Frost Wedging
Σφήνα παγετού είναι η διαδικασία με την οποία το νερό/πάγος διαβρώνει και διαβρώνει τα τοπία μέσω επαναλαμβανόμενων κύκλων κατάψυξης και απόψυξης. Καθώς το νερό παγώνει, διαστέλλεται κατά 9 τοις εκατό, αποσπώντας τον βράχο μόνο για να λιώσει ξανά κατά τους καλοκαιρινούς μήνες.
Η γεωμορφολογία των υποαρκτικών περιβαλλόντων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από διαδικασίες που σχετίζονται με κύκλους κατάψυξης και απόψυξης. Ένας μεμονωμένος κύκλος κατάψυξης-απόψυξης μπορεί να έχει πολλά χρόνια ή μπορεί να είναι εποχιακό ή ημερήσιο φαινόμενο. Τόσο ο αριθμός των κύκλων όσο και η έντασή τους (δηλαδή το εύρος θερμοκρασίας) είναι σημαντικοί παράγοντες για τον προσδιορισμό των αιτιών της φυσικής καιρικής φθορά, ένας γενικός όρος που περιλαμβάνει εν μέρει τις διαδικασίες παγετού ρωγμής, παγετού, παγετού και διαλογής παγετού, καθεμία από τις οποίες θα συζητηθεί εν συντομία εδώ.
Πολλοί άλλοι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν επίσης την αποτελεσματικότητα της δράσης του παγετού, όπως η παρουσία ή η έλλειψη μόνιμου παγετού και κάλυψης δέντρων, ο τύπος του εδάφους ή του υπό εξέταση βράχου και ιδιαίτερα η μεταβλητότητα του κλίματος και της τοπογραφίας. Εδώ θα ξεκινήσουμε με μια επισκόπηση των γεωγραφικών και κλιματικών πληροφοριών σχετικά με τα υποαρκτικά περιβάλλοντα, ακολουθούμενη από μια περιγραφή των κύκλων κατάψυξης-απόψυξης και ορισμένων διαδικασιών δράσης παγετού. Τέλος, θα παρουσιαστούν ορισμένες περιπαγετικές εδαφικές μορφές, όπως το έδαφος με σχέδια. Αυτό το άρθρο δεν θα συζητήσει τις διεργασίες και τις επακόλουθες μορφές σπατάλης μάζας που σχετίζονται με τους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης.
Σφήνα παγετού σε κρύα περιβάλλοντα
Στη Βόρεια Αμερική, υποαρκτικά περιβάλλοντα βρίσκονται στον βόρειο Καναδά και την Αλάσκα. αλλού βρίσκονται στη βόρεια Ευρώπη και την Ασία. Αυτές οι περιοχές παρουσιάζουν «έντονη εποχιακή διακύμανση [στη θερμοκρασία] με σύντομα, μέτρια θερμά και υγρά καλοκαίρια και μακρύ, εξαιρετικά κρύο και ξηρό χειμώνα». Υπάρχουν, ωστόσο, εξαιρέσεις σε αυτή τη γενίκευση, οι πιο προφανείς από τις οποίες είναι οι κλιματικές διακυμάνσεις λόγω αλλαγών στην τοπογραφία.
Επιπλέον, η σχετική εγγύτητα με τους ωκεανούς έχει ως αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση του εποχιακού εύρους θερμοκρασιών, για παράδειγμα σε παράκτιες περιοχές του Καναδά και της Σκανδιναβίας. Σε πιο ηπειρωτικές τοποθεσίες, όπως το εσωτερικό της Αλάσκας ή της Ρωσίας, οι ετήσιες μέγιστες και ελάχιστες θερμοκρασίες μπορεί να διαφέρουν περισσότερο από 100 βαθμούς Κελσίου. Η βροχόπτωση ποικίλλει επίσης σημαντικά μεταξύ των διαφόρων υποαρκτικών περιοχών. Στον ανατολικό Καναδά, η ετήσια βροχόπτωση φτάνει τα 81 εκατοστά σε ορισμένα μέρη, ενώ σε περιοχές της Αλάσκας όπου οι οροσειρές εμποδίζουν την κίνηση του υγρού αέρα, η ετήσια βροχόπτωση μπορεί να φτάσει τα 18 εκατοστά.
Οι τοπικές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία και τη βροχόπτωση είναι δύο παράγοντες που επηρεάζουν τις διαδικασίες της δράσης του παγετού, όπως θα εξηγηθεί παρακάτω. Πρόσθετοι περιβαλλοντικοί παράγοντες είναι το χιόνι και η δασική κάλυψη, τα οποία τείνουν να ρυθμίζουν τη θερμοκρασία του εδάφους και του βράχου. Τους καλοκαιρινούς μήνες, το δασωμένο έδαφος (που είναι πιο δροσερό από το εκτεθειμένο έδαφος), ξεπαγώνει λιγότερο γρήγορα και βαθιά, ενώ τους χειμερινούς μήνες παραμένει θερμότερο από το εκτεθειμένο έδαφος. Το έδαφος που καλύπτεται από εκτεταμένες χιονοπτώσεις ή κάλυψη πάγου είναι κάπως απομονωμένο από τις αλλαγές στη θερμοκρασία του αέρα.
Πώς το Permafrost επηρεάζει τις φυσικές καιρικές συνθήκες
Ένας άλλος σημαντικός περιβαλλοντικός παράγοντας είναι η παρουσία του μόνιμου παγετού, που ορίζεται από τον S.W. Muller ως «ένα πάχος εδάφους ή άλλης επιφανειακής κατάθεσης, ή ακόμη και βράχου, σε μεταβλητό βάθος κάτω από την επιφάνεια της γης στο οποίο υπάρχει συνεχώς θερμοκρασία κάτω από το μηδέν για μεγάλο χρονικό διάστημα (από δύο [χρόνια] έως δεκάδες χιλιάδες ετών)». Το Permafrost ταξινομείται είτε ως συνεχές είτε ως ασυνεχές, γεγονός που υποδηλώνει ότι η κατανομή του σε ένα τοπίο δεν είναι συνεχόμενη.
Το έδαφος που βρίσκεται πάνω από το μόνιμο πάγο ονομάζεται ενεργό στρώμα και περνάει από τυπικούς κύκλους κατάψυξης και απόψυξης. Επειδή το μόνιμο πάγο είναι συχνά ένα αδιαπέραστο στρώμα, μπορεί να εμποδίσει το νερό από τον πάγο και το χιόνι που ξεπαγώνει πάνω του να διεισδύσει βαθιά και να γίνει απορροή, που διατηρεί την υγρασία στο έδαφος, καθιστώντας το πιο επιρρεπές στις επιπτώσεις της δράσης του παγετού. Σε άλλες περιπτώσεις, η μειωμένη διαπερατότητα του παγωμένου εδάφους μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μεγαλύτερη απορροή και επομένως μεγαλύτερο κίνδυνο πλημμύρας.
Μερικοί εξαρτώμενοι παράγοντες που επηρεάζουν την ευαισθησία ενός τοπίου στον παγετό είναι το υπόβαθρο και η δομή του εδάφους, η σύσταση των ορυκτών, το μέγεθος των κόκκων και ο αντίκτυπος των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Πρόκειται για μεταβλητές που, μεταξύ άλλων, επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα του εδάφους. Για παράδειγμα, ένας κύκλος κατάψυξης και απόψυξης θα επηρεάσει τον αμμώδη άργιλο σε πολύ μεγαλύτερα βάθη από ό,τι θα επηρεάσει την ξηρή άμμο.
Ice Lens &Frost Wedging
Εάν υπάρχει επαρκής υγρασία στο έδαφος που υφίσταται σχετικά αργή κατάψυξη, είναι πιθανό να διαχωριστεί σε φακούς πάγου, οι οποίοι είναι τυπικά οριζόντια στρώματα πάγου παράλληλα με το μέτωπο κατάψυξης. Το νερό που συμβάλλει στην ανάπτυξη των φακών πάγου μπορεί να προέρχεται από τους πόρους του βράχου και του εδάφους ή μπορεί να προέρχεται από πηγές όπως το λιώσιμο του χιονιού, το λιώσιμο του μόνιμου παγετού και τα επιφανειακά ή υπόγεια ύδατα. Οι φακοί πάγου κυμαίνονται σε μέγεθος από μερικά χιλιοστά έως πολλά μέτρα και στο σχηματισμό των χωριστών τμημάτων του εδάφους και τείνουν να το μετακινούν σε κάθετη κατεύθυνση, δηλαδή κάθετα στο μέτωπο κατάψυξης.
Τις περισσότερες φορές, οι φακοί πάγου σχηματίζουν μια «σειρά» που αποτελείται από πολυάριθμους μικρούς φακούς, παρά από έναν μόνο μεγάλο φακό. Θεωρείται ότι «ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα δίπλα σε μια ορυκτή επιφάνεια και η διπολική φύση του νερού είναι βασικά στοιχεία για την κίνηση του νερού σε ένα επίπεδο κατάψυξης», αν και οι ερευνητές εξακολουθούν να μην έχουν ακριβή εξήγηση. Ανεξάρτητα από την αιτία, φαίνεται ότι η υγρασία του εδάφους που υφίσταται κατάψυξη επηρεάζεται από ένα «δυναμικό αναρρόφησης» διαχωρισμού, το οποίο αυξάνεται ή μειώνεται σύμφωνα με μεταβλητές όπως το μέγεθος των κόκκων και η ορυκτολογία. Γενικά, τα εδάφη με λεπτότερο μέγεθος κόκκων συσσωρεύουν μεγαλύτερους φακούς πάγου και επομένως είναι πιο ευαίσθητα στον παγετό. Τα εδάφη με εξαιρετικά λεπτό μέγεθος κόκκων, ωστόσο, μπορεί να γίνουν αδιαπέραστα από την κίνηση του νερού προς ένα μέτωπο κατάψυξης, οπότε δεν θα σχηματιστούν φακοί πάγου.
Όπως περιγράφηκε παραπάνω, ο διαχωρισμός του πάγου μπορεί να συμβεί όταν ο ρυθμός κατάψυξης και το μέγεθος των κόκκων ευνοούν αυτή τη διαδικασία. Σε περιπτώσεις πολύ γρήγορης κατάψυξης, ωστόσο, το νερό των πόρων είναι ουσιαστικά σφραγισμένο και δεν μπορεί να μετακινηθεί προς ένα μέτωπο κατάψυξης.
Η ανάπτυξη των φακών πάγου συμβάλλει στο φαινόμενο του παγετού, που είναι η ανοδική κίνηση του εδάφους κατά την κατάψυξη. Θεωρείται ότι η κατάψυξη, η οποία συμβαίνει όταν ένα μέτωπο κατάψυξης μετακινείται από τον μόνιμο πάγο προς τα πάνω, είναι υπεύθυνη για την ανύψωση των θαμμένων πετρωμάτων και ακόμη και των αρμών στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια πολλών κύκλων κατάψυξης-απόψυξης. Δύο διαφορετικές υποθέσεις, που ονομάζονται «παγετική έλξη» και «ώθηση παγετού», έχουν προταθεί για να εξηγήσουν την ανατίναξη των θαμμένων αντικειμένων.
Είναι ενδιαφέρον ότι τα αντικείμενα που είναι προσανατολισμένα κατακόρυφα, δηλαδή κάθετα στο μέτωπο κατάψυξης, παρουσιάζουν μεγαλύτερο βαθμό ανύψωσης από εκείνα που είναι προσανατολισμένα παράλληλα προς το μέτωπο κατάψυξης. Επιπλέον, το upfreezing έχει την τάση να αναδιατάσσει τα αντικείμενα έτσι ώστε να είναι προσανατολισμένα κατακόρυφα. Επιπλέον, τα μεγαλύτερα αντικείμενα έχουν την τάση να αισθάνονται μεγαλύτερη ανύψωση από τα μικρότερα.
Εκτός από το μέγεθος των κόκκων και τη θερμοκρασία, οι πιο σημαντικοί παράγοντες που καθορίζουν το βαθμό διογκώσεως του παγετού είναι η υγρασία του εδάφους, η παρουσία βλάστησης και το βάθος του εδάφους. Έρευνες δείχνουν ότι η ανύψωση είναι μεγαλύτερη σε περιοχές που είναι πιο υγρές και με πιο αραιή βλάστηση. Επίσης, μελέτες έχουν δείξει ότι η ανύψωση στο ενεργό στρώμα αυξάνεται με το βάθος.
Frost wedging είναι το όνομα που δίνεται στο αδιάκριτο κομμάτι του βράχου λόγω της διαστολής του παγωμένου νερού. Αυτή η διαδικασία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική όταν η περιεκτικότητα σε υγρασία είναι υψηλή και η κατάψυξη είναι γρήγορη. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το νερό στους πόρους και τις ρωγμές σφραγίζεται και δεν μπορεί να μεταναστεύσει, δημιουργώντας εσωτερικές τάσεις που επαρκούν για να θρυμματίσουν τον βράχο. Η ευαισθησία στον παγετό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη λιθολογία. Τα ιζηματογενή πετρώματα τείνουν να θρυμματίζονται πιο εύκολα από τα πυριγενή πετρώματα και τα πετρώματα με μεγαλύτερα μεγέθη πόρων είναι πιο ευαίσθητα από εκείνα με μικρότερα μεγέθη πόρων. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι ορισμένες έρευνες δείχνουν ότι ο βαθμός παγετού είναι ανάλογος με την ένταση, τον αριθμό και τη διάρκεια των κύκλων κατάψυξης-απόψυξης που υφίσταται ένας βράχος.
Μια άλλη σημαντική πτυχή της δράσης του παγετού είναι ο σχηματισμός πάγου με βελόνα, μια διαδικασία που συμβαίνει στην ή ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη μακριών νημάτων πάγου σε κάθετη κατεύθυνση. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση του ανώτατου στρώματος εδάφους, μερικές φορές έως και 40 cm. Ο πάγος με βελόνα είναι πιο εμφανής σε έδαφος που δεν έχει βλάστηση και όταν συνοδεύεται από πολλαπλούς κύκλους κατάψυξης και απόψυξης, η τάση του να μετατοπίζει το ίζημα κατακόρυφα οδηγεί σε μεγαλύτερη ευαισθησία στη δράση του ανέμου και στο ξεφούσκωμα του χλοοτάπητα.
Οι επιφανειακές ενδείξεις της δράσης του παγετού ποικίλλουν ανάλογα με τη λιθολογία και την τοπογραφία ενός δεδομένου περιβάλλοντος. Περιττό να πούμε ότι ο τύπος και η ένταση της δράσης του παγετού είναι επίσης σημαντικά για τον προσδιορισμό των μορφών της επιφάνειας. Σε μικρή κλίμακα, είναι σύνηθες οι πέτρες που βρίσκονται στην επιφάνεια του εδάφους να περιβάλλονται από ελαφρά κενά στο έδαφος. Αυτά τα κενά είναι απόδειξη της αύξησης του παγετού.
Πρόσθετη επιφανειακή απόδειξη της δράσης του παγετού είναι η ύπαρξη εδάφους με μοτίβο, «ένας ομαδικός όρος για τις περισσότερο ή λιγότερο συμμετρικές μορφές, όπως κύκλους, πολύγωνα, δίχτυα, σκαλοπάτια και λωρίδες, που είναι χαρακτηριστικά, αλλά δεν περιορίζονται απαραίτητα σε, μανδύα που υπόκεινται σε εντατική δράση παγετού». Για περιγραφικούς σκοπούς, το έδαφος με σχέδια κατηγοριοποιείται είτε ως ταξινομημένο είτε ως μη ταξινομημένο. Ένα ταξινομημένο έδαφος με σχέδια χαρακτηρίζεται από ένα διαχωρισμό λίθων και λεπτότερων ιζημάτων σε μία από τις διάφορες γεωμετρικές μορφές που αναφέρονται παραπάνω. Το μέγεθος και ο προσανατολισμός των σχεδίων επηρεάζονται από παράγοντες όπως ο προσανατολισμός του μετώπου κατάψυξης, ο ρυθμός κατάψυξης, η υγρασία του εδάφους και το μέγεθος των κόκκων, η πυκνότητα και το σχήμα. Η ταξινόμηση του παγετού επιτυγχάνεται με πολλούς διαφορετικούς τύπους παγετού, συμπεριλαμβανομένης της κατάψυξης (ανύψωση), της μετατόπισης από πάγο με βελόνα και της μετατόπισης μάζας.
Το Frost Wedging είναι μια άλλη διαδικασία που παράγει αναγνωρίσιμες μορφές επιφάνειας. Όπως περιγράφηκε παραπάνω, όταν το νερό στις ρωγμές ή τους πόρους ενός βράχου παγώνει γρήγορα, οι εσωτερικές τάσεις που ασκούνται στο βράχο μπορεί να είναι επαρκείς για να το θρυμματίσουν. Σε τοπία όπου η σφήνα από παγετό είναι μια κυρίαρχη διαδικασία, οι βράχοι είναι συνήθως γωνιακοί και με πολύ διαφορετικό μέγεθος. Σε περιοχές όπου πραγματοποιείται διαλογή παγετού, τα θραύσματα του βράχου μπορούν να διαμορφωθούν ανάλογα με το μέγεθος.
Εκτός από τη δημιουργία μοναδικών επιφανειακών προσανατολισμών των πετρωμάτων, οι διαδικασίες παγετού πιστεύεται ότι επηρεάζουν άλλες επιφανειακές διεργασίες, όπως η διάβρωση. Η επίδραση των κύκλων κατάψυξης-απόψυξης στους ρυθμούς μεταφοράς ιζημάτων στο νησί Prince Edward μελετήθηκε από τους Edwards, Burney και Frame (1995). Η περιοχή που μελετήθηκε ήταν κυρίως γεωργική, έτσι οι πειραματικές συνθήκες σχεδιάστηκαν ώστε να μιμούνται αυτές ενός μεγάλου, καλλιεργημένου αγρού. Διαπιστώθηκε ότι το έδαφος που είχε υποστεί αρκετούς κύκλους κατάψυξης-απόψυξης παρήγαγε 25% περισσότερη απόδοση ιζήματος κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών από ό,τι το έδαφος υπό παρόμοιες συνθήκες, αλλά χωρίς πάγωμα.
