Problemi koje stvara permafrost
Permafrost inženjering
Opća pitanja
Razvoj sjevera zahtijeva razumijevanje i sposobnost suočavanja s problemima okoliša koje diktira permafrost. Iako smrznuta zemlja koči poljoprivredne i rudarske aktivnosti, najdramatičniji, najrasprostranjeniji i ekonomski važni primjeri utjecaja permafrosta na život na sjeveru uključuju izgradnju i održavanje cesta, željeznica, aerodroma, mostova, zgrada, brana, kanalizacije i komunikacijske linije. Inženjerski problemi su četiri temeljna tipa: (1) oni koji uključuju odmrzavanje ledene permafrost i naknadno utapanje površine pod nezagrijanim strukturama kao što su ceste i zračne luke, (2) one koji uključuju utapanje u grijane konstrukcije, (3) one koji su posljedica djelovanje mraza, općenito pojačano lošom drenažom uzrokovanom permafrostom, i (4) onima koji sudjeluju samo s temperaturom permafrosta koji uzrokuje smrzavanje ukopanih kanalizacijskih, vodovodnih i naftnih vodova.
Temeljita studija smrznute zemlje trebala bi biti dio planiranja bilo kojeg inženjerskog projekta na sjeveru. Općenito je najbolje pokušati narušiti permafrost što je manje moguće kako bi se održao stabilan temelj za inženjerske konstrukcije, osim ako je permafrost tanak; tada je moguće uništiti permafrost. Metoda konstrukcije očuvanja permafrosta nazvana je pasivna metoda; naizmjenično, uništavanje permafrosta je aktivna metoda.
Odmrzavanje permafrosta i odmrzavanje
Budući da je otapanje permafrosta i djelovanja mraza uključeno u gotovo sve inženjerske probleme u polarnim područjima, preporučljivo je razmotriti te pojave općenito. Delikatna toplinska ravnoteža permafrosta narušava se kada se vegetacija, snježni pokrivač ili aktivni sloj zbije. Tablica permafrosta spuštena je, aktivni sloj je zadebljan, a značajan led je otopljen. Ovakav postupak spušta površinu i pruža (ljeti) vlažniji aktivni sloj s manje nosivosti. Takva uznemirenost omogućuje veću penetraciju ljetnog zagrijavanja. Uobičajen je postupak stavljanja šljunka ili jastučića za šljunak pod inženjerske radove. Takvo punjenje općenito je dobar provodnik topline i, ako je tanko, može prouzročiti dodatno otapanje permafrosta. Napunjenje mora biti dovoljno gusto da sadrži cijelu amplitudu sezonskih promjena temperature - drugim riječima, dovoljno gusta da ograniči godišnje sezonsko smrzavanje i otapanje na ispuni i zbijeni aktivni sloj. U tim uvjetima, nikakva permafrost neće se otapati. Takav postupak je na Arktiku sasvim izvediv, ali u toplijem subarktiku to je nepraktično zbog potrebnih ogromnih količina punjenja. Pod grijanom zgradom može se dogoditi duboko otapanje brže nego pod cestama i uzletištima.
Djelovanje mraza, smrzavanje i otapanje vlage u tlu, odavno je poznato da ozbiljno uništava i uništava strukture i u polarnim i umjerenim širinama. Zimi smrzavanje zemljane vlage stvara pomicanje tla prema gore (smrzavanje), a ljeti pretjerana vlaga u tlo dovedena tijekom operacije smrzavanja uzrokuje gubitak nosivosti. Djelovanje mraza najbolje je razvijeno u sedimentima veličine mulja i blatne gline u područjima rigorozne klime i loše drenaže. Polarne zemljopisne širine idealne su za maksimalno djelovanje mraza, jer je većina nizinskih područja prekrivena sitnozrnatim sedimentima, a ispod permafrost uzrokuje lošu odvodnju.
Razvoj u područjima permafrosta
Konstrukcije na gomilama
Kolači se koriste za podršku mnogih, ako ne i većine građevina izgrađenih na ledenom permafrostu. U područjima hladnih zima, mnogi su temelji gomila u tlu podložni sezonskom zamrzavanju i, stoga, možda podložni štetnom učinku odmrzavanja zbog mraza, koji teže pomaknuti hrpu prema gore i tako poremetiti temelje konstrukcije. Pomicanje gomile nije ograničeno na krajnji sjever, iako se najveće smetnje vjerojatno susreću najčešće u subarktiku. Skupo održavanje, a ponekad i potpuno uništenje mostova, školskih zgrada, vojnih postrojenja, cjevovoda i drugih građevina rezultat su nerazumijevanja načela gomilanja od mraza gomile.
Izuzetno građevinsko dostignuće u okruženju permafrosta je Trans-Aljaski cjevovod. Dovršen 1977. godine, ovaj cjevovod promjera 122 centimetra, dugačak 1,285 kilometara, transportira sirovu naftu iz zaljeva Prudhoe u luku Valdez bez leda. Naftovod je izvorno predviđen za ukop na većem dijelu trase. Međutim, s obzirom na to da se ulje transportira na 70 do 80 ° C (158 do 176 ° F), takva instalacija bi otopila susjedne permafrost, uzrokujući ukapljivanje, gubitak nosivosti i protok tla. Kako bi se spriječilo uništavanje cjevovoda, otprilike polovica pruge (615 kilometara) uzdignuta je na grede koje drže okomiti potporni elementi. Cjevovod sigurno odvodi toplinu u zrak, dok se sprječavanje smrzavanja od 120 000 vertikalnih potpornih članova sprječava zamrzavanjem čvrstog u permafrost upotrebom posebnih toplinskih uređaja koji zrače toplinom.
Autoceste i željeznice
Autoceste u polarnim područjima relativno su malobrojne i uglavnom neasfaltirane. Oni podliježu utapanju odmrzavanjem permafrosta ljeti, smrzavanjem zimi i gubitkom nosivosti na sitnozrnatim sedimentima ljeti. Stalno ocjenjivanje makadamskih cesta omogućuje održavanje relativno glatke autoceste. Tamo gdje je cesta popločena ledenom permafrostom, kolnik postaje hrapav i mnogo je skuplje za održavanje od neasfaltiranih cesta. Mnogo asfaltiranih cesta u polarnim područjima zahtijevalo je obnavljanje dva ili tri puta u razdoblju od 10 godina.
Željeznice imaju ozbiljne probleme u gradnji i zahtijevaju dugotrajno održavanje u područjima vječne smrzavanja zbog potrebe održavanja relativno niskog nagiba i naknadnog smještanja kolnika u nizinama bogatim ledom koje su prekrivene višegodišnjim zaleđenim tlom. Transsibirska željeznica, Aljaska željeznica i neke kanadske željeznice na sjeveru lokalno su podmrznuti od permafrosta uz znatan prizemni led. Kako se velike mase leda tope svakog ljeta, za izravnavanje ovih staza potrebno je stalno održavanje. Zimi je potrebno i dugotrajno održavanje za borbu protiv dizanja mraza kada se lokalni pomak od 2,5 do 35 centimetara dogodi na cestovnim koritima i mostovima.
Poljoprivreda
Permafrost utječe na razvoj poljoprivrede u mnogim dijelovima prekinute zone permafrosta. Njegov destruktivni učinak na obrađenim poljima i u Rusiji i u Sjevernoj Americi posljedica je otapanja velikih masa leda u permafrost. Ako se ne odabere pažnja pri odabiru površina koja će se očistiti za obrađivanje, otapanje permafrosta može zahtijevati napuštanje polja ili njihovo spuštanje na pašnjake.
