Tanah beku abadi: area distribusi, suhu, fitur pengembangan

2024 Pengarang: Henry Conors | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-02-12 08:53

Dari artikel ini Anda akan belajar tentang fitur tanah permafrost yang umum di zona permafrost. Dalam geologi, permafrost adalah tanah, termasuk tanah berbatu (cryotic), yang hadir pada suhu beku 0 °C atau di bawahnya selama dua tahun atau lebih. Sebagian besar permafrost terletak di lintang tinggi (di dalam dan di sekitar wilayah Arktik dan Antartika), tetapi, misalnya, di Pegunungan Alpen, ia ditemukan di ketinggian yang lebih tinggi.

Es tanah tidak selalu ada, seperti yang mungkin terjadi pada batuan dasar yang tidak berpori, tetapi sering ditemukan dalam jumlah yang melebihi potensi saturasi hidraulik material tanah. Permafrost membentuk 0,022% dari total air di Bumi dan ada di 24% lahan terbuka di Belahan Bumi Utara. Itu juga terjadi di bawah air di landas kontinen benua yang mengelilingi Samudra Arktik. Menurut satu kelompok ilmuwan, suhu global meningkat 1,5 °C (2,7 °F) di atas aruslevel akan cukup untuk mulai mencairkan permafrost di Siberia.

Belajar

Berbeda dengan sedikitnya laporan tentang tanah beku di Amerika Utara sebelum Perang Dunia II, literatur tentang aspek teknik permafrost tersedia dalam bahasa Rusia. Mulai tahun 1942, Simon William Muller mempelajari literatur relevan yang diadakan oleh Library of Congress dan Library of the United States Geological Survey untuk memberikan kepada pemerintah sebuah manual teknik dan laporan teknis tentang permafrost pada tahun 1943.

Definisi

Permafrost adalah tanah, batuan atau sedimen yang telah membeku selama lebih dari dua tahun berturut-turut. Di daerah yang tidak tertutup es, mereka ada di bawah lapisan tanah, batu, atau sedimen yang membeku dan mencair setiap tahun dan disebut "lapisan aktif". Dalam praktiknya, ini berarti bahwa permafrost terjadi pada suhu tahunan rata-rata -2 °C (28,4 °F) atau lebih rendah. Ketebalan lapisan aktif bervariasi menurut musim, tetapi berkisar antara 0,3 hingga 4 meter (dangkal di sepanjang pantai Arktik; jauh di selatan Siberia dan Dataran Tinggi Qinghai-Tibet).

Geografi

Bagaimana dengan penyebaran lapisan es? Luasnya lapisan es bervariasi menurut iklim: saat ini di belahan bumi utara, 24% dari luas daratan bebas es - setara dengan 19 juta kilometer persegi - kurang lebih dipengaruhi oleh lapisan es.

Sedikit lebih dari setengah area ini tertutup oleh lapisan es yang terus menerus,sekitar 20 persen adalah permafrost terputus-putus dan hanya di bawah 30 persen adalah permafrost sporadis. Sebagian besar wilayah ini terletak di Siberia, Kanada utara, Alaska, dan Greenland. Di bawah lapisan aktif, fluktuasi suhu permafrost tahunan menjadi lebih kecil dengan kedalaman. Kedalaman terdalam permafrost terjadi di mana panas bumi mempertahankan suhu di atas titik beku. Di atas batas ini, mungkin ada permafrost, yang suhunya tidak berubah setiap tahun. Ini adalah "permafrost isotermal". Area tanah permafrost kurang cocok untuk kehidupan manusia yang aktif.

Iklim

Permafrost biasanya terbentuk di iklim mana pun di mana suhu udara tahunan rata-rata di bawah titik beku air. Pengecualian dapat ditemukan di iklim musim dingin yang basah, seperti di Skandinavia Utara dan Rusia timur laut di sebelah barat Ural, di mana salju bertindak sebagai penutup isolasi. Daerah glasial mungkin merupakan pengecualian. Karena semua gletser dipanaskan pada dasarnya oleh panas geotermal, gletser beriklim sedang yang dekat dengan titik lelehnya yang bertekanan dapat memiliki air cair di perbatasan dengan daratan. Oleh karena itu, mereka bebas dari permafrost. Anomali dingin "fosil" di gradien panas bumi di daerah di mana lapisan es yang dalam berkembang selama Pleistosen bertahan hingga beberapa ratus meter. Hal ini terlihat dari pengukuran suhu sumur di Amerika Utara dan Eropa.

Suhu bawah tanah

Biasanya, suhu di bawah tanah bervariasi dari musim ke musim kurang darisuhu udara. Pada saat yang sama, suhu tahunan rata-rata cenderung meningkat dengan kedalaman sebagai akibat dari gradien panas bumi dari kerak bumi. Jadi, jika suhu udara rata-rata tahunan hanya sedikit di bawah 0 °C (32 °F), permafrost hanya akan terbentuk di tempat-tempat yang terlindungi - biasanya di sisi utara - menciptakan permafrost yang terputus-putus. Biasanya, permafrost akan tetap terputus-putus di iklim di mana suhu permukaan tanah rata-rata tahunan adalah -5 hingga 0°C (23 hingga 32°F). Daerah dengan musim dingin basah yang disebutkan di atas bahkan mungkin tidak memiliki lapisan es yang terputus-putus hingga -2 °C (28 °F).

Jenis lapisan es

Permafrost sering dibagi lagi menjadi permafrost diskontinyu yang luas, di mana lapisan es menutupi 50 hingga 90 persen lanskap dan biasanya ditemukan di daerah dengan suhu tahunan rata-rata -2 hingga -4 °C (28 hingga 25 °F), dan permafrost sporadis, di mana permafrost menutupi kurang dari 50 persen lanskap dan biasanya terjadi pada suhu tahunan rata-rata antara 0 dan -2 °C (32 dan 28 °F). Dalam ilmu tanah, zona permafrost sporadis adalah SPZ, sedangkan zona permafrost diskontinu yang luas adalah zona penginderaan jauh. Pengecualian terjadi di Siberia dan Alaska tanpa glasir, di mana kedalaman permafrost saat ini adalah sisa dari kondisi iklim selama Zaman Es, di mana musim dingin 11 °C (20 °F) lebih dingin daripada hari ini.

Suhu permafrost

Ketika suhu permukaan tanah rata-rata tahunan di bawah -5 °C (23 °F), pengaruh aspektidak akan pernah cukup untuk mencairkan permafrost dan membentuk zona permafrost terus menerus (disingkat CPZ). Garis permafrost terus menerus di belahan bumi utara mewakili batas paling selatan di mana daratan ditutupi oleh permafrost atau es glasial terus menerus.

Untuk alasan yang jelas, mendesain di permafrost adalah tugas yang sangat sulit. Garis permafrost terus menerus berubah utara atau selatan di seluruh dunia karena perubahan iklim regional. Di belahan bumi selatan, sebagian besar garis yang setara akan berada di Samudra Selatan jika ada daratan. Sebagian besar benua Antartika ditutupi oleh gletser, di mana sebagian besar medan dapat mencair di tanah. Daratan Antartika yang terbuka sebagian besar berupa lapisan es.

Alps

Perkiraan luas total zona permafrost di Pegunungan Alpen sangat bervariasi. Bockheim dan Munro menggabungkan ketiga sumber tersebut dan membuat perkiraan tabel berdasarkan wilayah (total 3.560.000 km2).

Permafrost Alpen di Andes tidak ada di peta. Luasan dalam hal ini dimodelkan untuk memperkirakan jumlah air di daerah tersebut. Pada tahun 2009, seorang peneliti Alaska menemukan lapisan es di 4.700 m (15.400 kaki) di puncak tertinggi Afrika, Gunung Kilimanjaro, sekitar 3° utara khatulistiwa. Pondasi pada tanah permafrost di garis lintang ini tidak jarang.

Laut beku dan dasar beku

Permafrost laut terjadi di bawah dasar laut dan ada di landas kontinen kutubdaerah. Daerah ini terbentuk selama zaman es terakhir, ketika sebagian besar air bumi terkunci di lapisan es di darat dan permukaan laut rendah. Saat lapisan es mencair dan menjadi air laut lagi, lapisan es menjadi rak terendam di bawah kondisi batas yang relatif hangat dan asin dibandingkan dengan lapisan es di permukaan. Oleh karena itu, permafrost bawah air ada dalam kondisi yang mengarah pada pengurangannya. Menurut Osterkamp, lapisan es bawah laut merupakan faktor dalam “desain, konstruksi, dan pengoperasian fasilitas pantai, struktur dasar laut, pulau buatan, jaringan pipa bawah laut, dan sumur yang dibor untuk eksplorasi dan produksi.

Permafrost meluas ke dasar, di mana panas panas bumi dari Bumi dan suhu permukaan tahunan rata-rata mencapai suhu keseimbangan 0 °C. Kedalaman dasar permafrost mencapai 1.493 meter (4.898 kaki) di cekungan utara sungai Lena dan Yana di Siberia. Gradien panas bumi adalah laju kenaikan suhu relatif terhadap peningkatan kedalaman di interior bumi. Jauh dari batas lempeng tektonik, sekitar 25-30 °C/km dekat permukaan di sebagian besar negara di dunia. Ini bervariasi dengan konduktivitas termal dari bahan geologi dan kurang untuk permafrost di tanah daripada di batuan dasar.

Es di tanah

Bila kandungan es permafrost melebihi 250 persen (dari massa es ke tanah kering), diklasifikasikan sebagaies besar. Badan es besar dapat berkisar dalam komposisi dari lumpur es hingga es murni. Lapisan es masif memiliki ketebalan minimal minimal 2 meter, diameter pendek minimal 10 meter. Penampakan pertama yang tercatat di Amerika Utara dibuat oleh para ilmuwan Eropa di Sungai Canning di Alaska pada tahun 1919. Literatur Rusia menyebutkan tanggal yang lebih awal yaitu tahun 1735 dan 1739 selama Ekspedisi Besar Utara P. Lassinius dan Kh. P. Laptev, masing-masing. Dua kategori es tanah masif adalah es permukaan yang terkubur dan apa yang disebut "es intra-shed". Pembuatan fondasi apa pun di permafrost mengharuskan tidak ada gletser besar di dekatnya.

Es permukaan yang terkubur dapat berasal dari salju, danau beku atau es laut, aufeis (es sungai yang digulung) dan mungkin varian yang paling umum adalah es glasial yang terkubur.

Pembekuan air tanah

Es intraestimal terbentuk sebagai akibat dari pembekuan air tanah. Di sini, segregasi es berlaku, yang terjadi sebagai akibat dari diferensiasi kristalisasi yang terjadi selama pembekuan presipitasi basah. Proses ini disertai dengan migrasi air ke bagian depan yang membeku.

Es intraestimal (konstitusional) telah diamati dan dipelajari secara luas di seluruh Kanada dan juga termasuk es intrusi dan injeksi. Selain itu, irisan es, jenis es tanah yang terpisah, menghasilkan poligon berpola atau poligon tundra yang dapat dikenali. Irisan es terbentuk dalam kondisi geologis yang sudah ada sebelumnyasubstrat. Mereka pertama kali dijelaskan pada tahun 1919.

siklus karbon

Siklus karbon permafrost berkaitan dengan transfer karbon dari tanah permafrost ke vegetasi dan mikroba terestrial, ke atmosfer, kembali ke vegetasi, dan akhirnya kembali ke tanah permafrost melalui penguburan dan pengendapan melalui proses kriogenik. Beberapa karbon ini ditransfer ke laut dan bagian lain dunia melalui siklus karbon global. Siklus tersebut meliputi pertukaran karbon dioksida dan metana antara komponen terestrial dan atmosfer, dan pengangkutan karbon antara darat dan air dalam bentuk metana, karbon organik terlarut, karbon anorganik terlarut, partikel karbon anorganik, dan partikel karbon organik.

Sejarah

Permafrost Kutub Utara telah menyusut selama berabad-abad. Konsekuensi dari ini adalah pencairan tanah, yang mungkin lebih lemah, dan pelepasan metana, yang berkontribusi pada peningkatan laju pemanasan global dalam lingkaran umpan balik. Area distribusi tanah permafrost terus berubah dalam sejarah.

Pada maksimum glasial terakhir, lapisan es yang terus menerus menutupi area yang jauh lebih besar dari hari ini. Di Amerika Utara, hanya sabuk permafrost yang sangat sempit yang ada di selatan lapisan es lintang New Jersey di Iowa selatan dan Missouri utara. Itu luas di wilayah barat yang lebih kering, di mana ia meluas ke perbatasan selatan Idaho dan Oregon. Di belahan bumi selatan, ada beberapa bukti mantan abadipermafrost periode ini di Otago tengah dan di Patagonia Argentina, tetapi mungkin terputus dan terkait dengan tundra. Permafrost alpine juga terjadi di Drakensberg selama keberadaan gletser di atas 3.000 meter (9.840 kaki). Namun demikian, fondasi dan fondasi di atas permafrost sedang dibangun bahkan di sana.

Struktur tanah

Tanah dapat terdiri dari banyak bahan substrat, termasuk batuan dasar, sedimen, bahan organik, air, atau es. Tanah beku adalah segala sesuatu di bawah titik beku air, apakah ada air di substrat atau tidak. Es tanah tidak selalu ada, seperti yang terjadi pada batuan dasar yang tidak berpori, tetapi es tersebut umum dan mungkin ada dalam jumlah yang melebihi saturasi hidraulik potensial dari substrat yang dicairkan.

Akibatnya, curah hujan meningkat, yang pada gilirannya melemahkan dan mungkin meruntuhkan bangunan di daerah seperti Norilsk di Rusia utara, yang terletak di zona permafrost.

Lereng runtuh

Selama satu abad terakhir, ada banyak laporan kasus kegagalan lereng alpine di pegunungan di seluruh dunia. Sejumlah besar kerusakan struktural diperkirakan terkait dengan pencairan lapisan es, yang diyakini disebabkan oleh perubahan iklim. Mencairnya lapisan es diyakini berkontribusi pada tanah longsor Val Pola 1987 yang menewaskan 22 orang di Pegunungan Alpen Italia. Besar di pegununganbagian dari stabilitas struktural mungkin karena gletser dan permafrost. Saat iklim menghangat, lapisan es mencair, menyebabkan struktur gunung kurang stabil dan akhirnya lebih banyak longsoran lereng. Peningkatan suhu memungkinkan kedalaman lapisan aktif yang lebih dalam, yang memerlukan lebih banyak penetrasi air. Es di tanah mencair, menyebabkan hilangnya kekuatan tanah, gerakan yang dipercepat, dan potensi aliran puing-puing. Oleh karena itu, pembangunan di permafrost sangat tidak diinginkan.

Ada juga informasi tentang jatuhnya batu besar dan es (hingga 11,8 juta m³), gempa bumi (hingga 3,9 juta mil), banjir (hingga 7, 8 juta m³ air) dan aliran es batu yang deras. Hal ini disebabkan oleh "ketidakstabilan lereng" dalam kondisi permafrost di dataran tinggi. Ketidakstabilan lereng di permafrost pada suhu tinggi mendekati titik beku dalam pemanasan permafrost dikaitkan dengan tegangan efektif dan peningkatan tekanan air pori di tanah ini.

Pengembangan tanah permafrost

Jason Kea dan rekan penulis telah menemukan piezometer kaku tanpa filter (FRP) baru untuk mengukur tekanan air pori di tanah yang sebagian beku seperti pemanasan permafrost. Mereka memperluas penggunaan konsep tegangan efektif untuk sebagian tanah beku untuk digunakan dalam analisis stabilitas lereng pemanasan lereng permafrost. Penerapan konsep tegangan efektif memiliki banyak keuntungan, misalnya kemampuan untuk membangun pondasi dan pondasi di atastanah permafrost.

Organik

Di wilayah sirkumpolar utara, lapisan es mengandung 1.700 miliar ton bahan organik, hampir setengah dari semua bahan organik. Cekungan ini telah terbentuk selama ribuan tahun dan perlahan-lahan dihancurkan dalam kondisi dingin di Arktik. Jumlah karbon yang diserap di permafrost adalah empat kali lipat jumlah karbon yang dilepaskan ke atmosfer oleh aktivitas manusia di zaman modern.

Konsekuensi

Pembentukan lapisan es memiliki implikasi yang signifikan bagi sistem ekologi, terutama karena pembatasan ditempatkan pada zona akar, serta pembatasan geometri sarang dan liang untuk fauna yang membutuhkan rumah bawah tanah. Dampak sekunder mempengaruhi spesies yang bergantung pada tumbuhan dan hewan yang habitatnya dibatasi oleh lapisan es. Salah satu contoh paling umum adalah prevalensi black spruce di area permafrost yang luas, karena spesies ini dapat mentolerir pembentukan yang terbatas di dekat permukaan.

Penghitungan tanah permafrost terkadang dilakukan untuk analisis bahan organik. Satu gram tanah dari lapisan aktif dapat mengandung lebih dari satu miliar sel bakteri. Ketika ditempatkan satu sama lain, bakteri dari satu kilogram tanah dari lapisan aktif membentuk rantai sepanjang 1000 km. Jumlah bakteri di tanah permafrost sangat bervariasi, biasanya antara 1 dan 1000 juta per gram tanah. Sebagian besar dari inibakteri dan jamur di tanah permafrost tidak dapat dibiakkan di laboratorium, tetapi identitas mikroorganisme dapat diketahui dengan menggunakan metode berbasis DNA.

Wilayah Arktik dan pemanasan global

Wilayah Arktik adalah salah satu sumber alami gas rumah kaca metana. Pemanasan global mempercepat pelepasannya. Sejumlah besar metana disimpan di Kutub Utara dalam endapan gas alam, lapisan es dan dalam bentuk klatrat bawah air. Sumber metana lainnya termasuk talik bawah laut, transportasi sungai, retret kompleks es, permafrost bawah laut, dan deposit gas hidrat yang membusuk. Analisis komputer awal menunjukkan bahwa lapisan es dapat menghasilkan karbon yang setara dengan sekitar 15 persen emisi saat ini dari aktivitas manusia. Pemanasan dan pencairan massa tanah membuat bangunan di atas lapisan es semakin berbahaya.