Морозное кипение

Морозный нарыв , также известный как грязевой нарыв , каменистые земные круги , морозные шрамы или грязевые круги . ^{[ 1 ]} представляют собой небольшие круглые холмики из свежего почвенного материала, образовавшиеся в результате действия мороза и криотурбации . Обычно они встречаются в перигляциальной или альпийской среде, где присутствует вечная мерзлота , и могут повредить дороги и другие искусственные сооружения. ^{[ 2 ]} Обычно они имеют диаметр от 1 до 3 метров. ^{[ 3 ]}

Морозные нарывы являются одними из наиболее распространенных особенностей узорчатого грунта , широко распространенного процесса, формирующего топологию почв в перигляциальных регионах. Обычно они образуют правильные узоры из многоугольников. Морозные нарывы представляют собой разновидность несортированного круга и отличаются от других кругов бесплодными центрами минеральной почвы и межкольцевыми участками, заполненными растительностью и торфом. ^{[ 4 ]} Он назван в честь кожных фурункулов из-за сходства процессов их образования, хотя последующие исследования показали другие способы образования.

наблюдались морозные нарывы На Марсе , что указывает на наличие перигляциальных процессов, аналогичных земным. ^{[ 5 ]}

Формирование

Наиболее распространенная теория предполагает криотурбацию , вызванную различиями во влажности и температуре почвы. Другие недавние исследования утверждают, что морозные нарывы образуются под действием нескольких взаимодействующих механизмов, включая дифференциальное морозное пучение , броски нагрузок , конвекцию , ^{[ 6 ]} морозное растрескивание , массовое перемещение и сортировка грунта . ^{[ 7 ]} Однако традиционная модель инъекции все еще может применяться при некоторых фурункулах, вызванных морозом. Модели обычно предполагают, что почва состоит преимущественно из ила или глины по причинам, перечисленным в подразделе «Закачка».

Инъекция

Морозообразование возникает в почвах из плохо отсортированных отложений со значительным содержанием ила и/или глины. К этим почвам относятся многолетнемерзлые тилы , морские глины , коллювий и другие илы . Эти почвы имеют низкие пределы текучести , низкие пределы пластичности и высокое естественное содержание влаги. Эти почвы легко разжижаются и текут в ответ на небольшие изменения внутреннего или внешнего напряжения или на изменение содержания воды. ^{[ 8 ]} Локализованные напряжения часто являются результатом того, что влага удерживается в активном слое подстилающей вечной мерзлотой и полужестким панцирем из высохшего поверхностного ила, образовавшегося в результате высыхания в конце лета. Влажность почв летом может увеличиваться из-за дождей. Другие стрессы включают объемное изменение воды во время замерзания и оттаивания, а также поток грунтовых вод.

Последующее увеличение гидростатического , артезианского и/или порового давления воды на склонах. Когда внутренние напряжения невозможно сдержать, полужесткий поверхностный слой разрывается. Насыщенная грязь вырывается над поверхностью, создавая бурление грязи. ^{[ 9 ]}

Разжижение почвы

Этот процесс аналогичен образованию песчаных нарывов . Там, где почвы плохо дренированы, температура почвы более чувствительна к изменениям температуры воздуха. Почвенные агрегаты менее стабильны у поверхности, поскольку замерзание происходит быстрее. Более глубокие почвы испытывают более длительные периоды стабильности из-за сублимационной сушки или криодесикации. Более глубокие почвы также испытывают большие нагрузки из-за вторичного перемерзания почвы поздней осенью. В результате попадание дополнительной воды из-за таяния или потоков грунтовых вод может привести к разжижению и деформации более глубокой почвы, подобно пластику. Высокая вязкость воды, близкая к 0 °C, способствует взрыву агрегатов и диспергированию частиц.

Этот процесс является обычным явлением в альпийских регионах, где температура почвы редко опускается ниже -10 °C. ^{[ 10 ]}

Циротурбация

Илистая или суглинистая почва, как описано выше, может удерживать большее содержание влаги. Таким образом, преимущественно в этих местах образуются сегрегированные ледяные линзы. Таким образом, почва испытывает большее морозное пучение , чем окружающие регионы, и становится более возвышенной, чем ее окрестности. Хотя ледяные линзы тают летом, земля не полностью опускается на первоначальную высоту и остается на несколько более высокой высоте, чем раньше. С годами частицы почвы преимущественно переносятся вверх, образуя морозный нагар. На поверхности кипения происходит расползание почвы и ее транспортировка к краю, где она перемешивается с органической почвой из активного слоя. В течение многих лет этот процесс создает четко выраженные органогенные горизонты почв в межкипящих районах. Проникающие грунтовые воды в конечном итоге уносят растворенный органический материал и частицы вниз в процессе выщелачивания . Эти частицы накапливаются в отдельных ледяных линзах, и цикл повторяется.

Циротурбация этого типа — медленный процесс, часто занимающий столетия за один цикл. ^{[ 11 ]}

Внутренние характеристики

Морозное пучение сильнее в центре морозных нарывов по сравнению с краями морозных нарывов из-за обильного льда в центре и растительного покрова на краях. Из-за более высокого содержания влаги лед преимущественно образует отдельные ледяные линзы в неглубоких грунтах вблизи центра морозного кипения. Однако содержание влаги на краях преимущественно представлено поровым льдом. Питание грунта в центре мороза вскипает в период оттепели, соответственно, быстрее и имеет большую величину по сравнению с окраинами. Оседание на окраинах происходит медленно в ранний период оттаивания, но к середине лета увеличивается до темпов, сопоставимых с центральными.

Измерения, проведенные на морозных нарывах в Адвентдалене, Шпицберген, показали, что уровень устойчивости почвы в центре морозных нарывов составлял в среднем 8 мм в день в конце мая, но снизился до менее 1 мм в день в середине июля. То же самое показало, что пучение было значительно больше в центрах (около 9,5 мм в день), чем по краям (около 1,6 мм в день). Соответственно, анализ ледяных кернов , проведенный на морозных нарывах, показал, что образцы, извлеченные из центра морозных нарывов, имеют более высокую концентрацию ледяных линз в неглубоких почвах по сравнению с кернами, извлеченными из краевых и межкольцевых областей. Большинство ледяных линз имеют диаметр менее 3 мм. ^{[ 12 ]}

Топология

Морозные нарывы часто возникают группами и могут образовывать террасы, если серия из них возникает на склоне. На склонах морозные нарывы иногда защищены от эрозии тонким слоем мхов и лишайников , который удерживает влагу за счет поверхностного натяжения, когда отложения стекают вниз по склону, образуя доли. Эти формы рельефа в конечном итоге оседают, как гусеница .

К общим характеристикам форм рельефа, созданных морозными нарывами, относятся чашеобразный нарыв, приподнятый центр, образование органического слоя на внешнем крае и устойчивость поверхности почвы к заселению растительностью. ^{[ 13 ]}

Дренаж при морозных фурункулах отличается из-за микрорельефа поверхности морозных фурункулов. В теплое время года (летом) приподнятый центр морозного фурункула умеренно хорошо дренирован по сравнению с депрессивным межкипельным. На поверхность вечной мерзлоты также влияет разная активность в кипении. Внутреннее кипение более активно и обычно имеет более чем в два раза большую активную глубину, чем промежуточное кипение, что приводит к тому, что поверхность вечной мерзлоты имеет почти идеальную форму чаши. ^{[ 14 ]}

Биология

Морозные нарывы могут быть преобладающей формой топологии и узорчатости почвы в тундре. На больших площадях могут повторяться три элемента морозных нарывов: участки (центр морозных нарывов), края и впадины. Плотность этих элементов выше в высоких широтах Арктики по сравнению с южными тундрами. Каждый элемент морозных нарывов представляет собой отдельную микроэкосистему . Хотя растительность на участках редка, здесь могут обитать многие виды мелких мхов , накипных лишайников и одиночных мелких сосудистых растений . Хорошо развитый мох покрывает поверхность большинства кромок и впадин. Края и впадины также являются домом для большого количества трав и небольших или низкорослых кустарников . ^{[ 15 ]}

Арктические почвы со временем закисляются из-за присутствия аэробных бактерий, которые расщепляют водорастворимые соли в почвенной влаге, снижая плодородие большинства перигляциальных регионов. Криотурбация в условиях активных морозов может позволить воде, содержащей основные соли, проникнуть из глубины на поверхность, нейтрализуя кислотность почвы и пополняя запас питательных веществ. ^{[ 16 ]} Питательные вещества в растительном веществе, особенно углерод и азот, откладываются и концентрируются в желобах. Эти питательные вещества интенсивно перерабатываются на каждой стадии экологической сукцессии . Таким образом, впадины имеют в целом более высокую чистую продукцию экосистемы и скорость накопления углерода, чем участки. Другие причины, способствующие большему накоплению углерода в впадинах, включают более высокую влажность почвы, что делает впадины неблагоприятными для разложения . Впадины также могут иметь более высокое содержание углерода из-за того, что они старше и прошли более длительный период почвообразования . ^{[ 17 ]}

Наличие растений влияет на развитие морозных фурункулов. В высокой Арктике, где растения редки, преобладают физические процессы пучения и почвообразования. В регионах с более теплым умеренным климатом густая растительность изолирует области между кипячениями, снижая температуру почвы и уменьшая вероятность ее поднятия. Сильный контраст между покрытыми растительностью областями между нарывами и центральными участками приводит к максимальному дифференциальному пучению, в результате чего морозные нарывы развиваются лучше. ^{[ 18 ]}

См. также

Ссылки

^ Петерсон, РА; Д.А. Уокер; В.Е. Романовский; Дж. А. Кнудсон; М.К. Рейнольдс; ВБ Кранц (2003). Дифференциальная модель морозного пучения: взаимодействие криотурбации и растительности (PDF) . Том. 2. С. 885–890.
^ Чжан, Сюн; Преслер, Венди (декабрь 2012 г.). «Использование впитывающей ткани H2Ri для предотвращения замерзания в зоне бобровых спусков на шоссе Далтон, Аляска» . Транспортный центр Университета Аляски .
^ Ван Эвердинген, Р. (1998). Многоязычный словарь терминов, касающихся вечной мерзлоты и связанных с ней подземных льдов . Национальный центр данных по снегу и льду/Мировой центр данных по гляциологии, Боулдер, Колорадо. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Петерсон, РА; Кранц, ВБ (1 сентября 2008 г.). «Дифференциальная модель морозного пучения для узорчатого формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль арктического разреза Северной Америки» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 113 (Г3): G03S04. Бибкод : 2008JGRG..113.3S04P . дои : 10.1029/2007jg000559 . ISSN 2156-2202 .
^ МАЧАДО, Адриан; БАРАТА, Тереза; Иво Алвес, Э.; Кунья, Педро П. (1 ноября 2012 г.). «Анализ пунктуальных особенностей перигляциала Марса». Планетарная и космическая наука . 72 (1): 53–61. Бибкод : 2012P&SS...72...53M . дои : 10.1016/j.pss.2012.09.014 . HDL : 10316/79950 . ISSN 0032-0633 .
^ Ван Влит-Ланоэ, Бриджит (1991). «Дифференциальное морозное пучение, распределение нагрузки и конвекция: сходящиеся механизмы; обсуждение происхождения криотурбации». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 2 (2): 123–139. Бибкод : 1991ПППр....2..123В . дои : 10.1002/ppp.3430020207 . ISSN 1045-6740 .
^ МАЧАДО, Адриан; БАРАТА, Тереза; Иво Алвес, Э.; Кунья, Педро П. (1 ноября 2012 г.). «Анализ пунктуальных особенностей перигляциала Марса». Планетарная и космическая наука . 72 (1): 53–61. Бибкод : 2012P&SS...72...53M . дои : 10.1016/j.pss.2012.09.014 . HDL : 10316/79950 . ISSN 0032-0633 .
^ Шилтс, Уильям В. (1978). «Природа и генезис грязевых котлов, центральный Киватин, Канада». Канадский журнал наук о Земле . 15 (7): 1053–1068. Бибкод : 1978CaJES..15.1053S . дои : 10.1139/e78-113 . ISSN 0008-4077 . S2CID 33951581 .
^ Френч, Хью М. (26 января 2007 г.). Перигляциальная среда . п. 243. дои : 10.1002/9781118684931 . ISBN 9781118684931 .
^ Ван Влит-Ланоэ, Бриджит (1991). «Дифференциальное морозное пучение, распределение нагрузки и конвекция: сходящиеся механизмы; обсуждение происхождения криотурбации». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 2 (2): 123–139. Бибкод : 1991ПППр....2..123В . дои : 10.1002/ppp.3430020207 . ISSN 1045-6740 .
^ Уокер, Дональд А.; Эпштейн, Ховард Э.; Гулд, Уильям А.; Келли, Алексия М.; Каде, Аня Н.; Кнудсон, Джули А.; Кранц, Уильям Б.; Майклсон, Гэри; Петерсон, Рорик А. (2004). «Экосистемы морозного кипения: сложные взаимодействия между формами рельефа, почвами, растительностью и климатом». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (2): 171–188. Бибкод : 2004PPPr...15..171W . CiteSeerX 10.1.1.1032.1236 . дои : 10.1002/ппп.487 . ISSN 1045-6740 . S2CID 27092852 .
^ Ватанабэ, Тацуя; Мацуока, Нориказу; Кристиансен, Ханна Х. (2012). «Динамика грязевых бурь и ледяных клиньев, исследованная с помощью электротомографии, температуры грунта и движений поверхности на Шпицбергене». Географические летописи: Серия А, Физическая география . 94 (4): 445–457. Бибкод : 2012GeAnA..94..445W . дои : 10.1111/j.1468-0459.2012.00470.x . ISSN 0435-3676 . S2CID 140573106 .
^ Шур, Ю; Пинг, К. (2003). «Движущая сила образования морозных нарывов и торосов». Американский геофизический союз, осеннее собрание . 2003 : C21B–0823. Бибкод : 2003AGUFM.C21B0823S .
^ Пинг, CL; Дж. Дж. Майклсон; Дж. М. Кимбл; Ю.Л. Шур; Д.А. Уокер (ноябрь 2002 г.). «Морфогенез почв, связанных с морозными нарывами». Тезисы осеннего собрания АГУ . 83 : F259. Бибкод : 2002AGUFM.B12A0775P .
^ Чернов Ю.И. и Матвеева Н.В., 1997, «Арктическая экосистема в России», в Ф.Е. Вельголаски (ред.), Экосистемы мира, с. 411-412, Эльзевир.
^ Петерсон, РА; Кранц, ВБ (1 сентября 2008 г.). «Дифференциальная модель морозного пучения для узорчатого формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль арктического разреза Северной Америки» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 113 (Г3): G03S04. Бибкод : 2008JGRG..113.3S04P . дои : 10.1029/2007jg000559 . ISSN 2156-2202 .
^ Кайзер, К.; Мейер, Х.; Биаси, К.; Русалимова О.; Барсуков П.; Рихтер, А. (2005). «Запас и минерализация углерода и азота в почвах экосистемы морозной тундры Сибири» . Прикладная экология почв . 29 (2): 173–183. Бибкод : 2005AppSE..29..173K . дои : 10.1016/j.apsoil.2004.10.005 . ISSN 0929-1393 .
^ Уокер, Дональд А.; Эпштейн, Ховард Э.; Гулд, Уильям А.; Келли, Алексия М.; Каде, Аня Н.; Кнудсон, Джули А.; Кранц, Уильям Б.; Майклсон, Гэри; Петерсон, Рорик А. (2004). «Экосистемы морозного кипения: сложные взаимодействия между формами рельефа, почвами, растительностью и климатом». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (2): 183–184. Бибкод : 2004PPPr...15..171W . CiteSeerX 10.1.1.1032.1236 . дои : 10.1002/ппп.487 . ISSN 1045-6740 . S2CID 27092852 .

[1] Петерсон, РА; Д.А. Уокер; В.Е. Романовский; Дж. А. Кнудсон; М.К. Рейнольдс; ВБ Кранц (2003). Дифференциальная модель морозного пучения: взаимодействие криотурбации и растительности (PDF) . Том. 2. С. 885–890.

[2] Чжан, Сюн; Преслер, Венди (декабрь 2012 г.). «Использование впитывающей ткани H2Ri для предотвращения замерзания в зоне бобровых спусков на шоссе Далтон, Аляска» . Транспортный центр Университета Аляски .

[3] Ван Эвердинген, Р. (1998). Многоязычный словарь терминов, касающихся вечной мерзлоты и связанных с ней подземных льдов . Национальный центр данных по снегу и льду/Мировой центр данных по гляциологии, Боулдер, Колорадо. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[4] Петерсон, РА; Кранц, ВБ (1 сентября 2008 г.). «Дифференциальная модель морозного пучения для узорчатого формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль арктического разреза Северной Америки» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 113 (Г3): G03S04. Бибкод : 2008JGRG..113.3S04P . дои : 10.1029/2007jg000559 . ISSN 2156-2202 .

[5] МАЧАДО, Адриан; БАРАТА, Тереза; Иво Алвес, Э.; Кунья, Педро П. (1 ноября 2012 г.). «Анализ пунктуальных особенностей перигляциала Марса». Планетарная и космическая наука . 72 (1): 53–61. Бибкод : 2012P&SS...72...53M . дои : 10.1016/j.pss.2012.09.014 . HDL : 10316/79950 . ISSN 0032-0633 .

[6] Ван Влит-Ланоэ, Бриджит (1991). «Дифференциальное морозное пучение, распределение нагрузки и конвекция: сходящиеся механизмы; обсуждение происхождения криотурбации». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 2 (2): 123–139. Бибкод : 1991ПППр....2..123В . дои : 10.1002/ppp.3430020207 . ISSN 1045-6740 .

[7] МАЧАДО, Адриан; БАРАТА, Тереза; Иво Алвес, Э.; Кунья, Педро П. (1 ноября 2012 г.). «Анализ пунктуальных особенностей перигляциала Марса». Планетарная и космическая наука . 72 (1): 53–61. Бибкод : 2012P&SS...72...53M . дои : 10.1016/j.pss.2012.09.014 . HDL : 10316/79950 . ISSN 0032-0633 .

[8] Шилтс, Уильям В. (1978). «Природа и генезис грязевых котлов, центральный Киватин, Канада». Канадский журнал наук о Земле . 15 (7): 1053–1068. Бибкод : 1978CaJES..15.1053S . дои : 10.1139/e78-113 . ISSN 0008-4077 . S2CID 33951581 .

[9] Френч, Хью М. (26 января 2007 г.). Перигляциальная среда . п. 243. дои : 10.1002/9781118684931 . ISBN 9781118684931 .

[10] Ван Влит-Ланоэ, Бриджит (1991). «Дифференциальное морозное пучение, распределение нагрузки и конвекция: сходящиеся механизмы; обсуждение происхождения криотурбации». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 2 (2): 123–139. Бибкод : 1991ПППр....2..123В . дои : 10.1002/ppp.3430020207 . ISSN 1045-6740 .

[11] Уокер, Дональд А.; Эпштейн, Ховард Э.; Гулд, Уильям А.; Келли, Алексия М.; Каде, Аня Н.; Кнудсон, Джули А.; Кранц, Уильям Б.; Майклсон, Гэри; Петерсон, Рорик А. (2004). «Экосистемы морозного кипения: сложные взаимодействия между формами рельефа, почвами, растительностью и климатом». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (2): 171–188. Бибкод : 2004PPPr...15..171W . CiteSeerX 10.1.1.1032.1236 . дои : 10.1002/ппп.487 . ISSN 1045-6740 . S2CID 27092852 .

[12] Ватанабэ, Тацуя; Мацуока, Нориказу; Кристиансен, Ханна Х. (2012). «Динамика грязевых бурь и ледяных клиньев, исследованная с помощью электротомографии, температуры грунта и движений поверхности на Шпицбергене». Географические летописи: Серия А, Физическая география . 94 (4): 445–457. Бибкод : 2012GeAnA..94..445W . дои : 10.1111/j.1468-0459.2012.00470.x . ISSN 0435-3676 . S2CID 140573106 .

[13] Шур, Ю; Пинг, К. (2003). «Движущая сила образования морозных нарывов и торосов». Американский геофизический союз, осеннее собрание . 2003 : C21B–0823. Бибкод : 2003AGUFM.C21B0823S .

[14] Пинг, CL; Дж. Дж. Майклсон; Дж. М. Кимбл; Ю.Л. Шур; Д.А. Уокер (ноябрь 2002 г.). «Морфогенез почв, связанных с морозными нарывами». Тезисы осеннего собрания АГУ . 83 : F259. Бибкод : 2002AGUFM.B12A0775P .

[15] Чернов Ю.И. и Матвеева Н.В., 1997, «Арктическая экосистема в России», в Ф.Е. Вельголаски (ред.), Экосистемы мира, с. 411-412, Эльзевир.

[16] Петерсон, РА; Кранц, ВБ (1 сентября 2008 г.). «Дифференциальная модель морозного пучения для узорчатого формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль арктического разреза Северной Америки» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 113 (Г3): G03S04. Бибкод : 2008JGRG..113.3S04P . дои : 10.1029/2007jg000559 . ISSN 2156-2202 .

[17] Кайзер, К.; Мейер, Х.; Биаси, К.; Русалимова О.; Барсуков П.; Рихтер, А. (2005). «Запас и минерализация углерода и азота в почвах экосистемы морозной тундры Сибири» . Прикладная экология почв . 29 (2): 173–183. Бибкод : 2005AppSE..29..173K . дои : 10.1016/j.apsoil.2004.10.005 . ISSN 0929-1393 .

[18] Уокер, Дональд А.; Эпштейн, Ховард Э.; Гулд, Уильям А.; Келли, Алексия М.; Каде, Аня Н.; Кнудсон, Джули А.; Кранц, Уильям Б.; Майклсон, Гэри; Петерсон, Рорик А. (2004). «Экосистемы морозного кипения: сложные взаимодействия между формами рельефа, почвами, растительностью и климатом». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (2): 183–184. Бибкод : 2004PPPr...15..171W . CiteSeerX 10.1.1.1032.1236 . дои : 10.1002/ппп.487 . ISSN 1045-6740 . S2CID 27092852 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]