Kutoka kwa makala haya utajifunza kuhusu vipengele vya udongo wa barafu ambavyo ni vya kawaida katika maeneo yenye unyevunyevu. Katika jiolojia, permafrost ni ardhi, ikijumuisha udongo wa mawe (cryotic), ambao upo kwenye halijoto ya kuganda ya 0 °C au chini kwa miaka miwili au zaidi. Sehemu kubwa ya barafu iko kwenye latitudo za juu (ndani na karibu na maeneo ya Aktiki na Antaktika), lakini, kwa mfano, katika Milima ya Alps inapatikana kwenye miinuko ya juu zaidi.
Barfu ya ardhini haipo kila wakati, kama ilivyo kwa mwamba usio na vinyweleo, lakini mara nyingi hupatikana kwa wingi zaidi ya uwezao wa ujazo wa majimaji wa nyenzo ya ardhini. Permafrost hufanya 0.022% ya jumla ya maji Duniani na inapatikana katika 24% ya ardhi wazi katika Ulimwengu wa Kaskazini. Pia hutokea chini ya maji kwenye rafu za bara za mabara yanayozunguka Bahari ya Aktiki. Kulingana na kundi moja la wanasayansi, ongezeko la joto duniani la 1.5 °C (2.7 °F) juu ya sasa.viwango vitatosha kuanza kuyeyusha barafu huko Siberia.
Somo
Kinyume na uchache wa ripoti kuhusu udongo uliogandishwa na barafu huko Amerika Kaskazini kabla ya Vita vya Pili vya Dunia, fasihi kuhusu vipengele vya uhandisi wa barafu ilipatikana katika Kirusi. Kuanzia mwaka wa 1942, Simon William Muller alijikita katika fasihi husika inayoshikiliwa na Maktaba ya Congress na Maktaba ya Utafiti wa Jiolojia ya Marekani ili kuipa serikali mwongozo wa kihandisi na ripoti ya kiufundi kuhusu permafrost kufikia 1943.
Ufafanuzi
Permafrost ni udongo, mawe au mashapo ambayo yamegandishwa kwa zaidi ya miaka miwili mfululizo. Katika maeneo ambayo hayajafunikwa na barafu, zipo chini ya safu ya udongo, mwamba, au mchanga ambao huganda na kuyeyuka kila mwaka na huitwa "safu hai". Katika mazoezi, hii ina maana kwamba permafrost hutokea kwa wastani wa joto la kila mwaka la -2 °C (28.4 °F) au chini. Unene wa safu hai hutofautiana kulingana na msimu, lakini ni kati ya mita 0.3 hadi 4 (kina kidogo kando ya pwani ya Aktiki; ndani kabisa ya Siberia ya kusini na Uwanda wa juu wa Qinghai-Tibetani).
Jiografia
Vipi kuhusu kuenea kwa barafu? Kiwango cha permafrost kinatofautiana kulingana na hali ya hewa: leo katika Ulimwengu wa Kaskazini, 24% ya eneo lisilo na barafu - sawa na kilomita za mraba milioni 19 - huathiriwa zaidi au kidogo na permafrost.
Zaidi kidogo ya nusu ya eneo hili limefunikwa na barafu isiyokoma,karibu asilimia 20 ni barafu isiyoendelea na ni chini ya asilimia 30 tu ya barafu ya hapa na pale. Sehemu kubwa ya eneo hili iko Siberia, kaskazini mwa Kanada, Alaska na Greenland. Chini ya safu inayofanya kazi, mabadiliko ya joto ya kila mwaka ya permafrost huwa ndogo na kina. Kina kirefu cha barafu hutokea pale ambapo jotoardhi hudumisha halijoto ya juu kuliko kuganda. Juu ya kikomo hiki, kunaweza kuwa na permafrost, hali ya joto ambayo haibadilika kila mwaka. Hii ni "isothermal permafrost". Maeneo ya udongo wa barafu hayafai kwa maisha ya binadamu.
Hali ya hewa
Permafrost kawaida hutokea katika hali ya hewa yoyote ambapo wastani wa halijoto ya hewa ya kila mwaka huwa chini ya kiwango cha kuganda kwa maji. Isipokuwa inaweza kupatikana katika hali ya hewa ya baridi ya mvua, kama vile Kaskazini mwa Skandinavia na kaskazini mashariki mwa Urusi magharibi mwa Urals, ambapo theluji hufanya kama kifuniko cha kuhami joto. Maeneo ya barafu yanaweza kuwa tofauti. Kwa sababu barafu zote hupashwa joto kwenye msingi wake na jotoardhi, barafu zenye halijoto ambazo ziko karibu na sehemu ya kuyeyuka kwa shinikizo zinaweza kuwa na maji kimiminika kwenye mpaka wa nchi kavu. Kwa hiyo, wao ni huru kutoka kwa permafrost. "Fossil" hitilafu za baridi katika upinde wa mvua wa jotoardhi katika maeneo ambayo barafu ya kina kirefu ilikua wakati wa Pleistocene inaendelea hadi mita mia kadhaa. Hii inaonekana kutokana na vipimo vya halijoto ya visima huko Amerika Kaskazini na Ulaya.
Joto chini ya ardhi
Kwa kawaida, halijoto ya chini ya ardhi hutofautiana kutoka msimu hadi msimu chini yajoto la hewa. Wakati huo huo, wastani wa halijoto ya kila mwaka huwa na kuongezeka kwa kina kama matokeo ya mteremko wa jotoardhi wa ukoko wa dunia. Kwa hivyo, ikiwa wastani wa halijoto ya hewa ya kila mwaka ni chini kidogo ya 0 °C (32 °F), permafrost itaunda tu katika maeneo ambayo yamelindwa - kwa kawaida upande wa kaskazini - na kuunda permafrost isiyoendelea. Kwa kawaida, permafrost itabaki bila kuendelea katika hali ya hewa ambapo wastani wa joto la uso wa udongo kwa mwaka ni -5 hadi 0°C (23 hadi 32°F). Maeneo yenye majira ya baridi kali yaliyotajwa hapo juu yanaweza yasiwe na baridi kali ya wastani hadi -2 °C (28 °F).
Aina za permafrost
Permafrost mara nyingi hugawanywa zaidi katika barafu kubwa isiyoendelea, ambapo permafrost hufunika asilimia 50 hadi 90 ya mandhari ya nchi na kwa kawaida hupatikana katika maeneo yenye wastani wa halijoto ya kila mwaka ya -2 hadi -4 °C (28 hadi 25 °F), na barafu ya hapa na pale, ambapo barafu hufunika chini ya asilimia 50 ya mazingira na kwa kawaida hutokea kwa wastani wa halijoto ya kila mwaka kati ya 0 na -2 °C (32 na 28 °F). Katika sayansi ya udongo, eneo la barafu ya mara kwa mara ni SPZ, wakati eneo kubwa la barafu isiyoendelea ni eneo la kuhisi kwa mbali. Vighairi hutokea katika Siberia na Alaska ambazo hazijaangaziwa, ambapo kina cha sasa cha barafu ni mabaki ya hali ya hewa wakati wa Enzi ya Barafu, ambapo majira ya baridi kali yalikuwa 11 °C (20 °F) baridi zaidi kuliko leo.
Kiwango cha baridi kali
Wastani wa halijoto ya kila mwaka ya uso wa udongo ni chini ya -5 °C (23 °F), athari ya kipengelehaiwezi kamwe kutosha kuyeyusha barafu na kuunda ukanda wa barafu unaoendelea (CPZ kwa kifupi). Mstari wa barafu inayoendelea katika Kizio cha Kaskazini inawakilisha mpaka wa kusini kabisa ambapo ardhi imefunikwa na theluji isiyokoma au barafu ya barafu.
Kwa sababu zilizo wazi, kubuni kwenye barafu ni kazi ngumu sana. Laini inayoendelea ya barafu inabadilika kaskazini au kusini kote ulimwenguni kutokana na mabadiliko ya hali ya hewa ya kikanda. Katika ulimwengu wa kusini, wengi wa mstari sawa ungekuwa katika Bahari ya Kusini ikiwa kungekuwa na ardhi. Sehemu kubwa ya bara la Antaktika limefunikwa na barafu, ambapo sehemu kubwa ya ardhi inaweza kuyeyuka ardhini. Ardhi iliyoachwa wazi ya Antaktika kwa kiasi kikubwa ina barafu.
Alps
Makadirio ya jumla ya eneo la eneo la barafu katika Milima ya Alps yanatofautiana sana. Bockheim na Munro waliunganisha vyanzo vitatu na kufanya makadirio ya jedwali kulingana na eneo (jumla ya kilomita 3,560,000).
Frost ya Alpine katika Andes haikuwepo kwenye ramani. Upeo katika kesi hii ni mfano wa kukadiria kiasi cha maji katika maeneo haya. Mnamo mwaka wa 2009, mtafiti wa Alaska aligundua barafu yenye urefu wa meta 4,700 (futi 15,400) kwenye kilele cha juu kabisa barani Afrika, Mlima Kilimanjaro, karibu 3° kaskazini mwa ikweta. Misingi ya udongo wa barafu katika latitudo hizi si ya kawaida.
Bahari iliyoganda na chini iliyoganda
Mwepo wa baridi ya baharini hutokea chini ya sakafu ya bahari na hupatikana kwenye rafu za polar continentalmikoa. Maeneo haya yaliundwa wakati wa enzi ya barafu ya mwisho, wakati maji mengi ya Dunia yalifungwa kwenye karatasi za barafu kwenye ardhi na viwango vya bahari vilikuwa chini. Barafu zilipoyeyuka na kuwa maji ya bahari tena, ile barafu ikawa rafu zilizozama chini ya hali ya mipaka ya joto na yenye chumvi nyingi ikilinganishwa na permafrost juu ya uso. Kwa hiyo, permafrost ya chini ya maji ipo chini ya hali zinazosababisha kupunguzwa kwake. Kulingana na Osterkamp, maji ya barafu ya chini ya bahari ni kigezo katika ubunifu, ujenzi na uendeshaji wa vifaa vya pwani, miundo ya bahari, visiwa bandia, mabomba ya chini ya bahari na visima vilivyochimbwa kwa uchunguzi na uzalishaji.
Permafrost huenea hadi kwenye kina cha msingi, ambapo joto la jotoardhi kutoka Duniani na wastani wa halijoto ya kila mwaka ya uso wa dunia hufikia halijoto ya msawazo ya 0 °C. Kina cha msingi wa barafu hufikia mita 1,493 (futi 4,898) katika mabonde ya kaskazini ya mito ya Lena na Yana huko Siberia. Mteremko wa jotoardhi ni kasi ya ongezeko la joto linalohusiana na ongezeko la kina katika mambo ya ndani ya Dunia. Mbali na mipaka ya sahani ya tectonic, iko karibu 25-30 ° C / km karibu na uso katika nchi nyingi za dunia. Inatofautiana kulingana na mshikamano wa joto wa nyenzo za kijiolojia na ni kidogo kwa barafu kwenye udongo kuliko kwenye mwamba.
Bafu kwenye udongo
Wakati kiwango cha barafu kwenye barafu kinapozidi asilimia 250 (kutoka kwa wingi wa barafu hadi udongo mkavu), huainishwa kamabarafu kubwa. Miili mikubwa ya barafu inaweza kutofautiana kwa muundo kutoka kwa matope ya barafu hadi barafu safi. Tabaka kubwa za barafu zina unene wa angalau mita 2, kipenyo kifupi cha angalau mita 10. Maoni ya kwanza yaliyorekodiwa huko Amerika Kaskazini yalifanywa na wanasayansi wa Uropa kwenye Mto wa Canning huko Alaska mnamo 1919. Fasihi ya Kirusi inatoa tarehe ya awali ya 1735 na 1739 wakati wa Msafara Mkuu wa Kaskazini wa P. Lassinius na Kh. P. Laptev, kwa mtiririko huo. Makundi mawili ya barafu kubwa ya ardhini yamezikwa barafu ya uso na kinachojulikana kama "barafu ya ndani ya kumwaga". Uundaji wa misingi yoyote kwenye permafrost unahitaji kuwa hakuna barafu kubwa karibu.
Barafu iliyozikwa inaweza kutoka kwenye theluji, ziwa lililoganda au barafu ya bahari, aufeis (barafu ya mto iliyoviringishwa) na pengine lahaja maarufu zaidi ni barafu iliyozikwa.
Kuganda kwa maji chini ya ardhi
Bafu ya ndani hutengenezwa kutokana na kuganda kwa maji ya ardhini. Hapa, barafu ya utengano inatawala, ambayo hutokea kama matokeo ya utofautishaji wa fuwele ambao hutokea wakati wa kufungia kwa mvua ya mvua. Mchakato huo unaambatana na uhamishaji wa maji hadi sehemu ya mbele ya baridi.
Intradiestimal (katiba) barafu imezingatiwa na kuchunguzwa sana kote Kanada na pia inajumuisha barafu inayoingilia na kudunga. Kwa kuongeza, kabari za barafu, aina tofauti ya barafu ya ardhini, huzalisha poligoni zenye muundo unaotambulika au poligoni za tundra. Vipande vya barafu huunda katika kijiolojia iliyokuwepo hapo awalisubstrate. Zilielezewa kwa mara ya kwanza mnamo 1919.
Mzunguko wa kaboni
Mzunguko wa kaboni ya permafrost unahusika na uhamishaji wa kaboni kutoka kwenye udongo wa barafu hadi mimea ya nchi kavu na vijiumbe vidogo, hadi angahewa, kurudi kwenye mimea, na hatimaye kurudi kwenye udongo wa barafu kupitia kuzikwa na kunyesha kupitia michakato ya cryogenic. Baadhi ya kaboni hii huhamishwa hadi baharini na sehemu zingine za ulimwengu kupitia mzunguko wa kaboni wa ulimwengu. Mzunguko huo unajumuisha ubadilishanaji wa kaboni dioksidi na methane kati ya vipengele vya nchi kavu na angahewa, na usafiri wa kaboni kati ya ardhi na maji katika mfumo wa methane, kaboni ya kikaboni iliyoyeyushwa, kaboni isokaboni iliyoyeyushwa, chembe za kaboni isokaboni, na chembe hai za kaboni.
Historia
The permafrost ya Aktiki imekuwa ikipungua kwa karne nyingi. Matokeo ya hii ni kuyeyuka kwa udongo, ambayo inaweza kuwa dhaifu, na kutolewa kwa methane, ambayo inachangia kuongezeka kwa kiwango cha joto duniani katika kitanzi cha maoni. Maeneo ya usambazaji wa udongo wa permafrost yamebadilika mara kwa mara katika historia.
Katika kiwango cha juu cha barafu, barafu isiyokoma ilifunika eneo kubwa zaidi kuliko leo. Huko Amerika Kaskazini, ni ukanda mwembamba sana wa barafu uliokuwepo kusini mwa karatasi ya barafu ya latitudo ya New Jersey kusini mwa Iowa na kaskazini mwa Missouri. Ilikuwa pana katika maeneo kame zaidi ya magharibi, ambapo ilienea hadi mpaka wa kusini wa Idaho na Oregon. Katika ulimwengu wa kusini, kuna ushahidi fulani wa milele wa zamanipermafrost ya kipindi hiki katikati mwa Otago na katika Patagonia ya Argentina, lakini labda ilikuwa imekoma na kuhusishwa na tundra. Alpine permafrost pia ilitokea katika Drakensberg wakati wa kuwepo kwa barafu juu ya mita 3,000 (9,840 ft). Hata hivyo, misingi na misingi kwenye permafrost inaanzishwa hata huko.
Muundo wa udongo
Udongo unaweza kujumuisha nyenzo nyingi za substrate, ikijumuisha mwamba, mashapo, viumbe hai, maji au barafu. Ardhi iliyogandishwa ni kitu chochote chini ya kiwango cha kuganda cha maji, iwe maji yapo au la kwenye substrate. Barafu ya ardhini haipo kila wakati, kama inavyoweza kuwa kwa mwamba usio na vinyweleo, lakini ni ya kawaida na inaweza kuwapo kwa wingi zaidi ya ujazo unaowezekana wa majimaji wa mkatetaka ulioyeyushwa.
Kutokana na hilo, mvua inaongezeka, jambo ambalo linadhoofisha na pengine kuporomoka majengo katika maeneo kama Norilsk kaskazini mwa Urusi, ambayo iko katika eneo la barafu.
Kuporomoka kwa mteremko
Katika karne iliyopita, kumekuwa na visa vingi vilivyoripotiwa vya kushindwa kwa mteremko wa alpine katika safu za milima kote ulimwenguni. Kiasi kikubwa cha uharibifu wa muundo unatarajiwa kuhusishwa na kuyeyuka kwa barafu, ambayo inaaminika kusababishwa na mabadiliko ya hali ya hewa. Kiwango cha kuyeyuka kwa barafu kinaaminika kuwa kilichangia maporomoko ya ardhi ya Val Pola ya 1987 ambayo yaliua watu 22 katika Milima ya Alps ya Italia. Kubwa katika safu za milimasehemu ya utulivu wa muundo inaweza kuwa kutokana na barafu na permafrost. Hali ya hewa inapoongezeka, barafu huyeyuka, na kusababisha muundo wa mlima kutokuwa thabiti na mwishowe kushindwa zaidi kwa mteremko. Kuongeza joto huruhusu kina kirefu cha safu inayofanya kazi, ambayo inajumuisha kupenya zaidi kwa maji. Barafu kwenye udongo huyeyuka, na kusababisha hasara ya nguvu ya udongo, mwendo wa kasi, na uchafu unaoweza kutiririka. Kwa hivyo, ujenzi kwenye permafrost haufai sana.
Pia kuna habari kuhusu maporomoko makubwa ya miamba na barafu (hadi milioni 11.8 m3), matetemeko ya ardhi (hadi maili milioni 3.9), mafuriko (hadi 7, milioni 8 m3 ya maji) na mtiririko wa haraka wa barafu ya mawe. Hii inasababishwa na "kuyumba kwa mteremko" katika hali ya baridi kali katika nyanda za juu. Kukosekana kwa uthabiti wa mteremko katika barafu kwenye viwango vya joto vya juu karibu na kuganda kwenye barafu inayoongeza joto kunahusishwa na mkazo mzuri na kuongezeka kwa shinikizo la maji kwenye vinyweleo kwenye udongo huu.
Maendeleo ya udongo wa permafrost
Jason Kea na waandishi wenzie wamevumbua piezometa (FRP) mpya isiyo na kichujio ili kupima shinikizo la maji kwenye vinyweleo kwenye udongo ambao haugandi kiasi kama vile joto la barafu. Walipanua matumizi ya dhana ya mkazo mzuri kwa udongo uliogandishwa kiasi kwa ajili ya matumizi katika uchanganuzi wa uthabiti wa mteremko wa miteremko ya joto ya barafu. Utumiaji wa dhana ya mkazo mzuri una faida nyingi, kwa mfano, uwezo wa kujenga misingi na misingiudongo wa permafrost.
Organic
Katika eneo la duara la kaskazini, barafu ina tani bilioni 1,700 za nyenzo-hai, karibu nusu ya vitu vyote vya kikaboni. Bonde hili limeundwa zaidi ya milenia na linaharibiwa polepole katika hali ya baridi ya Aktiki. Kiasi cha kaboni iliyotengwa katika permafrost ni mara nne ya kiwango cha kaboni iliyotolewa kwenye angahewa na shughuli za binadamu katika nyakati za kisasa.
Matokeo
Uundaji wa permafrost una athari kubwa kwa mifumo ya ikolojia, haswa kwa sababu ya vizuizi vilivyowekwa kwenye maeneo ya mizizi, na vile vile vizuizi vya jiometri ya mapango na mashimo ya wanyama wanaohitaji makazi ya chini ya ardhi. Athari za ziada huathiri spishi zinazotegemea mimea na wanyama ambao makazi yao yamezuiwa na baridi kali. Mojawapo ya mifano ya kawaida ni kuenea kwa spruce nyeusi katika maeneo makubwa ya barafu, kwa vile spishi hii inaweza kustahimili kuota kidogo karibu na uso.
Mahesabu ya udongo wa permafrost wakati mwingine hufanywa kwa uchanganuzi wa nyenzo za kikaboni. Gramu moja ya udongo kutoka kwenye safu hai inaweza kuwa na seli zaidi ya bilioni moja za bakteria. Wakati wa kuwekwa pamoja, bakteria kutoka kwa kilo moja ya udongo wa safu ya kazi huunda mnyororo wa kilomita 1000 kwa muda mrefu. Idadi ya bakteria katika udongo wa permafrost inatofautiana sana, kwa kawaida kati ya milioni 1 na 1000 kwa kila gramu ya udongo. Wengi wa hawabakteria na fangasi kwenye udongo wa barafu haziwezi kukuzwa kwenye maabara, lakini utambulisho wa vijidudu unaweza kufichuliwa kwa kutumia mbinu za DNA.
Eneo la Aktiki na ongezeko la joto duniani
Eneo la Aktiki ni mojawapo ya vyanzo asilia vya gesi chafuzi za methane. Ongezeko la joto duniani linaongeza kasi ya kutolewa kwake. Kiasi kikubwa cha methane huhifadhiwa katika Arctic katika amana za gesi asilia, permafrost na kwa namna ya clathrates chini ya maji. Vyanzo vingine vya methane ni pamoja na taliki za manowari, usafiri wa mtoni, sehemu ya nyuma ya barafu, barafu ya chini ya bahari, na amana za hidrati za gesi zinazooza. Uchanganuzi wa awali wa kompyuta unaonyesha kwamba permafrost inaweza kutoa kaboni sawa na takriban asilimia 15 ya uzalishaji wa leo kutoka kwa shughuli za binadamu. Kupasha joto na kuyeyusha udongo hufanya ujenzi wa barafu kuwa hatari zaidi.
