De este artículo aprenderá sobre las características de los suelos de permafrost que son comunes en las zonas de permafrost. En geología, el permafrost es tierra, incluido el suelo pedregoso (criótico), que está presente a una temperatura de congelación de 0 °C o inferior durante dos años o más. La mayor parte del permafrost se encuentra en latitudes altas (dentro y alrededor de las regiones ártica y antártica), pero, por ejemplo, en los Alpes se encuentra en altitudes más altas.
El hielo en el suelo no siempre está presente, como puede ser el caso del lecho rocoso no poroso, pero a menudo se encuentra en cantidades que exceden la saturación hidráulica potencial del material del suelo. El permafrost constituye el 0,022 % del agua total de la Tierra y existe en el 24 % de las tierras abiertas del hemisferio norte. También ocurre bajo el agua en las plataformas continentales de los continentes que rodean el Océano Ártico. Según un grupo de científicos, un aumento de la temperatura global de 1,5 °C (2,7 °F) por encima de la actuallos niveles serán suficientes para comenzar a descongelar el permafrost en Siberia.
Estudiar
En contraste con la relativa escasez de informes sobre suelos congelados en América del Norte antes de la Segunda Guerra Mundial, la literatura sobre los aspectos de ingeniería del permafrost estaba disponible en ruso. A partir de 1942, Simon William Muller investigó la literatura relevante en poder de la Biblioteca del Congreso y la Biblioteca del Servicio Geológico de los Estados Unidos para proporcionar al gobierno un manual de ingeniería y un informe técnico sobre el permafrost para 1943.
Definición
El permafrost es suelo, roca o sedimento que ha estado congelado durante más de dos años consecutivos. En áreas que no están cubiertas de hielo, existen debajo de una capa de suelo, roca o sedimento que se congela y descongela cada año y se denomina "capa activa". En la práctica, esto significa que el permafrost se produce a una temperatura media anual de -2 °C (28,4 °F) o menos. El grosor de la capa activa varía según la estación, pero oscila entre 0,3 y 4 metros (superficial a lo largo de la costa ártica; profunda en el sur de Siberia y la meseta tibetana de Qinghai).
Geografía
¿Qué pasa con la propagación del permafrost? La extensión del permafrost varía según el clima: actualmente, en el hemisferio norte, el 24 % de la superficie terrestre libre de hielo, equivalente a 19 millones de kilómetros cuadrados, está más o menos afectada por el permafrost.
Un poco más de la mitad de esta área está cubierta con permafrost continuo,alrededor del 20 por ciento es permafrost discontinuo y poco menos del 30 por ciento es permafrost esporádico. La mayor parte de este territorio se encuentra en Siberia, el norte de Canadá, Alaska y Groenlandia. Debajo de la capa activa, las fluctuaciones anuales de temperatura del permafrost se reducen con la profundidad. La profundidad más profunda del permafrost ocurre donde el calor geotérmico mantiene temperaturas por encima del punto de congelación. Por encima de este límite, puede haber permafrost, cuya temperatura no cambia anualmente. Esto es "permafrost isotérmico". Las áreas de suelos de permafrost no son adecuadas para la vida humana activa.
Clima
El permafrost generalmente se forma en cualquier clima donde la temperatura promedio anual del aire está por debajo del punto de congelación del agua. Se pueden encontrar excepciones en climas húmedos de invierno, como en el norte de Escandinavia y el noreste de Rusia al oeste de los Urales, donde la nieve actúa como una cubierta aislante. Las áreas glaciares pueden ser excepciones. Debido a que todos los glaciares se calientan en sus bases por el calor geotérmico, los glaciares templados que están cerca de su punto de fusión presurizado pueden tener agua líquida en el límite con la tierra. Por lo tanto, están libres de permafrost. Las anomalías frías "fósiles" en el gradiente geotérmico en áreas donde el permafrost profundo se desarrolló durante el Pleistoceno persisten hasta varios cientos de metros. Esto es evidente a partir de las mediciones de temperatura de pozos en América del Norte y Europa.
Temperatura bajo tierra
Normalmente, la temperatura bajo tierra varía de una estación a otra menos detemperatura del aire. Al mismo tiempo, las temperaturas medias anuales tienden a aumentar con la profundidad como consecuencia del gradiente geotérmico de la corteza terrestre. Por lo tanto, si la temperatura media anual del aire es solo ligeramente inferior a 0 °C (32 °F), el permafrost solo se formará en lugares protegidos, generalmente en el lado norte, creando un permafrost discontinuo. Por lo general, el permafrost permanecerá discontinuo en climas donde la temperatura promedio anual de la superficie del suelo es de -5 a 0°C (23 a 32°F). Es posible que las áreas con inviernos húmedos mencionadas anteriormente ni siquiera tengan permafrost intermitente hasta -2 °C (28 °F).
Tipos de permafrost
El permafrost a menudo se divide en extenso permafrost discontinuo, donde el permafrost cubre del 50 al 90 por ciento del paisaje y se encuentra típicamente en áreas con temperaturas medias anuales de -2 a -4 °C (28 a 25 °F), y permafrost esporádico, donde el permafrost cubre menos del 50 por ciento del paisaje y generalmente ocurre a temperaturas medias anuales entre 0 y -2 °C (32 y 28 °F). En la ciencia del suelo, la zona de permafrost esporádica es la SPZ, mientras que la zona de permafrost discontinua extensa es la zona de detección remota. Las excepciones ocurren en Siberia y Alaska sin vidriar, donde la profundidad actual del permafrost es un remanente de las condiciones climáticas durante la Edad de Hielo, donde los inviernos eran 11 °C (20 °F) más fríos que los actuales.
Temperatura del permafrost
Cuando las temperaturas medias anuales de la superficie del suelo están por debajo de -5 °C (23 °F), la influencia del aspectonunca puede ser suficiente para descongelar el permafrost y formar una zona continua de permafrost (CPZ para abreviar). La línea de permafrost continuo en el hemisferio norte representa el límite más al sur donde la tierra está cubierta por permafrost continuo o hielo glacial.
Por razones obvias, diseñar sobre permafrost es una tarea extremadamente difícil. La línea continua de permafrost está cambiando de norte a sur en todo el mundo debido al cambio climático regional. En el hemisferio sur, la mayor parte de la línea equivalente estaría en el Océano Antártico si hubiera tierra. La mayor parte del continente antártico está cubierto por glaciares, bajo los cuales la mayor parte del terreno está sujeto a derretirse en el suelo. La tierra expuesta de la Antártida es en gran parte permafrost.
Alpes
Las estimaciones del área total de la zona de permafrost en los Alpes varían mucho. Bockheim y Munro combinaron las tres fuentes e hicieron estimaciones tabulares por región (3 560 000 km2 en total).
El permafrost alpino en los Andes no estaba en el mapa. La extensión en este caso se modela para estimar la cantidad de agua en estas áreas. En 2009, un investigador de Alaska descubrió permafrost a 4.700 m (15.400 pies) en el pico más alto de África, el monte Kilimanjaro, a unos 3° al norte del ecuador. Los cimientos en suelos de permafrost en estas latitudes no son infrecuentes.
Mares helados y fondo helado
El permafrost marino se encuentra bajo el lecho marino y existe en las plataformas continentales polaresregiones. Estas áreas se formaron durante la última edad de hielo, cuando la mayor parte del agua de la Tierra estaba encerrada en capas de hielo en la tierra y los niveles del mar eran bajos. A medida que las capas de hielo se derritieron y se convirtieron nuevamente en agua de mar, el permafrost se convirtió en plataformas sumergidas en condiciones límite relativamente cálidas y saladas en comparación con el permafrost en la superficie. Por lo tanto, el permafrost submarino existe en condiciones que conducen a su reducción. Según Osterkamp, el permafrost submarino es un factor en “el diseño, construcción y operación de instalaciones costeras, estructuras del lecho marino, islas artificiales, tuberías submarinas y pozos perforados para exploración y producción.
El permafrost se extiende hasta las profundidades de la base, donde el calor geotérmico de la Tierra y la temperatura media anual de la superficie alcanzan una temperatura de equilibrio de 0 °C. La profundidad de la base del permafrost alcanza los 1.493 metros (4.898 pies) en las cuencas del norte de los ríos Lena y Yana en Siberia. El gradiente geotérmico es la tasa de aumento de la temperatura en relación con el aumento de la profundidad en el interior de la Tierra. Lejos de los límites de la placa tectónica, se encuentra a unos 25-30 °C/km cerca de la superficie en la mayoría de los países del mundo. Varía con la conductividad térmica del material geológico y es menor para el permafrost en el suelo que en el lecho rocoso.
Hielo en el suelo
Cuando el contenido de hielo del permafrost supera el 250 % (de masa de hielo a suelo seco), se clasifica comohielo masivo. Los cuerpos de hielo masivos pueden variar en composición desde lodo helado hasta hielo puro. Las capas de hielo masivas tienen un espesor mínimo de al menos 2 metros, un diámetro corto de al menos 10 metros. Los primeros avistamientos registrados en América del Norte fueron realizados por científicos europeos en el río Canning en Alaska en 1919. La literatura rusa da una fecha anterior de 1735 y 1739 durante la Gran Expedición al Norte de P. Lassinius y Kh. P. Laptev, respectivamente. Las dos categorías de hielo terrestre masivo son el hielo superficial enterrado y el llamado "hielo intra-vertedero". La creación de cimientos sobre permafrost requiere que no haya grandes glaciares cerca.
El hielo superficial enterrado puede provenir de la nieve, lago congelado o hielo marino, aufeis (hielo rodado de río) y probablemente la variante más común sea el hielo glacial enterrado.
Congelación de aguas subterráneas
El hielo intradiestimal se forma como resultado de la congelación del agua subterránea. Aquí prevalece el hielo de segregación, que se produce como resultado de la diferenciación por cristalización que se produce durante la congelación de la precipitación húmeda. El proceso va acompañado de migración de agua hacia el frente de congelación.
El hielo intradiestimal (constitucional) ha sido ampliamente observado y estudiado en todo Canadá y también incluye hielo intrusivo e inyectado. Además, las cuñas de hielo, un tipo separado de hielo molido, producen polígonos estampados reconocibles o polígonos de tundra. Las cuñas de hielo se forman en un geológico preexistente.sustrato Se describieron por primera vez en 1919.
Ciclo del carbono
El ciclo del carbono del permafrost se ocupa de la transferencia de carbono desde los suelos del permafrost a la vegetación terrestre y los microbios, a la atmósfera, de regreso a la vegetación y, finalmente, al suelo del permafrost a través del entierro y la precipitación a través de procesos criogénicos. Parte de este carbono se transfiere al océano y otras partes del mundo a través del ciclo global del carbono. El ciclo incluye el intercambio de dióxido de carbono y metano entre los componentes terrestres y la atmósfera, y el transporte de carbono entre la tierra y el agua en forma de metano, carbono orgánico disuelto, carbono inorgánico disuelto, partículas de carbono inorgánico y partículas de carbono orgánico.
Historia
El permafrost del Ártico se ha ido reduciendo a lo largo de los siglos. La consecuencia de esto es el descongelamiento del suelo, que puede ser más débil, y la liberación de metano, lo que contribuye a un aumento en la tasa de calentamiento global en un ciclo de retroalimentación. Las áreas de distribución de los suelos de permafrost han cambiado constantemente en la historia.
En el último máximo glacial, el permafrost continuo cubría un área mucho mayor que la actual. En América del Norte, solo existía un cinturón muy estrecho de permafrost al sur de la capa de hielo de la latitud de Nueva Jersey en el sur de Iowa y el norte de Missouri. Era extenso en las regiones occidentales más secas, donde se extendía hasta la frontera sur de Idaho y Oregón. En el hemisferio sur, hay alguna evidencia de un antiguo eternopermafrost de este período en el centro de Otago y en la Patagonia argentina, pero probablemente discontinuo y asociado con la tundra. El permafrost alpino también se produjo en Drakensberg durante la existencia de glaciares por encima de los 3.000 metros (9.840 pies). Sin embargo, incluso allí se están estableciendo cimientos y cimientos sobre permafrost.
Estructura del suelo
El suelo puede estar compuesto de muchos materiales de sustrato, incluidos lecho rocoso, sedimentos, materia orgánica, agua o hielo. El suelo congelado es cualquier cosa por debajo del punto de congelación del agua, ya sea que haya o no agua en el sustrato. El hielo molido no siempre está presente, como puede ser el caso del lecho rocoso no poroso, pero es común y puede estar presente en cantidades superiores a la saturación hidráulica potencial del sustrato descongelado.
Como resultado, la lluvia está aumentando, lo que a su vez está debilitando y posiblemente derrumbando edificios en áreas como Norilsk en el norte de Rusia, que se encuentra en la zona de permafrost.
Colapso de pendiente
Durante el siglo pasado, ha habido muchos casos reportados de fallas en laderas alpinas en cadenas montañosas de todo el mundo. Se espera que una gran cantidad de daño estructural esté asociado con el derretimiento del permafrost, que se cree que es causado por el cambio climático. Se cree que el derretimiento del permafrost contribuyó al deslizamiento de tierra de Val Pola en 1987 que mató a 22 personas en los Alpes italianos. Grande en las cadenas montañosasparte de la estabilidad estructural puede deberse a los glaciares y al permafrost. A medida que el clima se calienta, el permafrost se descongela, lo que lleva a una estructura montañosa menos estable y, finalmente, a más fallas en las pendientes. El aumento de la temperatura permite profundidades más profundas de la capa activa, lo que implica una penetración de agua aún mayor. El hielo en el suelo se derrite, causando pérdida de fuerza del suelo, movimiento acelerado y posibles flujos de escombros. Por lo tanto, la construcción sobre permafrost es altamente indeseable.
También hay información sobre caídas masivas de rocas y hielo (hasta 11,8 millones de m3), terremotos (hasta 3,9 millones de millas), inundaciones (hasta 7, 8 millones de m3 de agua) y el rápido flujo de hielo rocoso. Esto es causado por la "inestabilidad de la pendiente" en condiciones de permafrost en las tierras altas. La inestabilidad de la pendiente en el permafrost a temperaturas elevadas cercanas al punto de congelación en el calentamiento del permafrost se asocia con estrés efectivo y aumento de la presión del agua intersticial en estos suelos.
Desarrollo de suelos permafrost
Jason Kea y sus coautores han inventado un nuevo piezómetro rígido sin filtro (FRP) para medir la presión del agua intersticial en suelos parcialmente congelados, como el permafrost en calentamiento. Extendieron el uso del concepto de estrés efectivo a suelos parcialmente congelados para su uso en el análisis de estabilidad de taludes de taludes de permafrost en calentamiento. La aplicación del concepto de esfuerzo efectivo tiene muchas ventajas, por ejemplo, la capacidad de construir bases y cimientos sobresuelos de permafrost.
Orgánico
En la región circumpolar del norte, el permafrost contiene 1.700 billones de toneladas de material orgánico, casi la mitad de toda la materia orgánica. Esta cuenca se ha creado durante milenios y se está destruyendo lentamente en las frías condiciones del Ártico. La cantidad de carbono secuestrado en el permafrost es cuatro veces la cantidad de carbono liberado a la atmósfera por la actividad humana en los tiempos modernos.
Consecuencias
La formación de permafrost tiene implicaciones significativas para los sistemas ecológicos, principalmente debido a las restricciones impuestas a las zonas de raíces, así como a las restricciones en la geometría de las guaridas y madrigueras para la fauna que requiere hogares subterráneos. Los impactos secundarios afectan a las especies dependientes de plantas y animales cuyo hábitat está limitado por el permafrost. Uno de los ejemplos más comunes es la prevalencia del abeto negro en vastas áreas de permafrost, ya que esta especie puede tolerar un establecimiento limitado cerca de la superficie.
A veces se realizan cálculos de suelos de permafrost para el análisis de material orgánico. Un gramo de suelo de una capa activa puede contener más de mil millones de células bacterianas. Cuando se colocan una junto a la otra, las bacterias de un kilogramo de suelo de la capa activa forman una cadena de 1000 km de largo. El número de bacterias en el suelo de permafrost varía ampliamente, típicamente entre 1 y 1000 millones por gramo de suelo. La mayoría de estosLas bacterias y los hongos en el suelo de permafrost no se pueden cultivar en el laboratorio, pero la identidad de los microorganismos se puede revelar mediante métodos basados en el ADN.
La región del Ártico y el calentamiento global
La región del Ártico es una de las fuentes naturales de gases de efecto invernadero metano. El calentamiento global está acelerando su liberación. Una gran cantidad de metano se almacena en el Ártico en depósitos de gas natural, permafrost y en forma de clatratos submarinos. Otras fuentes de metano incluyen los taliks submarinos, el transporte fluvial, la retirada de complejos de hielo, el permafrost submarino y los depósitos de hidratos de gas en descomposición. El análisis informático preliminar indica que el permafrost puede producir una cantidad de carbono equivalente a aproximadamente el 15 por ciento de las emisiones actuales de las actividades humanas. El calentamiento y descongelamiento de los macizos de suelo hace que construir sobre permafrost sea aún más peligroso.
