lớp băng vĩnh cửu trên dãy núi cũng xảy ra ở Drakensberg trong thời gian tồn tại của các sông băng cao trên 3.000 mét (9.840 ft). Tuy nhiên, các cơ sở và nền tảng trên lớp băng vĩnh cửu đang được thiết lập ngay cả ở đó.

Cấu trúc đất

Đất có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu nền, bao gồm đá gốc, trầm tích, chất hữu cơ, nước hoặc băng. Nền đông lạnh là bất cứ thứ gì nằm dưới điểm đóng băng của nước, cho dù nước có trong chất nền hay không. Đá ngầm không phải lúc nào cũng có, như trường hợp của đá gốc không xốp, nhưng nó phổ biến và có thể tồn tại với số lượng vượt quá mức bão hòa thủy lực tiềm năng của chất nền tan băng.

Do đó, lượng mưa ngày càng tăng, do đó sẽ suy yếu và có thể làm sập các tòa nhà ở những khu vực như Norilsk ở miền bắc nước Nga, nằm trong khu vực đóng băng vĩnh cửu.

Sập dốc

Trong thế kỷ qua, đã có nhiều trường hợp được báo cáo về sự cố dốc núi cao ở các dãy núi trên khắp thế giới. Một lượng lớn thiệt hại về cấu trúc được cho là có liên quan đến lớp băng vĩnh cửu tan chảy, được cho là do biến đổi khí hậu gây ra. Lớp băng vĩnh cửu tan chảy được cho là nguyên nhân gây ra trận lở đất ở Val Pola năm 1987 khiến 22 người thiệt mạng trên dãy núi Alps của Ý. Lớn trong các dãy núimột phần của sự ổn định cấu trúc có thể là do sông băng và lớp băng vĩnh cửu. Khi khí hậu ấm lên, lớp băng vĩnh cửu tan ra, dẫn đến cấu trúc núi kém ổn định hơn và cuối cùng là nhiều mái dốc hơn. Tăng nhiệt độ cho phép lớp hoạt động sâu hơn, dẫn đến thấm nước nhiều hơn. Băng trong đất tan chảy, làm mất độ cứng của đất, tăng tốc chuyển động và các dòng chảy mảnh vụn tiềm ẩn. Do đó, việc xây dựng trên lớp băng vĩnh cửu là rất không mong muốn.

Ngoài ra còn có thông tin về khối lượng lớn đá và băng rơi (lên đến 11,8 triệu m³), động đất (lên đến 3,9 triệu dặm), lũ lụt (lên đến 7, 8 triệu m³nước) và dòng chảy nhanh của băng đá. Điều này được gây ra bởi "sự không ổn định của độ dốc" trong điều kiện băng vĩnh cửu ở vùng cao nguyên. Độ dốc không ổn định trong lớp băng vĩnh cửu ở nhiệt độ cao gần như đóng băng trong lớp băng vĩnh cửu ấm lên có liên quan đến ứng suất hiệu quả và tăng áp lực nước lỗ rỗng trong những loại đất này.

Sự phát triển của đất đóng băng vĩnh cửu

Jason Kea và các đồng tác giả đã phát minh ra một thiết bị đo áp cứng không lọc (FRP) mới để đo áp lực nước lỗ rỗng trong đất đóng băng một phần như băng vĩnh cửu ấm lên. Họ đã mở rộng việc sử dụng khái niệm ứng suất hiệu quả đối với đất đóng băng một phần để sử dụng trong phân tích độ ổn định mái dốc của các sườn núi đóng băng vĩnh cửu. Việc áp dụng khái niệm ứng suất hiệu quả có nhiều ưu điểm, ví dụ, khả năng xây dựng cơ sở và nền tảng trênđất đóng băng vĩnh cửu.

Hữu cơ

Ở vùng cực bắc, lớp băng vĩnh cửu chứa 1.700 tỷ tấn vật chất hữu cơ, gần một nửa tổng số vật chất hữu cơ. Lưu vực này đã được tạo ra trong nhiều thiên niên kỷ và đang dần bị phá hủy trong điều kiện lạnh giá của Bắc Cực. Lượng carbon cô lập trong lớp băng vĩnh cửu gấp bốn lần lượng carbon thải vào khí quyển do hoạt động của con người trong thời hiện đại.

Hậu quả

Sự hình thành của lớp băng vĩnh cửu có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống sinh thái, chủ yếu do các hạn chế đặt ra đối với vùng rễ, cũng như hạn chế về hình dạng của các ổ và hang đối với động vật yêu cầu nhà ở dưới lòng đất. Các tác động thứ cấp ảnh hưởng đến các loài phụ thuộc vào thực vật và động vật có môi trường sống bị giới hạn bởi lớp băng vĩnh cửu. Một trong những ví dụ phổ biến nhất là sự phổ biến của vân sam đen ở những khu vực rộng lớn có băng vĩnh cửu, vì loài này có thể chịu đựng được sự tồn tại hạn chế gần bề mặt.

Các phép tính về đất đóng băng vĩnh cửu đôi khi được thực hiện để phân tích vật chất hữu cơ. Một gam đất từ một lớp hoạt động có thể chứa hơn một tỷ tế bào vi khuẩn. Khi đặt dọc theo nhau, vi khuẩn từ một kg đất của lớp hoạt động tạo thành một chuỗi dài 1000 km. Số lượng vi khuẩn trong đất đóng băng vĩnh cửu rất khác nhau, thường từ 1 đến 1000 triệu trên một gam đất. Hầu hết cácvi khuẩn và nấm trong đất đóng băng vĩnh cửu không thể được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, nhưng danh tính của vi sinh vật có thể được tiết lộ bằng các phương pháp dựa trên DNA.

Vùng Bắc Cực và sự nóng lên toàn cầu

Vùng Bắc Cực là một trong những nguồn tự nhiên của khí nhà kính mêtan. Sự nóng lên toàn cầu đang tăng tốc phát hành. Một lượng lớn khí mêtan được lưu trữ ở Bắc Cực trong các mỏ khí tự nhiên, lớp băng vĩnh cửu và ở dạng các lớp phủ dưới nước. Các nguồn khí mêtan khác bao gồm mái taluy tàu ngầm, giao thông đường sông, sự rút lui của phức hợp băng, lớp băng vĩnh cửu dưới lòng biển và trầm tích khí hydrat đang phân hủy. Phân tích sơ bộ trên máy tính chỉ ra rằng lớp băng vĩnh cửu có thể tạo ra lượng carbon tương đương với khoảng 15% lượng khí thải ngày nay từ các hoạt động của con người. Sự nóng lên và tan băng của các khối đất khiến việc xây dựng trên lớp băng vĩnh cửu càng trở nên nguy hiểm hơn.