קפאת-עד

קִפְאַת־עַד^[1] (לעיתים גם קִפְֿאוֹן־עַד; באנגלית: permafrost) הוא מונח בגאולוגיה המתייחס לקרקע הנמצאת בטמפרטורה של נקודת הקיפאון של המים (0°C), או בטמפרטורה נמוכה יותר, במשך שנתיים לפחות. מרבית הקרקעות במצב זה שוכנות בקווי רוחב גבוהים (בתוך אזורי החוג הארקטי והחוג האנטארקטי ובקרבתם), אבל קפאת־עד אלפינית יכולה להתקיים במקומות גבוהים בקווי רוחב נמוכים יותר. לא תמיד יש קרח בתוך הקרקע, כמו במצב של סלע אם אטוּם, אבל הוא מצטבר לעיתים קרובות, ולפעמים בכמויות העולות על קיבול המים המרבי של הקרקע. החלק היחסי של קפאת־עד בסך כל המים על פני כדור הארץ הוא 0.022%,^[2] וכ־15% מהקרקע החשופה של חצי הכדור הצפוני שרויה במצב של קפאת־עד.^[3][4] קפאת־עד קיימת גם בקרקעית הים על מדף היבשת של היבשות שסביב אוקיינוס הקרח הצפוני, שחלקים ממנו נחשפו בעידן הקרח האחרון.^[5]

מפה המראה את תחומי קפאת־עד וסוגיה השונים בחצי הכדור הצפוני

התמוטטות המדרון של קרקע בקפאת־עד חושפת עדשות קרח

על פי טענה של קבוצת מדענים, מספיקה התחממות עולמית בגובה 1.5°C מעל ממוצע הטמפרטורות הנוכחי על מנת לגרום להפשרת קפאת־העד של סיביר.^[6]

גורמים שונים גורמים לקרקע הקפואה להפשיר לראשונה מזה עידנים. תהליך ההפשרה הולך ותופס תאוצה עד כדי חשש לכך שיהיה בלתי הפיך, ומאיים על היציבות התרמית, הכימית, המיקרוביולוגית והמבנית של קפאת העד ועל חיי היום יום של האוכלוסיות המתגוררות באזור קפאת העד.^[7][8][9]

תחום השטח של קפאת־עד והשפעותיה

הקו האדום הרציף שהופך למקווקו מייצג את פרופיל הטמפרטורה הממוצעת יחסית לעומק הקרקע באזורי קיפאון העד. הקווים בצורת חצוצרה בחלק העליון מראים את השונות העונתית בין הטמפרטורה המקסימלית והמינימלית ב"שכבה הפעילה", והם מצטלבים בעומק שבו הטמפרטורה השנתית המקסימלית היא 0°C. השכבה הפעילה קופאת עונתית. השכבה האמצעית קפואה תמיד כ"קפאת־עד". בשכבה התחתונה הטמפרטורה הגאותרמית היא מעל נקודת הקיפאון. שימו לב לחשיבות של קו ה־0°C: הוא מסמן את תחתית השכבה הפעילה באזור הטמפרטורות המשתנות עונתית והגבול התחתון של קיפאון העד כשהטמפרטורות מתחילות לעלות עם הירידה לעומק.

קפאת־עד היא קרקע, סלע או משקעים הקפואים יותר משנתיים רצופות. בשטחים שאינם מכוסים בקרח, הוא קיים מתחת לשכבה של קרקע, סלעים או משקעים, הקופאת ומפשירה במהלך השנה והקרויה "השכבה הפעילה" (באנגלית "active layer").^[5] בפועל מתרחשת קפאת־עד בכל מקום שבו הטמפרטורה השנתית הממוצעת של האוויר היא -2°C או קרה יותר. עובי השכבה הפעילה משתנה עונתית, ונע בין 0.3 מטרים ל־4 מטרים (שכבה רדודה לאורך חופי האוקיינוס הארקטי, עמוקה יותר בדרום סיביר וברמת צ'ינגהאי־טיבט). מרבית השטח שמושפע מקפאת-עד נמצא בסיביר, בצפון קנדה, אלסקה וגרינלנד. שינויי הטמפרטורה השנתיים של קיפאון העד מתחת לשכבה הפעילה הולכים וקטנים עם הירידה לעומק. העומק הגדול ביותר של קיפאון העד מתרחש היכן שהחום הגאותרמי מגיע לטמפרטורה מעל לנקודת הקיפאון. מעל גבול תחתון זה יכולה להיות שכבה במצב קפאת־עד שהטמפרטורה שלה אינה משתנה במהלך השנה - "קפאת־עד איזותרמית".^[10]

ב-1997 פורסמה מפה של אזורי קפאת-עד בחצי הכדור הצפוני, שהתבססה על מפות אזוריות והערכות של מומחים. על פי המפה חושב שכ-22.79 מיליון קמ"ר, או כ-23.9% מהיבשה החשופה בחצי הכדור הצפוני, מהווה "אזורי קפאת-עד" (Permafrost zones). עם זאת, בהמשך הובהר שהנתון מתייחס לכלל האזורים שבהם קיימת קפאת-עד, בין אם רציפה ובין אם בלתי-רציפה, ספורדית, או בנקודות מבודדות. כיוון שקפאת-עד מכסה רק חלק מהשטח שמוגדר כ"אזור קפאת-עד", השטח שבו קיימת קפאת-עד ממש קטן יותר מזה שדווח.^[3] מחקרים שנעשו במאה ה-21 השתמשו בנתונים שלא היו קיימים קודם לכן, כדי לבחון ברזולוציה גבוהה יותר את השטחים בהם קיימת קפאת-עד. במחקרים אלה נמצא שהשטח הכולל של קפאת-עד בחצי הכדור הצפוני הוא כ-14 מיליון קמ"ר עם טווח אי-ודאות של עד 3 מיליון קמ"ר, או 15%±3% משטח היבשה החשופה בחצי הכדור הצפוני.^[3][4]

גודל השטח שבו יש קפאת־עד משתנה יחד עם האקלים. נכון לעשור השני של המאה ה־21 מכוסה שטח נכבד של האזור הארקטי בקפאת־עד (כולל קפאת־עד עונתית). מעל קפאת־עד קיימת שכבה פעילה המפשירה במהלך הקיץ. צמחים יכולים לצמוח רק בתוך השכבה הפעילה מכיוון שצמיחה יכולה להתרחש רק בקרקע שהפשירה לגמרי, לפחות בחלק מהשנה. עובייה של השכבה הפעילה הוא בין 0.6 מטרים ל־4 מטרים, והוא משתנה מדי שנה ותלוי גם במיקום הגאוגרפי. באזורים שבהם יש קפאת־עד רציפה, וחורפים קרים מאוד, יכול עומקה של שכבת קיפאון העד להגיע לעומק של עד 1,493 מטרים, כמו בצפון האגנים של הנהרות לנה וינה בסיביר.^[11] קיפאון העד יכול גם לאחסן פחמן, הן ככבול והן כמתאן. מחקרים שבדקו את כמות הפחמן העריכו שבאזור קיפאון העד שסביב הקוטב הצפוני מאוחסנים בין 1,400 ל־1,700 מיליארד טון פחמן.^[12] מחקר עדכני יותר, שכלל גם את אזור קיפאון העד של רמת טיבט, העריך שסך כל הפחמן המאוחסן באזורי קיפאון העד של חצי הכדור הצפוני הוא 1,832 מיליארד טון.^[13] כמות פחמן זו גדולה יותר מאשר כל הפחמן שיש ביצורים חיים כיום.

קרח קרקעי מסיבי

חציבה בקפאת־עד עשיר בקרח באלסקה באמצעות פטיש אוויר.

כאשר תכולת הקרח של קפאת-העד עולה על 250 אחוזים (היחס בין משקל הקרח למשקל הקרקע היבשה) הוא מסווג כקרח מסיבי. ההרכבים של גופי קרח מסיביים יכולים להשתנות בכל טווח האפשרויות מקרח בוצי ועד קרח טהור. עוביין של שכבות קרח מסיבי הוא לפחות שני מטרים, וקוטרן לפחות 10 מטרים.^[14] שכבות הקרח זוהו לראשונה בתצפיות באמריקה הצפונית על ידי מדענים אירופאים בנהר קנינג (Canning River) באלסקה ב־1919,^[15] אבל התופעה הייתה מוכרת הרבה קודם לכן. בספרות הרוסית מיוחסת התגלית למסעות הגדולים צפונה של פטר לסיניוס ב־1735 וחריטון לפטב (Харитон Прокофьевич Лаптев) ב־1739.

ניתן לסווג קרח מסיבי על פי שלוש הבחנות, באופן היררכי. ההבחנה הראשונה היא בין גוף קרח מסיבי הומוגני לגוף קרח מסיבי הטרוגני, כאשר הראשון הוא גוף קרח שכל חלקיו נוצרו מאותו מקור ובעלי תכונות והרכב זהים, והשני נוצר ממפגש בין שני גופים הומוגניים לפחות, כך שתכונותיו והרכבו משתנים. החלוקה השנייה היא בין שתי קטגוריות עיקריות של קרח קרקעי מסיבי: "קרח קבור מתחת לפני השטח" ו"קרח בין שכבות משקעים" (ראו למטה). כל אחד מהסוגים האלה ניתן לחלוקה שלישית על פי התהליך שהביא ליצירה של הקרח.^[16][17]

קרח קבור מתחת לפני השטח (buried surface ice; נקרא גם "אלוכתוני") עשוי להיווצר משלג, מאגמים, נהרות או ימים קפואים ומקרח מקרחונים שנקברו תחת הקרקע.^[18] קרח מקרחונים הוא הסוג הנפוץ ביותר של קרח קבור מתחת לפני השטח, ועדויות לו נמצאו ברוסיה, קנדה, אלסקה ואנטארקטיקה. זוהו שלושה תהליכים שונים של יצירתו: (1) הצטברות של משקעים מעל הקרחונים כתוצאה מפעולה של נהרות, אגמים, רוח, או תנועת משקעים במדרון; (2) תנועה של הקרחונים עצמם ביחס לקרקע; (3) יצירה של שכבה מבודדת של משקע טיל מעל הקרחון. הקרח הקבור נשאר יציב רק אם הטמפרטורה בסביבה היא מתחת לנקודת הקפיאה והעובי של השכבה המבודדת לא עולה על העובי של הקרח המסיבי.^[19]

קרח בין שכבות משקעים (Intrasedimental ice, נקרא גם קרח "אוטוכתוני") נוצר מתנועה של מי תהום לעבר חזית קפואה וקפיאתם במקום. קיימות סיבות מגוונות לתנועה של מי תהום לא קפואים לעבר החזית הקפואה.^[20] נחלק לשכבות שונות שמקורן בתהליך הגיבוש המפריט.^{[hebrew 1][21]} קרח בין שכבות משקעים נצפה ונחקר בשטחים נרחבים בקנדה והוא כולל גם קרח חודר וקרח מוזרק. חוקרים רוסיים ניסחו את התאוריות המקוריות על תכלילים של קרח בקרקעות קופאות.

בנוסף, אם כי בתחום קטגוריה נוספת של קרח קבור בקרקע, טריזי קרח הם סוג מרהיב עין של קרח קבור בקרקע המייצר תבנית קרקע של מצולעים. טריזי קרח הם צורות מובחנות של קרח מסיבי שהן בדרך כלל צעירות מהמצע סביבן ונחקרו לראשונה ב־1919.

קפאת־עד רציפה ושאינה רציפה

קפאת־עד נוצרת בדרך כלל בכל אקלים שבו הטמפרטורה השנתית הממוצעת של האוויר בפני הקרקע היא פחות מנקודת הקיפאון של מים. יוצאים מכלל זה קיימים באקלימים של היערות הלחים בחורף, כדוגמת צפון סקנדינביה וצפון־מזרח החלק האירופאי של רוסיה, מערבית להרי אורל, בהם שלג מתפקד כשמיכה מבודדת. גם אזורים מכוסי קרחונים יוצאי דופן. מכיוון שכל הקרחונים מחוממים בבסיסם בחום גאותרמי, בממשק בין קרחונים מהאזור הממוזג, המצויים כל הזמן קרוב לנקודת הקיפאון, לבין הקרקע יש שכבת מים ולכן הקרקע איננה במצב של קפאת־עד.^[22]

הטמפרטורות מתחת לקרקע משתנות פחות בדרך כלל מעונה לעונה מאשר טמפרטורת האוויר, כשהטמפרטורות נוטות לטפס ככל שמעמיקים. כך, אם טמפרטורת האוויר הממוצעת השנתית היא נמוכה במעט מ־0°C, תיווצר קפאת־עד רק במקומות מוגנים - בדרך כלל במדרון הצפוני. עקב כך נוצרת התופעה המכונה קפאת־עד בלתי רציפה. בדרך כלל תהיה קפאת־עד בלתי רציפה במקומות שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע בין -5°C ל־0°C. קפאת־עד בלתי רציפה מתחלקת לעיתים קרובות לקפאת־עד נרחבת, שבה מכסה קפאת־עד בין 50 ל־90 אחוז מהאזור והיא מצויה בדרך כלל באזורים שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע היא בין -2°C ל־-4°C, וקפאת־עד פזורה שבה קפאת־עד מכסה פחות מ־50% מהאזור והיא מצויה בדרך כלל באזורים שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע היא בין -0°C לבין ל־-2°C. במדע הקרקע מסמנים קפאת־עד פזורה כ־SPZ (קיצור של sporadic permafrost zone), וקפאת־עד נרחבת כ־DPZ (קיצור של discontinuous permafrost zone).^[23]

יוצאי דופן הם האזורים שאינם מכוסים בקרח בסיביר ובאלסקה בהם העומק הנוכחי של קִפְאון־העד הוא שריד מתנאי אקלים שהתרחשו בעידני הקרח שבהם החורפים היו קרים עד 11°C מאשר כיום. במקומות שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע מתחת ל־-5°C ההשפעה העונתית לא מספיקה על מנת להפשיר קפאת־עד ונוצר אזור של קפאת־עד רציפה המסומנת כ־CPZ (קיצור של Continuous Permafrost Zone). אנומליה של קור מתרחשת במצבים שבהם הטמפרטורה אינה עולה עם העומק ומקורה באזורים שבהם התפתחה קפאת־עד עמוקה בעידן הפליסטוקן לעומק של כמה מאות מטרים. האנומליה של סולקי (Suwałki) בפולין הובילה להבנה שהפרעות תרמיות הקשורות לשינויים אקלימיים בעידן הפליסטוקן–הולוקן מתועדים בקידוחים לעומק ברחבי פולין.^[24]

קו של קפאת־עד רציפה בחצי הכדור הצפוני מייצג את הגבול הדרומי ביותר שהקרקע במצב של קפאת־עד רציפה או שהיא מכוסה בקרחונים. קו קיפאון העד הרציף סביב העולם נע צפונה או דרומה כתלות בשינויים האקלימיים המקומיים. הקו המקביל בחצי הכדור הדרומי היה משתרע באוקיינוס הדרומי לו הייתה שם יבשה. מרבית אנטארקטיקה מכוסה בקרחונים.

בהרי האנדים לאורך מדבר אטקמה משתרע קיפאון העד מהפסגות ועד לגובה של 4,400 מטרים והוא רציף מעל 5,600 מטרים.

קפאת־עד תת־ימית

קפאת־עד תת־ימית מתרחשת מתחת לקרקעית הים וקיימת במדפי היבשת באזורי הקוטב הצפוני.^[5] אזורים אלו נוצרו במהלך עידן הקרח האחרון, כאשר חלק גדול מהמים על פני כדור הארץ התרכז בקרחונים על פני האדמה ופני הים היו אז נמוכים יותר. כשהקרחונים התמוססו והפכו מחדש למי ים, הפך קיפאון העד למדפי יבשת מתחת למים תחת תנאים של חמימות ומליחות יחסית, בהשוואה לקפאת־עד של פני השטח. משום כך, קפאת־עד תת־ימית קיימת בתנאים המובילים להקטנתה. לדברי טום אוסטרקמפ (Tom Osterkamp) מאוניברסיטת אלסקה מהווה קפאת־עד תת־ימית גורם ב"תכנון, בנייה, ותפעול של מתקני חוף, מבנים שיסודותיהם בקרקעית הים, איים מלאכותיים, צינורות תת־ימיים ובארות הנחפרים לחיפושי נפט או להפקתו".^[25] היא גם מכילה במקומות מסוימים גזים, שהם "מקור אנרגיה פוטנציאלית המצוי בשפע", אבל גם יכולים לגרום לחוסר יציבות כאשר קפאת-העד התת־מימית מתחממת ומפשירה ומשחררת כמויות גדולות של גז מתאן שהוא גז חממה רב־עוצמה,^[25][26] דבר המוביל למעגל משוב חיובי של התחממות נוספת, והפשרה נוספת.

הזמן ליצירת קפאת־עד עמוקה

הזמן שנדרש לקיפאון העד להגיע לעומק במפרץ פרודהו באלסקה^[27]

זמן (שנים)	עומק קיפאון העד במטרים
1	4.44
350	79.9
3,500	219.3
35,000	461.4
100,000	567.8
225,000	626.5
775,000	687.7

חישובים הראו שהזמן הנדרש ליצור את קיפאון העד העמוק שמתחת למפרץ פרודהו באלסקה היה מעל לחצי מיליון שנים.^[27] תקופה זו כללה כמה מחזורים של עידני קרח ותקופות שבין עידני הקרח בעידן הפליסטוקן, ומכך מסיקים שהאקלים הנוכחי של מפרץ פרודהו הוא ככל הנראה חמים הרבה יותר מהממוצע במשך תקופה זו. התחממות זו במהלך 15,000 השנים האחרונות מקובלת על רבים.^[27] הטבלה משמאל מראה שמאה המטרים הראשונים של קיפאון העד נוצרו יחסית במהירות, אבל בעומק גדול יותר הקיפאון נוצר בהדרגה לאט יותר.

מחזור הפחמן בקפאת־עד

מחזור הפחמן בקיפאון העד (מחזור הפחמן הארקטי) מתייחס למעבר פחמן מאדמות קיפאון העד לצמחייה וחיידקים, ומהם לאטמוספירה, בחזרה לצמחים, ולבסוף בחזרה לקרקעות קיפאון העד דרך כיסוי ושיכוב בשל תהליכים קריוגניים.^{[hebrew 2]} חלק מפחמן זה מועבר לאוקיינוסים ולחלקים אחרים בכדור הארץ באמצעות מחזור הפחמן העולמי. המחזור כולל החלפה של פחמן דו־חמצני ומתאן בין רכיבים יבשתיים לבין האטמוספירה, כמו גם מעבר של פחמן בין יבשה לים כמתאן, כפחמן אורגני מומס, כפחמן אנאורגני מומס, כחלקיקי פחמן אנאורגניים וכחלקיקי פחמן אורגניים.^{[hebrew 3][28]}

צורות נוף

תהליכי קפאת־עד מתבטאים בצורות נוף בקנה מידה גדול, כדוגמת פלסה (palsa)^{[hebrew 4]} ופינגו (pingo)^{[hebrew 5][29]} ותופעות בקנה מידה קטן יותר, כדוגמת תבניות בקרקע אותן ניתן לפגוש באזור הארקטי, הקדם קרחוני והאזורים האלפיניים.^[30]

• 
  קבוצה של פלסה, כפי שהם נראים מלמעלה, נוצרה מגידול של עדשות קרח
• 
  גבעות פינגו בסמוך לטוקטויאקטוק, הטריטוריות הצפון־מערביות בקנדה
• 
  מצולעים בקרקע
• 
  מעגלי אבן בשפיצברגן
• 
  טריזי קרח כפי שהם נראים מלמעלה
• 
  זחילה על תשתית קפואה (solifluction) ^{[hebrew 6]} בסבאלברד
• 
  ריכוז של סדקים בצורת מצולעים על משקע ארקטי
• 
  סדקים הנוצרים בקצוות של אזור קיפאון העד

השפעת שינוי האקלים העולמי על גודל אזור הקפאת־עד

שינויים היסטוריים בקפאת־עד

קפאת־עד שהפשירה לאחרונה באזור הארקטי וסחיפה חופית בים בופור, האוקיינוס הארקטי, סמוך לפוינט לונלי (Point Lonely) באלסקה. צילום מאוגוסט 2013

בנקודת המקסימום של התפשטות הקרחונים האחרונה כיסתה קפאת־עד רציפה שטח גדול בהרבה מהשטח אותו הוא מכסה כיום, כשהוא משתרע על כל השטח שאינו מכוסה בקרח באירופה דרומית עד בערך סגד (דרום מזרח הונגריה) וים אזוב (אז שטח יבשתי)^[31] ומזרח אסיה ודרומה עד צ'אנגצ'ון של ימינו ואבאשירי ביפן של ימינו.^[32] באמריקה הצפונית הייתה קיימת רצועה צרה מאוד של קפאת־עד דרומית למשטח הקרח בערך בקו הרוחב של ניו ג'רזי דרך דרום איווה וצפון מיזורי, אבל קפאת־עד הייתה נרחבת יותר באזורים המערביים היבשים יותר שם היא השתרעה עד לגבול הדרומי של איידהו ואורגון.^[33] בחצי הכדור הדרומי קיימת עדות מסוימת לקפאת־עד מתקופה זו ממרכז אוטגו ופטגוניה בארגנטינה,^[34] אבל הוא היה בלתי רציף ככל הנראה, והוא קשור לטונדרה. קפאת־עד אלפינית התחוללה גם בדראקנסברג בדרום אפריקה במהלך שיא התפשטות הקרחונים מעל לגובה של 3,400 מטרים.^[35]

על פי דו"ח ההערכה החמישי של הפנל הבין־ממשלתי לשינוי האקלים עלו הטמפרטורות של קיפאון העד במרבית האזורים מתחילת שנות ה־80 של המאה ה־20. ההתחממות שנמדדה הייתה עד 3°C בחלקים מצפון אלסקה (בין תחילת שנות ה־80 לאמצע העשור הראשון של המאה ה־21) ועד 2°C בחלקים הצפון אירופאים של רוסיה (1971–2010).^[36] ביוקון, ייתכן שאזור קיפאון־העד הרציף נע 100 קילומטרים בכיוון הקוטב מאז 1899, אבל מדידות מדויקות קיימות רק 30 שנים.

משערים שהפשרה של קיפאון־העד תחמיר את ההתחממות העולמית בשל שחרור מתאן ופחמימנים אחרים, שהם גזי חממה יעילים, לאטמוספירה.^[37][38][39] ההפשרה גם תגביר את הסחיפה משום שקיפאון העד מייצב את המדרונות הארקטיים החשופים.

קצב משוער של שינויי הטמפרטורה באזור הארקטי

משערים שהטמפרטורות באזור הארקטי יעלו בקצב כפול מקצב הגידול העולמי.^[36] הפנל הבין־ממשלתי לשינוי האקלים קבע בדו"ח החמישי שלו תסריטים לעתיד, שבהם הטמפרטורות באזור הארקטי יעלו בין 1.5°C ל־2.5°C עד 2040 ו־2°C עד 7.5°C עד 2100. קיימות כמה הערכות בנוגע למשקל גזי החממה שיפלטו מקיפאון העד שיפשיר. אומדן אחד משער שבין 110 ל־231 מיליארד טון של CO₂ ומקביליו (כמחצית מפחמן דו־חמצני והמחצית השנייה ממתאן) יפלטו עד 2040 ובין 850 ל־1,400 מיליארד טון עד 2100.^[40] אומדן זה מקביל לפליטה שנתית ממוצעת של 4–8 מיליארד טון CO₂ ומקביליו בתקופה 2011–2040 ו־10–16 מיליארד טון CO₂ ומקביליו בתקופה 2041–2100 כתוצאה מקפאת־עד שהפשירה. לשם השוואה, הפליטה של גזי חממה כתוצאה ישירה מפעילות אנושית ב־2010 הייתה 48 מיליארד טון של CO₂ ומקביליו.^[41] שחרור גזי החממה מקפאת־עד שהפשירה לאטמוספירה עלול להגביר את ההתחממות העולמית.

להערכת חלק מהחוקרים קיימת הערכת חסר לגבי קצב ומידת ההשפעה של הפשרת קפאת העד על שינוי האקלים.^[8]

הפשרה של קפאת־עד כנגד המסה

שלוליות של הפשרה של קפאת־עד באדמות הכבול במפרץ הדסון בקנדה, 2008.^[42]

קרקע עשויה להכיל חומרי מצע רבים כולל, סלעים, משקעים, חומרים אורגניים, מים או קרח. קרקע קפואה מוגדרת כקרקע הנמצאת מתחת לנקודת הקיפאון של המים, בלא קשר למידת הנוכחות של מים במצע. קרח לא תמיד נוכח בקרקע, כפי שהמצב בסלעים אטומים, אבל הוא קיים במקרים רבים, והוא יכול להיות נוכח בכמויות העולות על קיבול המים המרבי של המצע המופשר.

על פי הגדרתה, קפאת־עד היא קרקע הקפואה לפחות שנתיים. מכיוון שאדמה קפואה, כולל קפאת־עד, מכילה אחוז גדול של חומרי מצע שאינם קרח, היא עוברת הפשרה ולא המסה כשהטמפרטורה שלה עולה מעל לנקודת הקיפאון של המים, אף שבמצב זה תכולת הקרח בתוכה נמסה.^[43] אנלוגיה מקבילה היא השארת דלת המקפיא פתוחה. אף שהקרח במקפיא ישנה מצב לנוזל, מוצקי המזון לא יעברו שינוי מצב. בסך הכול, האוכל מפשיר, אבל לא נמס. משמעות המסה היא שינוי מצב של כל המוצקים לנוזל.

השלכות אקולוגיות

בכל רחבי העולם מכיל קיפאון העד 1,700 מיליארד טון של חומרים אורגניים,^[12] כמות שוות ערך למחצית החומרים האורגניים בכל הקרקעות. מאגר זה נבנה במשך אלפי שנים והוא מתפרק לאט מאוד בתנאי הקור של האזור הארקטי. כמות הפחמן הקבורה בקיפאון העד היא פי ארבעה מסך כל הפחמן שנפלט לאטמוספירה כתוצאה מפעילות אנושית בתקופה המודרנית.^[40] עדות אחת לכך היא ידומה, שהיא קרקע לס מתקופת הפליסטוקן עשירה בחומרים אורגניים (כ־2% פחמן במשקל) במצב של קפאת־עד שבה בין 50% ל־90% מהנפח הוא מים.^[44]

להיווצרות קפאת־עד יש השלכות משמעותיות על מערכות אקולוגיות, בעיקר בשל מגבלות העומק שהוא מציב בפני שורשי העצים, אבל גם בשל ההגבלות על הגאומטריה של מאורות ושוחות עבור פאונה הדורשת משכן תת־קרקעי. השפעות משניות הן על מינים התלויים בצמחים ובבעלי חיים שבית הגידול שלהם מוגבל לאזורי קפאת־עד. אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר הוא הדומיננטיות של אשוחית שחורה (Picea mariana) באזורים של קפאת־עד, מכיוון שמין זה הסתגל לתבנית שורשים המוגבלים לאזור בקרקע בסמוך לפני השטח.^[45] סימן חזותי אחד להצטמצמות קיפאון העד הוא נטיית עצים ממין זה מהמנח האנכי שלהם בחלק מאזורי קיפאון העד,^[46] תופעה שבני המקום מכנים "היער השיכור".^[47]

גרם אחד מהקרקע של השכבה הפעילה עשוי לכלול יותר ממיליארד תאי חיידקים. אם נציב חיידקים זה אחר זה, אזי חיידקים מקילוגרם אחד של השכבה הפעילה יצרו שרשרת באורך 1,000 קילומטרים. מספר המיקרואורגניזמים בקרקע בקפאת־עד משתנה מאוד, ממיליון ועד 1,000 מיליון לגרם קרקע.^[48] מרבית החיידקים והפטריות לא ניתנים לגידול במעבדה, אבל ניתן לזהות מיקרואורגניזמים אלו באמצעות טכניקות מבוססות DNA.

אם כמות משמעותית של פחמן תיכנס לאטמוספירה היא תאיץ את התחממות כדור הארץ. חלק נכבד מכך יהיה בצורת מתאן, הנוצר בהתפרקות חומרים אורגניים באגמים או בביצות. אף שהוא לא נשאר באטמוספירה לזמן רב, המתאן לוכד יותר מחום השמש. האזור הארקטי הוא אחד מהמקורות הטבעיים הרבים של גז החממה מתאן.^[49] התחממות עולמית מאיצה את שחרורו, הן בשל שחרור מתאן ממצבורים קיימים והן מייצור מתאן מביומסה מרקיבה.^[50] כמויות גדולות של מתאן מאוחסנות באזור הארקטי במאגרי גז טבעי, קפאת־עד וכמתאן קלטרט תת־ימי. קפאת־עד וקלטרטים מתפרקים בהתחממות, עקב כך עלולות להשתחרר כמויות גדולות של מתאן כתוצאה מהתחממות עולמית.^[51][52] מקורות נוספים של מתאן כוללים טאליקים תת־מימיים,^{[hebrew 7]} בתוך הסעת נהרות, נסיגת מתחמי קרחונים, קפאת־עד תת־ימית ומאגרי הידרט גזי^{[hebrew 8]} המתפרק.^[53] אנליזות ראשוניות באמצעות מחשב הראו שקפאת־עד יכולה לייצר פחמן שווה ערך ל־15% מפליטת פחמן מפעילות אנושית.^[54]

שינוי אקלים ויציבות המדרונות

במהלך המאה הקודמת תועדו מספר הולך וגדל של אירועי התמוטטות מדרונות סלעיים אלפיניים ברכסי ההרים סביב העולם. מקור חלק גדול מכשלים מבניים אלו הוא בשל הפשרת קפאת־העד, שמשערים כי היא נובעת משינויי האקלים. ניתן ליחס את מרבית היציבות המבנית ברכסי ההרים לקרחונים וקפאת־עד. ככל שהאקלים מתחמם, קפאת־עד מפשירה, ועקב כך מבנה ההר הופך יציב פחות, ובסופו של דבר המדרון מתמוטט.^[55] בסמוך לאגן הנהר יאנה, באזור נרחב של קפאת־עד התהווה שקע המכונה מכתש בטאגייקה (кратер Батагайка) ההולך ומתרחב. אורכו, נכון לתחילת 2016, קילומטר ועומקו עד 86 מטרים. השקע נוצר כתוצאה מהתמוססות הקרח מתחת לשכבת הקרקע העליונה ושקיעתה עקב כך,^[56] בדומה להיווצרות בולענים באזור ים המלח עקב המסת שכבת המלח התת־קרקעית.

נושאים נוספים הקשורים לקפאת־עד

האגודה הבינלאומית לקפאת־עד (International Permafrost Association), בראשי תיבות IPA,^[57] מתאמת נושאים הקשורים לקפאת־עד. היא מארגנת את הכנסים הבינלאומיים לקפאת־עד, יוזמת פרויקטים מיוחדים כדוגמת הכנת מאגרי מידע, מפות, ביבליוגרפיות ומונחונים, ומתאמת פעילויות מחקר. בין הנושאים האחרים בהם מטפלים ה־IPA וארגונים נוספים: בעיות הבנייה על קפאת־עד, בשל השינוי במאפייני הקרקע שעליה מוצבים המבנים והתהליכים הביולוגיים בקפאת־עד, למשל שימור אורגניזמים שקפאו אין סיטו.

בנייה על קפאת־עד

בנייה על קפאת־עד היא משימה קשה משום שהחום שנוצר במבנה (או בצינור נפט) יכול להפשיר את קפאת־העד ולערער את יסודות המבנה. שלוש השיטות הנפוצות כוללות: שימוש ביסודות של קורות עץ המוחדרות לעומק. בנייה על משטח חצץ עבה (בדרך כלל בעובי שבין מטר לשני מטרים); או שימוש בצינורות חימום של אמוניה.^[58][59] קו צינור הנפט טראנס־אלסקה משתמש בצינורות חימום שנבנו לתוך התומכות של צינור הנפט שנועדו לתעל את החום מהנפט המחומם שבתוך הצינורות כלפי מעלה כדי למנוע את הפשרת הקרקע ושקיעת הצינור. ומסילת הרכבת צ'ינגדזאנג בטיבט משתמשת במגוון שיטות לשמור על האדמה קפואה, בייחוד באזורים שהקרקע עלולה להתרומם כשקרח מצטבר מתחתיה.^[60] קפאת־עד יכולה לחייב הקמת מתחמים מגודרים עבור מתקני שירות תת־קרקעיים המכונים "מנהרות תשתית".

מכון המחקר של קפאת־עד ביקוטסק^[61] בראשות ניקיטה זימוב ( the Northeast Science Station in Yakutia), מצא שניתן למנוע שקיעה של בניינים גדולים לתוך הקרקע באמצעות שימוש ביסודות השקועים לעומק של 15 מטרים או יותר.^[62] בעומק זה הטמפרטורה אינה משתנה עונתית, כשהיא קבועה על -5°C.

מבני דרך

כבישים מהירים באלסקה באזור קפאת-העד, נבנים במבני דרך הכוללים סוללות. במחקר ותצפיות אורך נמצאו עדויות להתפתחות טאליק מתחת לכבישים מהירים. להימצאות הטאליקים בסוללות הדרכים יש השפעה מזיקה על היציבות המכנית והתרמית של תשתית מבנה הדרך.^[7]

• 
  בניינים מודרניים באזורי קפאת־עד נבנים על עמודים כדי למנוע כשל של היסודות בשל הפשרה של קפאת־העד מהחום שנפלט מהבניין
• 
  צינורות חימום בתומכות האנכיים שומרים בועה קפואה סביב חלקים מקו צינור הנפט טראנס־אלסקה שנמצאים בסיכון להפשרה
• 
  עמודים המשמשים יסודות למבנים ביקוטסק, עיר הבנויה על קפאת־עד

החייאה של אורגניזמים שהשתמרו בקפאת־עד

ב־2012, הוכחו חוקרים רוסים שקפאת־עד יכולה לשמש כמחסן שימור טבעי לצורות חיים עתיקות בעזרת החייאה של הצמח Silene stenophylla מרקמת תאים של הצמח בן 30,000 שנים שנתגלה בחפירה בקפאת־עד סיבירית. הצמח פורה, ייצר פרחים לבנים וזרעים שניתן היה לגדל מהם. המחקר הוכיח שרקמת תאים יכולה לשרוד שימור בקרח למשך עשרות אלפי שנים.^[63] כמו כן, הצליחו חוקרים להשיג לראשונה נתונים המצביעים על יכולת של אורגניזם רב תאי מסוג נמטודה (תולעת נימית) להתעורר לחיים, ולשרוד הקפאה של עשרות אלפי שנים, מתוך דגימה של משקעי קפאת-עד מעידן הפליסטוקן.^[64][65]

ראו גם

• ליבת קרח

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קפאת-עד בוויקישיתוף

• קפאת-עד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

• International Permafrost Association (IPA)
• Center for Permafrost
• Global Terrestrial Network for Permafrost
• The great thaw of americas north is coming from the BBC

ביאורים

1. שורת תהליכים הדרגתיים של התבדלוּת והתגבשות היוצרים הבדלים בתוצרי הקפיאה
2. תהליכי קפיאה בטמפרטורות נמוכות מאוד
3. ההגדרה להבדל בין פחמן מומס לחלקיקי פחמן הוא ביכולת של פחמן מומס לעבור מסנן שבו גודל החורים נע בין 0.7 מיקרון ל־0.22 מיקרון בעוד שחלקיקים אינם עוברים אותו, ראו Measuing Dissolved and Particulate Organic Carbon (DOC and POC).
4. התרוממות קרקע נמוכה סגלגלה שנוצרה עקב לחץ קרח שהתגבש מתחת לקרקע
5. גבעות עד גובה של 70 מטרים שנוצרו עקב לחץ קרח שהתגבש מתחת לקרקע
6. זחילה של קרקע או של בלית על גבי קפאת-עד הנובעת מהפשרה של שכבת הקרקע העליונה שהופכת רוויות מים ומחליקה על השכבה הקפואה והאטומה מתחתיה. ראו במילון למונחי גאולוגיה של פרופ' שלמה שובאל
7. טאליק הוא גוש אדמה השוכן בתוך אדמה קפואה שאיננו קופא כלל במהלך כל השנה. טאליקים מצוים בדרך כלל מתחת לאגמים שהמים בתחתיתם אינם קופאים בחורף
8. הידרט גזי הם חומרים, בדרך כלל מתאן, דמויי קרח הנוצרים במשקעים בעומק הים. להסבר נוסף ראו Gas hydrates are ice-like substances that form in deep-sea sediments

הערות שוליים

1. קִפְאַת עַד במילון גאוגרפיה (תשי"ט, תשכ"א, תשכ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית
2. The World's Water
3. J. Obu, 2021, "How Much of the Earth's Surface is Underlain by Permafrost?, Journal of Geographical Research: Earth Surface 126(5)
4. Youhua Ran et al., 2022, "New high-resolution estimates of the permafrost thermal state and hydrothermal conditions over the Northern Hemisphere, Earth System Science Data 14(2)
5. What is Permafrost?
6. Harvey, Fiona (21 February 2013). "1.5C rise in temperature enough to start permafrost melt, scientists warn".
7. l. Chen, [10.1029/2002WR032578 Subsurface Porewater Flow Accelerates Talik Development Under the Alaska Highway, Yukon: A Prelude to Road Collapse and Final Permafrost Thaw?], AGU )Advancing Earth ana Space Science) Volume59, April 2023, עמ' Issue4
8. Louise M. Farquharson, Vladimir E. Romanovsky  , Alexander Kholodov   and Dmitry Nicolsky , Sub-aerial talik formation observed across the discontinuous permafrost zone of Alaska, Nature Geoscience 15, 2022, עמ' 475–481
9. Ruby Mellen and Natalya Saprunova, Siberia’s ice is melting, revealing its past and endangering its future, The Washington Post, ‏03 ינואר 2024
10. Near-surface permafrost degradation: How severe during the 21st century?
11. Desonie, Dana (2008). Polar Regions: Human Impacts. New York: Chelsea Press. ISBN 978-0-8160-6218-8
12. Tarnocai, C.; Canadell, J.G.; Schuur, E.A.G.; Kuhry, P.; Mazhitova, G.; Zimov, S. (June 2009). Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region
13. Editorial: Organic carbon pools in permafrost regions on the Qinghai–Xizang (Tibetan) Plateau
14. J. Ross Mackay, Problems in the origins of massive icy beds, Western Arctic, Canada pages = 223–8
15. Mikhail Kanevskiy, Chien-Lu Ping, Permafrost of Northern Alaska
16. Gilbert et al., 2016, "Recent Advances (2008–2015) in the Study of Ground Ice and Cryostratigraphy, Permafrost and Periglac. Process. 27, pp. 384–385
17. Yurij Vasil'chuk, Classification tree of massive ice bodies, 2012
18. H. M. French, D. G. Harry' Observations on buried glacier ice and massive segregated ice, western arctic coast, Canada
19. Coulombe et al., 2019, "Origin, burial and preservation of late Pleistocene-age glacier ice in Arctic permafrost (Bylot Island, NU, Canada), The Cryosphere 13(1), pp. 97–98
20. Fu et al., 2022, "Water Migration and Segregated Ice Formation in Frozen Ground: Current Advances and Future Perspectives, Frontiers in Earth Science 10
21. Jasper Knight, Stephan Harrison, Periglacial and Paraglacial Processes and Environments, Page 60
22. Sharp, Robert Phillip. Living Ice: Understanding Glaciers and Glaciation. Cambridge University Press. p. 27. ISBN 0-521-33009-2.
23. Robinson, S.D.; et al. (2003), "Permafrost and peatland carbon sink capacity with increasing latitude", in Phillips; et al. (eds.), Permafrost (PDF), Swets & Zeitlinger, pp. 965–970, ISBN 90 5809 582 7, נבדק ב-2014-03-02
24. Deep-seated relic permafrost in northeastern Poland
25. Osterkamp, T. E. (2001), "Sub-Sea Permafrost", Academic Press: 2902–12, נבדק ב-2014-11-08
26. IPCC AR4 (2007). "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis". אורכב מ-המקור ב-2014-04-13. נבדק ב-12 באפריל 2014. {{cite web}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: שימוש בפרמטר authors (link)
27. Lunardini, Virgil J. (באפריל 1995). "Permafrost Formation Time" (PDF). CRREL Report 95-8. Hanover NH: US Army Corps of Engineers Cold Regions Research and Engineering Laboratory. p. 18. ADA295515. {{cite web}}: (עזרה)
28. McGuire, A.D., Anderson, L.G., Christensen, T.R., Dallimore, S., Guo, L., Hayes, D.J., Heimann, M., Lorenson, T.D., Macdonald, R.W., and Roulet, N. (2009). "Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change". Ecological Monographs. pp. 523–555. doi:10.1890/08-2025.1. אורכב מ-המקור ב-2015-03-29. נבדק ב-2016-01-23.{{cite web}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
29. Pidwirny, M (2006). "Periglacial Processes and Landforms". Fundamentals of Physical Geography.
30. Kessler MA, Werner BT (בינואר 2003). "Self-organization of sorted patterned ground". Science. 299 (5605): 380–3. doi:10.1126/science.1077309. PMID 12532013. {{cite journal}}: (עזרה)
31. Sidorchuk, Aleksey, Borisova Olga and Panin; Andrey; “Fluvial response to the late Valdai/Holocene environmental change on the East European plain”
32. Southern migration of westerlies in the Northern Hemisphere PEP II transect during the Last Glacial Maximum
33. Malde, H.E.; “Patterned Ground in the Western Snake River Plain, Idaho, and Its Possible Cold-Climate Origin”; in Geological society of America Bulletin; v. 75 no. 3 (March 1964); pp. 191-208
34. Inventory of fossil cryogenic forms and structures in Patagonia and the mountains of Argentina beyond the Andes
35. Characteristics and palaeoenvironmental significance of relict sorted patterned ground, Drakensberg plateau, southern Africa
36. Climate Change 2013: The Physical Science Basis Approved Summary for Policymakers IPCC 2013 IPCC Reports
37. Warming hits 'tipping point' The Guardian
38. The effect of permafrost thaw on old carbon release and net carbon exchange from tundra Nature
39. "Thaw point" The Economist
40. "High risk of permafrost thaw"
41. Bridging the Emissions Gap. A UNEP Synthesis Report
42. Larry D. Dyke, Wendy E. Sladen (2010). "Permafrost and Peatland Evolution in the Northern Hudson Bay Lowland, Manitoba". doi:10.14430/arctic3332. אורכב מ-המקור ב-2014-08-10. נבדק ב-2016-01-23.{{cite web}}: תחזוקה - ציטוט: שימוש בפרמטר authors (link)
43. Grosse, G.; Romanovsky, V.; Nelson, F.E.; Brown, J.; Lewkowicz, A.G. (במרץ 2010). "Why Permafrost Is Thawing, Not Melting" (PDF). Eos, Transactions, American Geophysical Union. p. 87. Bibcode:2010EOSTr..91...87G. doi:10.1029/2010EO090003. {{cite web}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
44. Walter KM, Zimov SA, Chanton JP, Verbyla D, Chapin FS (בספטמבר 2006). "Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming". Nature. 443 (7107): 71–5. doi:10.1038/nature05040. PMID 16957728. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
45. Picea mariana
46. Stevens, William K. (1998-08-18). "Dead Trees and Shriveling Glaciers as Alaska Melts". The New York Times. נבדק ב-2007-12-19. Here and there, roadside utility poles destabilized by the melting tilt at crazy angles. So do trees, creating a phenomenon known as drunken forest.
47. de Villiers, Marq (2001). Water: The Fate of Our Most Precious Resource. Boston: Mariner Books. ISBN 0-618-12744-5. …caused what the locals call "drunken forests," the trees tilting and leaning…
48. Hansen et al. 2007. Viability, diversity and composition of the bacterial community in a high Arctic permafrost soil from Spitsbergen, Northern Norway
49. Bloom, A. A.; Palmer, P. I.; Fraser, A.; Reay, D. S.; Frankenberg, C. (2010). "Large-Scale Controls of Methanogenesis Inferred from Methane and Gravity Spaceborne Data". Science. 327 (5963): 322–325. Bibcode:2010Sci...327..322B. doi:10.1126/science.1175176. PMID 20075250.
50. Walter, K. M.; Chanton, J. P.; Chapin, F. S.; Schuur, E. A. G.; Zimov, S. A. (2008). "Methane production and bubble emissions from arctic lakes: Isotopic implications for source pathways and ages". Journal of Geophysical Research. 113: G00A08. Bibcode:2008JGRG..11300A08W. doi:10.1029/2007JG000569.
51. Zimov, Sa; Schuur, Ea; Chapin, Fs, 3Rd (יוני 2006). "Climate change. Permafrost and the global carbon budget". Science. 312 (5780): 1612–3. doi:10.1126/science.1128908. ISSN 0036-8075. PMID 16778046. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
52. Shakhova, Natalia (2005). "The distribution of methane on the Siberian Arctic shelves: Implications for the marine methane cycle". Geophysical Research Letters. 32 (9): L09601. Bibcode:2005GeoRL..3209601S. doi:10.1029/2005GL022751.
53. Shakhova, Natalia; Semiletov, Igor (2007). "Methane release and coastal environment in the East Siberian Arctic shelf". Journal of Marine Systems. 66 (1–4): 227–243. Bibcode:2007JMS....66..227S. doi:10.1016/j.jmarsys.2006.06.006.
54. Gillis, Justin (16 בדצמבר 2011). "As Permafrost Thaws, Scientists Study the Risks". The New York Times. {{cite news}}: (עזרה)
55. Huggel, C.; Allen, S.; Deline, P.; et al. (ביוני 2012), "Ice thawing, mountains falling; are alpine rock slope failures increasing?", Geology Today, 28 (3): 98–104, doi:10.1111/j.1365-2451.2012.00836.x {{citation}}: (עזרה)
56. Siberia's enormous hole in the ground is getting bigger
57. Home, International Permafrost Association, ‏2024-01-23 (ב־Canadian English)
58. Shamsher Prakash, Hari D. Sharma, Pile Foundations in Engineering Practice
59. Clarke, Edwin S. (2007). Permafrost Foundations—State of the Practice. Monograph Series. American Society of Civil Engineers. ISBN 978-0-7844-0947-3. נבדק ב-2014-02-28.
60. Ma Wei,, Cheng Guodong, Wu Qingbai, Construction on permafrost foundations: Lessons learned from the Qinghai–Tibet railroad
61. Far Eastern Federal University may open Arctic campus at major polar station, arctic.ru, ‏2017-10-05
62. Yakutsk: museums permafrost, as well as archeology and ethnography
63. "Russians revive Ice Age flower from frozen burrow". 21 בפברואר 2012. {{cite web}}: (עזרה)
64. A. V. Shatilovich, A. V. Tchesunov, T. V. Neretina, I. P. Grabarnik, S. V. Gubin, T. A. Vishnivetskaya, T. C. Onstott, E. M. Rivkina, Viable Nematodes from Late Pleistocene Permafrost of the Kolyma River Lowland, Doklady Biological Sciences 480, 2018-05, עמ' 100–102 doi: 10.1134/S0012496618030079
65. Lyubov Shmakova, Stas Malavin, Nataliia Iakovenko, Tatiana Vishnivetskaya, Daniel Shain, Michael Plewka, Elizaveta Rivkina, A living bdelloid rotifer from 24,000-year-old Arctic permafrost, Current Biology 31, 2021-06, עמ' R712–R713 doi: 10.1016/j.cub.2021.04.077

ערך מומלץ