Powierzchowna Ziemia: Jak Permafrost Sortuje Kamienie W Poligony

Zimna Sila Porządkująca

Tereny zasypiane tworzą się w warstwie aktywnej, powierzchniowej warstwie gleby, która podczas zimna jest zamrożona, a podczas lata roztopiona. Gdy lodowe kryształy i kryształy igłowe rosną w pustkach gleby, zaczynając się od powierzchni, ich objętość wzrosie o około 9 procent, gdy woda zamrożona jest. Ta ekspansja nie jest jednorodna: ponieważ kamienie większe przewodzą ciepło i przenoszą nacisk inaczej niż gładka sztukcina, front zimnienia wykonywała netto siłę w górę na klastry, proces znany jako podmuch lodowy. Każdy zimnik spycha kamienie o ułamek milimetru bliżej powierzchni. Gdy dotykają powierzchni, grawitacja i przesunięcie po dolnej stronie podczas sezonu roztopienia przenoszą je w bok, gdzie akumulują się na granicach komórek porządkujących, zamiast opadać ponownie do matrycy. Powtarzając się rok za rokiem, ta cykladna procedura zachowuje się podobnie do konwekcji Rayleigh-Benard w ciepłym płynie: gleba w centrum każdej komórki efektywnie podnosi się, degraduje i naciska na zewnątrz, a otrzymane szczątki przenoszą się do obrzeża, tworząc samorganizowany wzór komórkowy z początkowo jednorodnej powierzchni. Czas, jaki potrzebny jest, aby formować jasno zdefiniowane pola wielokątne lub okręgowe, wynosi dekadę w aktywnych, lodowych perymatrowych glebach, a wiele wieków w bardziej stabilnych, suchej ziemi. Wpływ wilgotności na cały proces jest kluczowy, ponieważ musi być ona obecna i dostatecznie mobilna do tworzenia lódowce segregacyjnej; gleby perymatrowe zbyt suchy lub zbyt gładkie rzadko rozwijają silne wzory, podczas gdy gleby sztywne z bogatą zawartością drobnych cząsteczek są najbardziej produktywne w tworzeniu wzorów. Intensywność wzorowania jest również związana z liczbą i poważnością cykli zimnienia i roztopienia na rok, dlatego najjasniejsze, najgeometrycznie regularne pola porządkowane są znalezionych w kontynuowanych perymatrowych zonach północnej Arktiki i gór alpejskich, gdzie zimy są długie, zimne i przerywane sharp transitionami sezonowymi, a nie stałą głęboką zimnem.

Od okręgów do wielokątów i postrzeganych linii: rolę nachylenia

Najważniejszym czynnikiem regulującym finalną formę wzorów na powierzchni gruntu jest nachylenie powierzchni. Na idealnie płaskim terenie, sortowane komórki nie mają preferowanego kierunku do migracji, a więc procesy konwektywnego sortowania tworzą w przybliżeniu okrągłe lub wielokątne komórki z kamienistymi brzegami otaczającymi gładkie centra, często nazywane okrągłymi sortowanymi kółkami. Gdy nachylenie powierzchni zwiększa się nawet nieco, siła przyspieszeniowa zaczyna wpływać na wolny spadek gleby wewnątrz każdej komórki. Okrągłe komórki rozszerzają się w kierunku największego nachylenia, a sąsiednie komórki łączą się po ich dolistych brzegach. W pewnym zakresie nachylenia między około dwoma a siedmioma stopniem, okręgi zwykle przekształcają się w elipsoide ołużone; ponad około dziesięciu do piętnastu stopniem nachylenia, komórki rozciągają się całkowicie w równoległe pasy alternujących kamienistego i gładkiego szlifu, znane jako postrzegane linie. Ta transformacja jest pięknym naturalnym potwierdzeniem tego, jak pojedynczy proces samorganizujący może wytworzyć całą rodzinę związkowanych morfologii w zależności od jednego ciągłego parametru. Przestrzegane badania polegające na pomiarach w regionach perigletsjarnych potwierdzają tę relację, a symulacje labrynowe z użyciem płytek piasku i kamieni na nachylenych platformach powtarzają tę samą sekwencję, co daje silne wsparcie tezy o konwektywnym sortowaniu nad konkurencyjnymi wyjaśnieniami. Na bardzo nachylonych terenach, ponad około dwudziestu pięciu stopniem, inne procesy, takie jak lody solifluksowe lub piorunek śnieżny, dominują i wzorowane grunt jest niekontynuowane lub nadpisane cechami utraty masy. Orientacja powierzchni również odgrywa rolę drugiego rzędu: tereny orientowane ku słońcu doznajują głębszego i bardziej zmiennego defrostmantelu, co może hamować rozwoj wzorów, podczas gdy cienko zimne i półtarnione powierzchnie tendują do zachowania wyraźnych geometrycznych form. Naukowcy również dokumentowali przejściowe formy nazywane sieciami sortowanymi, niezawodnymi, dolistymi morfologiami intermediarnymi między pełnymi kółkami a prawdziwymi linią, które tendują do pojawiania się na bardzo łagodnych terenach około jednego do dwóch stopni, podkreślając, że przejście od okręgów do lini jest spektrum ciągłym zamiast serią nieprzerwanych skoków kategorii. Promień komórki również nie jest stały, tendencja jest do skalowania z głębokością defrostmantelu i rozmiarem najbardziej dostępnych klejnotów, więc teren z głębokim defrostem w letniom i dużymi kamieniami zazwyczaj tworzy wielokąty o szerokiej odstępstwie niż teren z głębokim defrostmantelem i tylko małymi kamykami dostępne do sortowania.

Niesortowane wzory i wielokąty zębowate lodowe

Nie wszystkie wzory gruntu są zdefiniowane przez sortowanie kamieni; druga, o wiele ważniejsza grupa powstaje poprzez karkasowe rozrywanie się z powodu zimnej temperatury i tworzy to, co nazywamy niesortowanymi lub wielokątami zębowatymi lodowymi. Gdy zima spowoduje szybkie opadanie temperatury, zamarznięty grunt się kontraktuje i rozrywa w sposób podobny do wilgotnego piaszcza, który się wysycha, ale rozrywki są wywoływane przez zimno a nie desyksjencją. Woda rosnąca powraca do tych rozrywek każdego primiera i ponownie zamarza, tworząc cienką żyłkę lodu. Ponieważ lód jest mechanicznie słabszy w starych linii rozrywek niż otaczający go zamarznięty grunt, te same rozrywki tendują do ponownego otwierania się w kolejnych zimach, a żyłki lodu rosną stopniowo szerzej i głębiej rok po roku, w końcu stając się ogromnymi cewkowatymi ciałami lódowymi o wielkości metrów i rozciągającymi się na kilka metrów pod powierzchnię. Powierzchowna wyrażenie to sieć wielokątów, zazwyczaj o wymiarach od czterech do trzydziestu metrów, ograniczonych przez głębokie doliny, gdzie cewki lodowe leżą pod nimi, a czasem ze lekko wzniesionymi obrzeżami, gdzie ziemia jest zrzucana przez rozszerzający się lód. Wielokąty zębowe lodowe są szczególnie ważne dla naukowców zajmujących się permafrostem, ponieważ ukazują informacje o dawnej klimatycznej historii: relictowe sieci wielokątów zębowych lodowych znalezione w regionach nie podlegających już permafroście, w tym części temperaturnego Stanów Zjednoczonych i nizin Europy, są używane jako dowód na znacznie zimniejsze klimaty podczas ostatniej okresu lodowca. W przeciwieństwie do cyklicznych kół i pasków, wielokąty zębowe lodowe nie zależą od zawartości kamieni i mogą powstawać w niemal całkowicie bezkamiennej glinie i błocie, co sprawia, że karkasowe rozrywanie się z powodu zimnej temperatury jest mechanicznie oddzielne, ale często współwystępuje jako partner procesu obok sortowania przez zamełnienie lodowca na terenie peryglacjarnym. W wielu miejscach w górnej Arkticy te dwa procesy się nakładają bezpośrednio, ze spadkami kamieni sortowanego trafiającymi na granice komórek, które leżą prawie dokładnie nad ukrytymi cewkami lodowymi, ponieważ oba mechanizmy niezależnie zaszczycają drenaż i koncentrację nacisku w podobnych niskich punktach mikrotopografii. Distinguowanie ich na terenie jest zwykle związane z geometrią dolin oraz ekspozycją: doliny wielokątów zębowych lodowych są zazwyczaj szersze, głębsze w stosunku do swojej szerokości, a bezpośrednio pod nimi leży pionowy cewnik lodu, podczas gdy granice cyklicznych kół to szerokie akumulacje kamieni bez odmiennego core lódowego pod nimi.

Czytanie zaznaczonych terenów jako wskaźnik klimatu

Dlatego forma powstania zaznaczonych terenów zależy tak bardzo od obecności, grubości i termicznej warunkowości permafrostu, że geomorfologowie i naukowcy klimatyczni traktują te cechy jako naturalne instrumenty rejestrujące warunki podłoża. Jasno zdefiniowane, ostre i uporządkowane koła i wielokąty wskazują na permafrost, który doświadczają aktywnego cyklu zimnego zamarzania i rozmarzania zintegrowanym warstwą aktywną, zimną. W przeciwieństwie do tego, zdegradowane, rozmyte lub częściowo zawalone zaznaczenia terenowe są jednymi z najjawniejszych wizualnych sygnałów permafrostu, ponieważ podgrzewanie powierzchni przestoju zimnego uniemożliwia działanie silnika zimowego i pozwala na spadnięcie i wymieszanie wcześniejszo uporządkowanych komórek. Badacze monitorujący ciepłomoc arktyczną regularnie używają oblatów i zdjęć satelitarnych do śledzenia zmian w ostrości i rozszerzeniu sieci zaznaczonych terenów jako podstawy dla zdrowia permafrostu poza wielkimi, inaczej niezwykłymi obszarami. Zjawiska termokarstowe, takie jak opadające doliny powyżej mrożonego węglowodanu i nieprawidłowe wygorycia, gdzie zasobne w lodzie podłoże zawaliło się, często rozwijają bezpośrednio z poprzednio dobrze uporządkowanych sieci wielokątów, dostarczając widocznej linii czasu degradacji. Poza Ziemią, zaznaczone tereny również zainteresowały naukowców planetarnych, ponieważ podobne wielokątowe tereny zauważono na Marsie przez oblaty i łaziki powierzchniowe, interpretowane jako silne dowody na istnienie poprzedniego lub obecnego lodu w podłożu oraz analogicznych procesów zimowego zamarzania i rozmarzania lub kontrakcji termicznej na innej planecie. Porównawcze badanie terenowych zaznaczonych terenów przekracza więc geologię pola arktycznego, informując zarówno o monitorowaniu zmian klimatycznych na Ziemi, jak i o poszukiwaniach lodu wodnego na innych światach. Niezmiennej skali podstawowych fizyki, od mikroskopowych płytek do laboratoryjnych do kilometrycznych wielokątów martwińskich, jest jednym z powodów, dlaczego zaznaczone tereny są tak interesującym tematem dla modelowania fizycznego i komputerowego. Długoterminowe plotki monitorujące ustanowione wiele dekad temu w miejscach takich jak Svalbard, północny zachód Alaski i doliny suche antarktyckie teraz dostarczają serii czasowych trwających kilka dekad, które dokumentują przyspieszoną degradację zaznaczonych terenów wraz z regionalnymi trendami ciepłomocznymi, dając naukowcom klimatyzacyjnym dowody na ziemię, które bezpośrednio dopełniają szerszy rekord satelitarny i wzmacniają pewność w zaznaczonych terenach jako rzeczywistych, miernych wskaźników zdrowia permafrostu, a nie jedynie kwalitywnego wskaznika widocznego.

Modelowanie wzorów podłogowych: Co symulacje pokrywają

Numerowe i fizyczne modele formowania wzorów podłogowych zazwyczaj łączą trzy powiązane elementy: model przepływu ciepła, który śledzi głębokość i prędkość frontu zamarzania przez warstwę aktywną, model mechaniczny wzrostu lodowca, który konwertuje segregację lody w siły pionowe i poziome na cząsteczki gleby, oraz reguła transportu sztukietów, która rządzi migracją kamieni podniesionych po osiągnięciu obszarów o wyższych naciskach spowodowanych przez stok. Dary koncepcyjne, rozwijane od lat 1950., traktowały ten proces głównie jako analogię komórkom konwekcji w ciepłym płynie, co pomyślnie wyjaśniało ogólną prze'&&u0142owę z okrągłych do pasowych wzorów, ale nie mogło pokryć szczegółów mikroskopowych, takich jak wielkość komórek pasowych lub skalę czasu maturacji wzorów. Nowoczesne podejścia oparte na automatach cyfrowych i elementach skończonych explikują symulację jednostek kamieni lub dyskretyzowanych półokręgów gleby odpowiadających na powtarzające się cykle podniesienia i osadzenia, tworząc rzeczywiste wielkości komórek, ostrość sortowania oraz wra)||(u0142onność typu wzoru do zmiennych takich jak wilgotność gleby, częstotliwość zamarzania i rozkład wielkości kamieni. Te modele pokazują zawsze, że długość wzorów, oznaczana jako typowa odległość między brzegami siedmiu sąsiednich kamieni, skali się ze głębokością warstwy aktywnej: głębsze warstwy roztopione powodują szerokiejjsze, coarser-spacje wzory pasowe, podczas gdy niskie warstwy aktywne tworzą gęsto zaciszone, małych wielkości komórek. Weryfikacja tych modeli na rzeczywistych polach arktowych, gdzie badacze mierniły prędkości przesunięcia kamieni bezpośrednio za pomocą magnetyk ukrytych pod glebą, kamieni o zakolorowanej śladownicy i powtarzających się fotografii z wysokiej rozdzielczości, pozostaje aktywnym obszarem badań geomorfologii periglacjonalnej, a nieporządkiwania między przewidywanymi a obserwowanymi prędko)||śmi sortowania nadal ulepszają zrozumienie naukowców, jak skutecznie wzrost lodowy konwertuje energię termiczną w pracę sortującą mechaniczną.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Patterned Ground: How Permafrost Sorts Stones into Polygons i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.