Canada - The Permafrost Region

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung

II. Aufbau des Permafrost und natürliche Einflüsse
1. Zusammensetzung des Permafrost
2. Natürliche Einflüsse und Prozesse im Permafrost

III. Die Verbreitung des Permafrost in Kanada

IV. Technische Schwierigkeiten im Permafrostbereich

V. Schlussbemerkung

Literaturverzeichnis

Anhang

I. Einleitung

Dauerhaft gefrorener Boden, so genannter Permafrostboden, im weiteren Permafrost genannt, lässt sich in 22 – 25 Prozent der eisfreien Erdoberfläche nachweisen. Einige Permafrostböden stammen aus der letzten Eiszeit, in anderen Gebieten bildete er sich erst nach der letzten Eiszeit. (Bloom, 1998, S. 309) Der Permafrost befindet sich in stetigem Wandel und die Mächtigkeit seiner Schichten variiert.

Die wissenschaftliche Erforschung des Permafrost begann erst in den vierziger Jahren dieses Jahrhunderts, obwohl schon im vergangenen Jahrhundert Temperaturmessungen in den Permafrostböden Sibiriens vorgenommen wurden. Der Bau des Alaska Highway 1942 brachte die ersten Fortschritte in der Permafrostforschung, die in den vergangenen sechzig Jahren immer mehr Beachtung fand. Regelmäßige Konferenzen finden seit 1963 statt und zur globalen, interdisziplinären Forschung wurde 1983 die International Permafrost Association (IPA) gegründet. (Schrott, 1999, S.13)

In Kanada lagern, ähnlich wie in Sibirien, gewaltige Ressourcenvorkommen in der Permafrostgegend. Ihre Förderung erweist sich als sehr schwierig, denn die Installation der benötigten Infrastruktur stellt die Ingeneure vor große Probleme. Der Permafrost ist zur Bebauung eigentlich nicht geeignet. Durch Tauprozesse verliert der Permafrostboden schnell an Stabilität, so dass aufwändige Konstruktionen, durch die das thermische Gleichgewicht an der Bodenoberfläche gehalten werden kann, notwendig sind.

Die folgende Arbeit erläutert das Entstehen von Permafrost und seine Eigenschaften. Es wird die Ausbreitung des Permafrostbodens in Kanada beschrieben und auf Schwierigkeiten in der Nutzung der Permafrostgegenden eingegangen.

II. Aufbau des Permafrost und natürliche Einflüsse

1. Zusammensetzung des Permafrost

Die erste Definition für den Permafrostboden formulierte S. W. Muller 1947. Muller verstand unter Permafrost Boden, Sedimente oder Grundgestein in beliebiger Tiefe mit kontinuierlichen Minusgraden für mindestens zwei Jahre. Die Definitionen erfolgen meist über Temperatur-, und Niederschlagswerte. Für die Entstehung von Permafrost ist ein jährliches Mittel von mindestens -1°C oder kälter notwendig. In mindestens neun Monaten muss die generelle Tagestemperatur unter 0°C betragen, sowie in mindestens sechs Monaten unter -10°C. Temperaturen über 20°C werden selten erreicht. Die Niederschlagsmenge in den Wintermonaten ist geringer als 100 mm pro Quadratmeter, und im Sommer geringer als 300 mm pro Quadratmeter. Für derartige klimatische Beschaffenheiten sind antizyklische, kontinentale, polare Luftmassen verantwortlich. In manchen Definitionen wird das Vorkommen von Eis als Grundvoraussetzung für Permafrost vorausgesetzt. Da aber auch trockene Permafrostböden existieren, welche die zur Eisbildung benötigte Feuchtigkeit nicht aufweisen, ist dies kein zwingendes Kriterium. In diesen Fällen spricht man von Grundeis beinhaltendem Permafrost. (Summerfield, 1993 S. 294)

Der Aufbau des Permafrost hängt mit den natürlichen Gegebenheiten zusammen, denen er ausgesetzt ist. Gewöhnlich ist eine dünne Auftauschicht, der active layer, zu finden. Dies ist eine Schicht, die durch Tau- und Gefrierprozesse „aktiv“ ist. Die Mächtigkeit des active layer kann bis zu drei Meter betragen. (Summerfield, 1993, S. 294) Beeinflussend für die Mächtigkeit wirken bestimmte klimatische Verhältnisse, besonders die Bodentemperatur, beziehungsweise die jahreszeitlichen (in Subpolarzonen) und die tageszeitlichen (in außerpolaren Hochgebirgen) Temperaturschwankungen. Mit zunehmender Bodentemperatur wächst die Mächtigkeit des active layer, von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Außerdem wirken topographische und geologische Einflüsse sowie die thermische Isolierung des Bodens durch Schnee und Vegetation auf die Auftauschicht. Der active layer ist dicker

an Stellen ohne Vegetation, da der Boden dort unter anderem der Sonnenstrahlung

stärker ausgesetzt ist, als an Stellen mit einer flächenhaften, isolierend wirkenden Vegetationsschicht. In grobkörnigem Material taut in den Sommermonaten eine größere Schicht auf als in Böden mit feinkörnigem Material. Im Permafrost ist Pflanzenwachstum nur in der Auftauschicht möglich. (Graf, 1987, S. 585 f.)

Im Anschluss an den active layer kommt der eigentliche Permafrostboden, der nie auftaut, da sich ab einer gewissen Tiefe die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen nicht mehr bemerkbar machen. Dieser ist wiederum unterteilt in eine thermoaktive Schicht (bis zu 20 Metern), in der sich Temperaturschwankungen noch bemerkbar machen und die isothermische Permafrosttafel, die konstante Temperaturen aufweist. (vgl. Abb. 1) (www.g-o.de)

Die Mächtigkeit des Permafrost wird unter anderem beeinflusst durch die Niederschlagsintensität, die Bodenfeuchtigkeit, die Vegetationsdecke und dem Grundwasserdruck. Je nachdem, wie stark diese Faktoren auf den Boden wirken, wird der Permafrost klassifiziert in kontinuierlichen (ohne Auftauschicht) und diskontinuierlichen Permafrost (mit Auftauschicht). Die Grenze von kontinuierlichem zu diskontinuierlichem Permafrost liegt bei der -5°C Isotherme der Bodentemperatur. Daneben tritt noch sporadischer (nicht flächenhafter) Permafrost auf. In Hochgebirgslagen existiert teilweise alpiner Permafrost. (Bloom, 1998, S. 309f.) Bei Bohrungen in der Beaufortsea wurde auch dauerhaft gefrorener Boden entdeckt, man spricht von submarinem Permafrost. Es handelt sich hierbei um ein Relikt aus der letzten Eiszeit. Dieser submarine Permafrost wird durch die Meerestemperatur erwärmt und verschwindet langsam. (Stäblein, 1979, S. 33)

2. Natürliche Einflüsse und Prozesse im Permafrost

Der Permafrost wird jedoch noch von weiteren Faktoren beeinflusst. Eine wichtige Rolle spielt die Bodenzusammensetzung. Dunkler Boden erhitzt sich schneller als heller und kann so das Auftauen des Bodens begünstigen. Entscheidend für die Neubildung und das Bestehen von Permafrost ist auch die Wärmeleitfähigkeit des Bodens. Die Wärmeleitfähigkeit ist abhängig von der Bodenart, den Temperaturdiffe-

renzen sowie dem Wasseranteil im Boden. So haben tonige, gefrorene Böden mit

einem hohen Eisgehalt eine drei- bis zehnmal so hohe Wärmeleitfähigkeit als feuchtigkeitsarme, aufgetaute, sandige Böden. Grobes Gestein bildet größere Porenräume für Wasser, das zu Eis gefriert und so für eine schnellere Auskühlung des Bodens in den Wintermonaten sorgt. Eine humose Bodendecke beziehungsweise eine Torfschicht hat im Sommer eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass der Boden in den Sommermonaten nicht so schnell auftauen kann und im Winter ganz zufriert. Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit des Bodens sind außerdem bestimmt durch die Vegetationsformation. Einen mehr oder weniger isolierenden Einfluss hat die Schneedecke in Zusammenhang mit der Vegetation auf den Boden. Im Waldland

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