Активный слой вечной мерзлоты: формирование, характеристики и влияние на растительность.
Active layer
Активный слой почвы в вечной мерзлоте: таяние летом, промерзание зимой. Температура почвы стабильнее с глубиной. Объяснение процесса промерзания/оттаивания.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В средах, содержащих вечную мерзлоту, активный слой – это верхний слой почвы, который оттаивает летом и снова замерзает осенью. Во всех климатических условиях, независимо от наличия вечной мерзлоты, температура в нижних слоях почвы остается более стабильной, чем на поверхности, где влияние температуры окружающей среды наиболее заметно. Это означает, что с течением времени влияние зимнего охлаждения и летнего нагрева (в умеренных климатах) уменьшается с увеличением глубины. Если зимняя температура опускается ниже точки замерзания воды, в почве формируется граница промерзания. Эта "граница промерзания" – это рубеж между замерзшей и незамерзшей почвой, и с наступлением весны и лета почва оттаивает сверху вниз. Если летний нагрев превышает зимнее охлаждение, почва полностью оттаивает летом и вечная мерзлота отсутствует. Это происходит при среднегодовой температуре выше 0 °C (32 °F), но также наблюдается при среднегодовой температуре немного ниже 0 °C на участках, хорошо освещенных солнцем, с крупнозернистыми материнскими породами (и растительностью). Если тепла недостаточно для полного оттаивания замерзшей почвы, формируется вечная мерзлота. Активный слой в таких условиях состоит из верхних слоев почвы, оттаивающих летом, а неактивный слой – из почвы ниже, которая остается промерзшей круглый год из-за недостаточного проникновения тепла. Жидкая вода не может просачиваться ниже активного слоя, что приводит к плохому дренажу и заболоченности в средах вечной мерзлоты.
In environments containing permafrost, the active layer is the top layer of soil that thaws during the summer and freezes again during the autumn. In all climates, whether they contain permafrost or not, the temperature in the lower levels of the soil will remain more stable than that at the surface, where the influence of the ambient temperature is greatest. This means that, over many years, the influence of cooling in winter and heating in summer (in temperate climates) will decrease as depth increases. If the winter temperature is below the freezing point of water, a frost front will form in the soil. This "frost front" is the boundary between frozen and unfrozen soil, and with the coming of spring and summer, the soil is thawed, always from the top down. If the heating during summer exceeds the cooling during winter, the soil will be completely thawed during the summer and there will be no permafrost. This occurs when the mean annual temperature is above 0 °C (32 °F), but also occurs when the mean annual temperature is slightly below 0 °C on sites exposed to the sun with coarse textured parent materials (vegetation). When there is not sufficient heat to thaw the frozen soil completely, permafrost forms. The active layer in this environment consists of the top layers of soil which thaws during the summer, while the inactive layer refers to the soil below which is frozen year round because the heat fails to penetrate. Liquid water cannot flow below the active layer, with the result that permafrost environments tend to be very poorly drained and boggy.
Глубина оттаивания в зонах вечной мерзлоты
Толщина активного слоя соответствует средней годовой глубине протаивания в районах вечной мерзлоты, вызванной солнечным нагревом поверхности. Таким образом, основным определяющим фактором толщины активного слоя является максимальная температура, достигаемая летом. Если она лишь немного превышает 0 °C, активный слой может быть очень тонким (всего 10 см на острове Эллесмир), тогда как при более теплой температуре он значительно толще (около 2,5 м в Якутске), а при прерывистой вечной мерзлоте и более раннем начале оттаивания почвы – еще толще (5 метров в Йеллоунайфе). Важен также состав материнской породы почвы: активные слои в почвах, образованных из песчаных или гравийных пород, могут быть в пять раз глубже, чем в почвах, образованных из суглинистых или глинистых пород. Это объясняется тем, что более крупнозернистый материал обеспечивает значительно большую теплопроводность вглубь почвы. Это важно, поскольку корни растений не могут проникать глубже активного слоя и ограничены его толщиной. Следовательно, в условиях сплошной вечной мерзлоты растения должны иметь поверхностную корневую систему, что ограничивает рост деревьев специализированными видами, такими как лиственница (Larix). В районах с прерывистой вечной мерзлотой большинство хвойных деревьев способны легко расти.
The thickness of the active layer is the average annual thaw depth in permafrost areas, due to solar heating of the surface. Thus, the primary determinant of active layer thickness is the maximum temperature attained during the summer. If it is only a little above 0 °C, the active layer can be very thin (only 10 cm on Ellesmere Island), whilst if it is quite warm, it is much thicker (about 2.5 m at Yakutsk), and if the permafrost is discontinuous and soil begins thawing earlier, it can be still thicker (5 meters at Yellowknife). The parent material of the soil is also important: active layers in soils made of sandy or gravelly parent materials can be up to five times deeper than those made from loam or clay rich parent material. This is because the coarser material allows for much greater conductivity of heat down into the soil. This is important because roots of plants cannot penetrate beyond the active layer and are restricted by its thickness. Thus, in a continuous permafrost environment plants must have shallow roots, which restricts tree growth to specialised species such as Larix. In areas of discontinuous permafrost, most conifers are able to grow easily.
Образование почвы в активном слое
Криотурбация является доминирующей силой, действующей в активном слое, и стремится сделать его в целом однородным по составу. Однако различия в составе почв, обусловленные разницей в материнской породе, очень заметны в районах вечной мерзлоты из-за низкой скорости выветривания в условиях очень холодного климата. Медленная скорость разложения органических веществ означает, что гелизоли (почвы вечной мерзлоты) играют важную роль в качестве резервуара углекислого газа. Этот углекислый газ и другие парниковые газы (преимущественно метан) образуются в результате крайне медленного разложения избыточного органического вещества, которое сохраняется в большинстве гелизолей и перемешивается в слой перелеток в относительно теплые летние периоды, а ниже этого слоя – в более теплые периоды примерно 5000-6000 лет назад. Такое накопление углерода означает, что оттаивание вечной мерзлоты может ускорить глобальное потепление. Некоторые предполагают, что эта разница может стать весьма существенной, особенно если углерод накапливался до недавних ледниковых максимумов.
Cryoturbation is the dominant force operating in the active layer, and tends to make it generally uniform in composition throughout. However, variation in the composition of soils due to differences in parent rock are very marked in permafrost regions due to the low rate of weathering in the very cold climate. The slow rate of decomposition of organic material means gelisols (permafrost soils) are very important as a sink for carbon dioxide. This carbon dioxide and other greenhouse gases (chiefly methane) forms from the very slow decomposition of the excess organic matter that remains in most gelisols and is mixed down into the pereletok layer during relatively hot summers and below that layer during warmer periods about 5000 to 6000 years ago. This storage of carbon means thawing of permafrost may accelerate global warming some suggest the difference could become very significant especially if the carbon has been stored since before the recent glacial maxima.