4.5. Промерзання ґрунту. Вічна мерзлота

Промерзання ґрунту. В холодний період року під впливом морозів ґрунт промерзає, тобто затвердіває. При температурі нижче 0°C ґрунтова волога замерзає і цементує змочені частинки, завдяки чому ґрунт набуває велику твердість. Чим більше у ґрунті вологи, тим сильніше цементуються при промерзанні частинки ґрунту. Завдяки наявності у ґрунтовій воді різних солей промерзання ґрунту починається при температурі дещо нижчій за 0°C. Зауважимо також, що при температурі, близькій до 0°C, у ґрунті замерзає вода, яка міститься у великих порах. Тонкокапілярна вода замерзає при нижчій температурі. Тому глибина промерзання і глибина проникнення у ґрунт від’ємної температури загалом не співпадають.

На мережі метеорологічних станцій глибина промерзання ґрунту оцінюється з допомогою мерзлотомірів. Використання дистильованої води у якості робочого тіла цих приладів забезпечує зіставність результатів метеорологічних спостережень у різних районах, однак може істотно завищувати справжню глибину промерзання ґрунту. Це потрібно враховувати при інтерпретації результатів таких спостережень.

Промерзання ґрунту є сезонним явищем, яке навесні зникає.

Глибина промерзання залежить від кліматичних умов даного району, умов погоди взимку, рельєфу, вологості і механічного складу ґрунту, снігового і рослинного покриву та ін.

У місцях з холодними і тривалими зимами ґрунт промерзає на більшу глибину, ніж у місяцях з теплими зимами. У Східній Європі глибина промерзання ґрунту здебільшого не перевищує 150 см. На підвищених місцях ґрунт промерзає глибше, а на знижених – менше, ніж на рівній місцевості. Вологі ґрунти, особливо в болотистих місцевостях, промерзають до менших глибин, ніж сухі, оскільки при замерзанні виділяється тепло, яке уповільнює подальше промерзання. Піщані ґрунти промерзають на більшу глибину, ніж глинисті, які краще проводять тепло.

Великий влив на промерзання ґрунту мають сніговий і рослинний покриви. Сніговий покрив запобігає промерзанню ґрунтів, і тому за більшої товщини снігового покриву глибина промерзання ґрунту менша. Глибину промерзання ґрунту зменшує і рослинний покрив. У лісі ґрунт промерзає на меншу глибину порівняно з оголеною поверхнею, наприклад, зораним полем.

Багаторічна мерзлота. У високих і помірних широтах є райони, де окремі шари ґрунту залишаються мерзлими упродовж багатьох років і не тануть навіть улітку. Це шари так званої багаторічної, або вічної мерзлоти.

Потужність вічної мерзлоти, тобто відстань між верхньою і нижньою її межами, коливається від декількох метрів до багатьох десятків і навіть сотень метрів. Глибина залягання верхньої межі вічної мерзлоти становить від декількох десятків сантиметрів до декількох метрів. Вона визначається величиною надходження сонячної радіації, сніговим покривом і теплопровідністю ґрунту. Зокрема, зі збільшенням потужності снігового покриву верхня межа шару вічної мерзлоти знижується. До її зниження призводить й збільшення теплопровідності ґрунту. У тінистих заростях чагарників вічна мерзлота розташована ближче до верхні ґрунту, ніж в степу або серед рідколісся.

Поширенню вічної мерзлоти сприяє холодна і малосніжна зима ²¹. У Північній півкулі південна межа вічної мерзлоти збігається з ізотермою середньорічної температури ‑2°C. У таких умовах ґрунти і гірські породи приповерхневих шарів земної кори практично постійно перебувають у мерзлому стані й інколи містять прошарки майже чистого льоду. У товщі багаторічної мерзлоти часто трапляються прошарки, лінзи і навіть цілі пласти льоду товщиною до 20–30 м. Над ними розташовується діяльний шар, який відтає улітку на певну глибину і замерзає взимку. Потужність цього шару залежить від багатьох чинників, але передусім від клімату. У південних районах Сибіру вона досягає 3 м, а в Заполяр'ї не перевищує 0,5 м.

Під шаром мерзлоти температура додатна. Завдяки внутрішньому теплу Землі, яке виділяється при розпаді радіоактивних ізотопів урану U²³⁸ і калію K⁴⁰, в земній корі створюється потік тепла, спрямований вгору. Інтенсивність цього потоку становить близько 6,62·10^‑2 Вт/м², тобто тільки 0,005 % від сонячної сталої. Тим не менше, і така невелика величина геотермального потоку тепла спричиняє значне прогрівання глибинних шарів земної кори.

Мерзлота є малопроникною для просочування води, а тому в районах її поширення діяльний шар дуже вологий. В таких місцевостях багато боліт та озер. Велика частина літніх опадів стікає у ріки, де часто виникають високі паводки і навіть повені.

Танення вічної мерзлоти значно прискорилося унаслідок глобального потепління. При цьому з мерзлих шарів ґрунту вивільняється багато метану, який є потужним парниковим газом, а тому спричиняє додаткове потепління клімату.

Багаторічна мерзлота, шаром якої вкрито чверть земного суходолу, створює особливі умови для розвитку рослинності. В суворих кліматичних умовах, де вона поширена, ослаблені і сповільнені мікробіологічні процеси. Крім того, унаслідок високої заболоченості й дуже обмеженого доступу кисню у таких ґрунтах панують відновлювані процеси. Ґрунти бідні мінеральними елементами живлення, оскільки водотривкий шар мерзлих порід не пропускає ґрунтові розчини, перешкоджає насиченню ґрунтів різними солями і віддаванню їх рослинам. Коріння рослин не може заглибитись через шар вічної мерзлоти. Наприклад, корені берези і кедрової сосни ростуть у глиб ґрунту не більше, ніж на 40 см, а розвиваються в сторони у радіусі 10–20 м від головного стовбура. Дерева з поверхневою кореневою системою погано тримаються у ґрунті, унаслідок чого в тайзі часто зустрічаються ділянки вітровалів.

Водночас, мерзлі породи є потужними конденсаторами водяної пари, завдяки чому в районах поширення багаторічної мерзлоти навіть при невеликій кількості атмосферних опадів у кореневмісному шарі ґрунту створюються значні запаси вологи.

Дуже несприятливо вічна мерзлота позначається на господарській діяльності людини. При вирубуванні лісів, осушуванні боліт, розорюванні ґрунту, проведенні земляних робіт, а особливо під час експлуатації житлових будинків, промислових і комунальних підприємств, тваринницьких комплексів і багатьох інших об’єктів значно зростає потік тепла у ґрунт, що може спричинити дуже небезпечне танення мерзлоти. При цьому виникають численні провали і зсуви ґрунту, відбувається просідання фундаментів і розтріскування стін будинків та руйнування транспортної інфраструктури: залізничних насипів, дорожнього полотна, мостів, аеродромів.

Найбільш дієвими заходами із запобігання таким наслідкам є теплова ізоляція споруд від ґрунту, покриття його малотеплопровідними матеріалами та ін. З цією метою в районах вічної мерзлоти будинки встановлюються на високі палі. Спеціальних заходів доводиться вживати при прокладанні інженерних комунікацій, особливо водогонів. Непорушений мохово-лишайниковий або торф’янистий покрив також сприяє збереженню мерзлоти.

У рослинництві вдаються до гідротермічної меліорації діяльного шару, яка полягає у мульчуванні ґрунту – вкриванні його плівкою, спеціальним папером, теплоізоляційними шарами та ін. Таким способом створюється достатньо теплий для рослин верхній шар ґрунту і не порушуються сприятливі умови їх вологозабезпечення. Підвищенню температури у ґрунті районів багаторічної мерзлоти, підсиленню у них окисних процесів і мікробіологічної діяльності сприяє своєчасна і глибока оранка, внесення мінеральних та органічних добрив, а також снігозатримання.

У процесі вивчення багаторічної мерзлоти та розробки методів будівництва в районах її поширення виникла і розвинулася окрема галузь науки – мерзлотознавство.

Насамкінець зауважимо, що в деяких країнах шари мерзлих порід використовуються як природні холодильники для зберігання продовольства. У товщі вічної мерзлоти знаходили цілі туші мамонтів, які загинули тисячі років тому назад, але відмінно збереглися до наших днів. Ця ж властивість багаторічної мерзлоти визначила місце для спорудження унікального сховища зі зберігання генофонду культурних, а також рідкісних і зникаючих видів рослин та тварин на Шпіцбергені.