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冻土,一篇拿下!

 羊羊的地理教室 2023-11-07 发布于浙江


寒冷的北极,人迹罕至,似乎离我们很遥远。然而随着全球气候变化,北极冻土正在融化,万年冰封的土地开始“复苏”,这会带来什么后果呢?



 01 

  什么是冻土?

冻土,其实就是在0℃以下,含有冰的冻结土层。因为土壤里或多或少都含有水分,当温度降到冰点,水分凝结,冰可以像水泥一样,起着粘合剂的作用,把土壤粘合在一起,形成冻土。


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 02 

  一直都冻着吗?


不一定,因为冻土可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)季节性冻土(半月至数月)以及多年冻土

  • 季节性冻土会随季节变化发生周期性冻融的,即冬季冻结,夏季融化


  • 多年冻土,指至少连续冻结两年以上的土层。而在多年冻土区,并不是所有的土层都愿意老老实实地被冻住。多年冻土根据冻结情况,又可以分为活动层永冻层

活动层通常冬冻夏融,夏季融水使土壤富含水分,植物是可以在上面生长的。而永冻层则位于下方,常年处于封冻状态。

图源:中国国家地理

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 03 

  冻土在哪儿?哪里最多?

可别小看了这冻土,多年冻土覆盖了1/4的陆地,主要分布在高纬度和高海拔地区,具有明显的纬度地带性和垂直地带性。

紫色部分为多年冻土区,红圈内为青藏高原

北半球冻土分布面积最大,广泛分布于北极圈以北的北冰洋沿岸地区,其中俄罗斯和加拿大是冻土分布最广的国家。

随着纬度越高,气温越来越低,多年冻土分布范围也更广。上层的活动层也逐渐变成永冻层,所以永冻层的厚度越来越大,深度逐渐变浅,向地表不断“生长”。


我国是仅次于俄罗斯、加拿大的第三大多年冻土国,多年冻土主要分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。其中,青藏高原的多年冻土占我国多年冻土总面积的70%。



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 04 

  冻土里有什么?

冻土其实就是结了冰的土层,就像一个巨大的冰柜。多年冻土一直是动植物遗骸的汇集之处,史前生物的遗骸来不及被微生物完全分解,就已经冻住并层层堆积,因此蕴涵大量以有机质形式存在的碳

据统计,富含有机物质的多年冻土层,储存有1.5万亿吨碳,是大气中碳含量的两倍,是全球森林中碳含量的三倍。


冻土除了有大量的碳,还有许多
未知的病。在高纬度地区的多年冻土中,发现了数十万年前的微生物,还有封冻的病菌,像西班牙流感、天花或鼠疫等已经被消灭的疾病,也可能会被冻结在多年冻土中。

被保存在多年冻土层中猛犸象幼崽木乃伊

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 05 

  冻土上生物如何生存?

尽管冻土区气候严寒,但冻土之上,并非寸草不生,前面提到多年冻土层之上是活动层,到了夏天是会解冻的,融水为植物的生长提供了有利的条件。

北极冻土之上的植被类型是苔原带或冰原带,广泛分布着垫状草本植物、矮小灌木和耐寒花卉,并以苔藓、地衣为主。植被能够在
短暂的夏季迅速生长、繁殖,在冬季来临时进入休眠


有了植被,便能孕育其他生物。驯鹿是这片土地常见的动物,在夏季冰雪融化、万物生长的时节,它们会吃菌类、青草,冬天则扒开积雪寻找地衣和苔藓。



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 06 

  怎么在冻土上修建工程设施?

前面提到了,即便在多年冻土区,上层冻土也可能发生融化和冻结,这对人类修筑工程设施是非常不利的。

冬季岩土膨胀、地面隆起,而夏季冻土融化、路基沉陷,常使路面凹凸不平。而输油管道也常常因土地冻融而受力不均,出现弯曲、破裂。也就是说,冻土冻融时发生沉降、塌陷,对地面设施具有强大的破坏性。


于是人们只能想方设法为土地“降温”,让土地保持冻结,确保路基稳定。比如青藏公路途经冻土区,为了解决土地的冻融问题,人们发明“热棒”来降温。它不需要任何能源,主要的工作时间是冬季。

“热棒”利用冬季的低温,使冻土不断降温。同时热棒下端的温度很低,也可以提前储存冷量,夏季为冻土降温,让冻土在夏天依然能保持冻结。

它在冬季是如何为冻土降温的呢?咱们接着往下看~


“热棒”是一根密封的管子,里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质。管子上段是冷凝器,下端为蒸发器,中间为绝热段。当“热棒”下端吸收热量后,液态物质会转化为气态,然后上升至冷凝器。外界温度较低,使得热棒上段温度也低,所以气态物质会遇冷液化,同时放热,这样就实现了释放热量的目的,液态物质又回到了“热棒”下端。


“热棒”物质在气态和液态之间不断进行转换,依靠优良的导热性,源源不断地带走路基的热量,使其保持稳定。



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 07 

  全球变暖对冻土的影响?

近年来,全球变暖加剧,广袤的冻土有了融化的迹象,那冻土的融化会产生多大的影响呢?

  • 温室气体排放

永冻土层经过了漫长的时间,冻土表层积聚了许多层被大风吹来的灰尘、植物的根和其它有机物,吸附了大量的碳。只要永冻土层保持冰冻状态,碳就不会从土壤中释放出来。

但是,温度升高会融化冻土,其含有的有机物解冻,微生物开始分解这些有机质,
释放出温室气体,从而促使气温进一步升高,形成恶性循环。

据统计,多年冻土融化可能向大气释放1500亿吨碳,这相当于美国到2100年每年的总排放量,相当惊人。

融化的冰会释放甲烷,这将加剧全球变暖

  • 未知的病菌

前面提到,冻土中封冻了大量的未知病菌,可能会因冻土退化而释放,并随着解冻的水流汇聚到河流之中,对人类造成威胁。

法国曾有一项研究,将一种存在于多年冻土层中3万年的病毒带回实验室,重新加热后,病毒依然能迅速复活。

西伯利亚永久冻土融化释放出炭疽热病毒

  • 环境退化

多年冻土的融化,还会导致环境退化。这是由于多年冻土的永冻层顶板有隔水作用,使得活动层能蓄积水分,为植物的生长提供水分和养分,随着冻土退化,作为隔水底板的永冻层上限下降甚至消失,使活动层中的水分向深处流失。


而冻土区往往气候寒冷、干旱,水分流失会造成植被衰退、土壤裸露破碎,导致荒漠化。

毫无疑问,冻土层的变化深刻影响人类的生存。如果冻土层全部融化,那么地球的温度将会提高3.5摄氏度,加速全球冰川的融化,从而引发一系列蝴蝶效应。古老的冰柜携带的病菌也会带给人类未知的风险。冻土的融化危机,需要人类携手共同应对。

如果觉得有收获,别忘了给我们点赞和在看呀~


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 08 

一起来做题

(2015年全国卷1)阅读图文材料,完成下列要求。(24分)


多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化、冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层。我国的多年冻土主要分布于东北高纬地区和青藏高原高海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在-1~1℃,青藏高原多年冻土下界的年平均气温约-3.5~-2℃。


由我国自行设计、建设的青藏铁路格(尔木)拉(萨)段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区,是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结,会危及铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路,采用了热棒新技术等措施。

图a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布,其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段,地下部分为蒸发段,当冷凝段温度低于蒸发段温度时,蒸发段液态物质汽化上升,在冷凝段冷却成液态,回到蒸发段,循环反复。


(1)分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。(8分)
(2)图a所示甲地比五道梁路基更不稳定,请说明原因。(8分)
(3)根据热棒的工作原理,判断热棒散热的工作季节(冬季或夏季),简述判断依据;分析热棒倾斜设置(图b)的原因。(8分)

 参考答案 

(上下滑动查看)


1.青藏高原纬度低,海拔高,太阳辐射强;(东北高纬地区年平均气温低于-1℃~1℃,可以形成多年冻土。)青藏高原气温年较差小,当年平均气温同为-1℃~1℃时,冬季气温高,冻结厚度薄,夏季全部融化,不能形成多年冻土。


2.甲地年平均气温更接近0℃,受气温变化的影响,活动层更频繁地冻融,(冻结时体积膨胀,融化时体积收缩,)危害路基;甲地年平均气温高于五道梁,夏季活动层厚度较大,冬季有时不能完全冻结,影响路基稳定性。


3.冬季。依据:冬季气温低于地温,热棒蒸发段吸收冻土热量,(将液态物质汽化上升,与较冷的地上部分管壁接触,凝结,释放出潜热,)将冻土层中的热量传送至地上(大气)。热棒倾斜设置的原因:使棒体能深入铁轨正下方,保护铁轨下的路基(多年冻土)。


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