永凍層

永凍層（permafrost）又稱永久凍土或多年凍土，是指持續多年凍結的土石層。可分為上下兩層：上層每年夏季融化，冬季凍結，稱活動層，又稱冰融層；下層常年處在凍結狀態，稱永凍層或多年凍層。

凍土層的厚度從高緯到低緯逐漸減薄，以至完全消失。例如，北極的多年凍土厚達千米以上，年平均低溫為-15℃。永凍層的頂面接近地面。向南，趨近連續凍土的南界，多年凍土厚度減到100m以下，低溫為-5～-3℃，永凍層的頂面埋藏變深。大致北緯48°附近是多年凍土的南界，其處平均低溫接近0℃，凍土厚度僅1～2m。超過這一界限，就從連續凍土帶過渡到不連續凍土帶。後者由許多分散的凍土塊體組成，這種分散的凍土塊體稱為島狀凍土塊。中、低緯高山和高原地區的凍土層，主要受海拔高度的控制。一般來說，海拔越高，凍土層越厚，低溫也越低，永凍層頂的埋藏深度越小。土層的凍融變化是土木工程建設中必須考慮的重要因素，處置不當將帶來嚴重後果。

基本介紹

• 中文名：永凍層
• 外文名：permafrost
• 類別：持續多年凍結的土石層
• 厚度：從高緯到低緯逐漸減薄

性質與結構

1、永凍層一般分布在地下30~40厘米處，通常又分為上下兩層，上層夏季融化，下層仍處於冰凍狀態。永久凍土具有暗色或淡色表層，地表具有多邊形土或石環狀、條紋狀等凍融蠕動形態特徵。

青藏高原上的永久凍土

2、永久凍土地帶的泥土不一定有水分，例如在無孔基岩（不透水的岩石）里就不可能有水；但在大多數情況下，水不僅存在，而且更超過地表物料的潛在水飽和量。3、一般的凍土層在氣候回暖或受到強壓時，凍土內的冰會融化成為水；但永久凍土的所在之處，即使在天氣回暖之時，氣溫仍然在凍點以下，使凍土內的冰不能再次融化成為水，因而凍土的組成不改變。其持續冰凍時間可長達1000年以上。

永凍層

4、永久凍土有機質含量不高，腐殖質含量為10~20克每千克，腐殖質結構簡單，70%以上是富里酸，呈酸性或鹼性反應，陽離子代換量低，一般為10厘摩爾/每千克土左右，土壤粘粒含量少，而且淋失非常微弱，營養元素貧乏。

形成條件

永久凍土的形成，需要同時具備以下兩個必要條件：

氣溫要很低

如果年平均氣溫高於零度，雖然可以形成季節性凍土，卻無法形成永久凍土。

持續時間較長

研究發現，北極地區的凍土層一般都有幾百米厚，而大氣的低溫要傳導到地表以下幾百米的深度，要用幾百、幾千年甚至更長的時間才能完成。

形成要素

1.冰雪：永凍層並非一定有冰，也可能只有凍土。不過一般在永凍層之上總是會有積雪或者冰塊。這些雪對於地表會有保溫作用。同時，這些積雪又會幫助地表降溫。在化雪的季節，由於溶化，氣化的發生，產生大量潛伏熱，會帶走熱量，從而降溫。

永凍層

2.土壤中的水：水的導熱性比冰要差很多。土壤中的水可以看做是夏天阻擋外界熱量進入永凍層，冬天允許永凍層的熱量傳出地表。所以可以有效的保證永凍層溫度低於0攝氏度。

3.地表植被：植被可以起到很好的降溫作用。

4.泥炭：泥炭是產生永凍層最重要的因素。尤其是乾泥炭，就像是絕熱的器具可以有效保證永凍層低溫。此外，泥炭中的水分由於吸收了大量潛伏熱，從而使得地表溫度降低，也起到了保證永凍層低溫的作用。

基本類型

1.海底永凍層

2.連續永凍層

3.不連續永凍層

4.山地永凍層

相關研究

北極暖化是否會造成永凍層（permafrost）的快速融化一向為科學家們所關注，新研究指出阿拉斯加部分地區正面臨永凍層快速溶解的窘境。永凍層若大量融解將對全球氣候環境造成不小的衝擊。永凍層是極寒冷地區常見的自然現象之一。相對於活凍層（active layer）岩石與土壤中的水會在冬天結凍，夏天融解；永凍層岩石與土壤中的水則是終年結凍。位在北極附近的阿拉斯加地區，永凍層為地表活凍層所覆蓋，主要分布於地表下30~40公分，其穩定存在年限長達一千年以上。永凍層對環境扮演著重要的角色。譬如，永凍層可作為碳循環中的主要碳去處（sink）之一：由於有機物的分解與二氧化碳的生成受溫度影響，因此北極寒冷的天氣可減緩保存在永凍層內的有機物分解，並降低二氧化碳被釋放到大氣之中。近年來，逐漸升溫的北極氣候已成為許多科學家們的焦點。長期地表觀測資料顯示，過去30年來的增溫現象已促使極區土壤的溫度上升1~3度C。英國科學家，Colin Prentice表示阿拉斯加地區增溫的幅度遠高於全球平均升溫值。然而，若北極溫度持續升高，則永凍層很可能大量融解，但過去的觀測並不能提供明確的答案。

永凍層

分類

按成因分

按成因，永久凍土可分為冰沼土和凍漠土。

永久凍土

冰沼土（Tundrasoils）：又稱苔原土，中國把冰沼土這一土壤名稱，改為冰潛育土。它分布於極地苔原氣候區和中國黑龍江北部。冰沼土是凍土中具有常潮濕土壤水分狀況，具有碳氮比>13的潛育暗色表層和pH<4.0的斑紋AB層的土壤。

凍漠土（Frozen desert soil）：包括高山荒漠土（Alpin desertsoil）、高山寒凍土（Alpine frozensoil）。該土壤主要發育在中國青藏高原等高山區冰雪活動帶的下部。一般在海拔4000米以上。

按地理位置分

按照地理位置的不同，永久凍土可分為高緯度永久凍土和高海拔永久凍土兩種。

高緯度永久凍土：高緯度永久凍土是指永久凍土在平面上的分布服從緯度分帶的規律，並集中於高緯度地區。中國的高緯度永久凍土集中分布在東北大小興安嶺，面積約38萬平方公里。

高海拔永久凍土：高海拔永久凍土集中於海拔很高的地帶。青藏高原是世界上中、低緯度海拔最高、面積最大的多年凍土分布區，多年凍土面積約150萬平方公里，與高緯度永久凍土相比，高海拔永久凍土具有溫度高、厚度薄和敏感性強的特點。

分布

在全球的分布

地球上的永久凍土約占陸地面積的20%，從世界永久凍土分布來看，主要分布在歐洲、亞洲的北部、北美洲、北冰洋淺大陸架以及中低緯度地區的高山、高原。原蘇聯永久凍土面積約1000萬平方公里，占其國土面積的48%；加拿大永久凍土面積為390-490萬平方公里，占其國土面積的40-50%；中國永久凍土面積約215萬平方公里，約占國土面積的1/5，位居世界凍土面積第三位。

永久凍土

在全球的永久凍土中，冰沼土廣泛分布於北極圈以北的北冰洋沿岸地區，包括歐亞大陸和北美大陸的極北部分和北冰洋的許多島嶼，在這些地區的冰沼土東西延展呈帶狀分布，在南美洲無冰蓋處亦有一些分布。

凍漠土則廣泛分布在中國青藏高原和世界各地的高山地區，如南美安第斯山，紐西蘭南阿爾卑斯山等。

在中國的分布

中國永久凍土的面積較廣。

高緯度永久凍土主要集中分布在大小興安嶺，面積為38~39萬平方公里。高緯度永久凍土是歐亞大陸永久凍土南緣，平面分布服從緯度地帶性規律，即越往海拔高的地方凍土面積越大，厚度越厚。

高海拔永久凍土分布在青藏高原、阿爾泰山、天山、祁連山、橫斷山、喜馬拉雅山，以及東部某些山地，如長白山、黃崗梁山、五台山、太白山等。高海拔永久凍土形成與存在，受當地海拔高度的控制。

研究方式

美國科學家Jorgenson與其研究團隊於近期的Geophysical Research Letters提出北極永凍層快速融化的新發現。他們針對阿拉斯加北部地區進行密集的調查。研究方式以三個管道進行。（1）他們實地探討此地區的植被、土壤、（微）地形變化與地下冰楔（ice wedges）溶化之間的關係；（2）他們利用空照圖判讀1945，1982及2001時期此地區的冰融喀斯特地形（thermokarst）數量變化；（3）他們將空照圖進行影像處理後的頻譜分析，判斷此地區的水體變化。

研究結果

（1）不同階段的地下冰楔溶化過程亦伴隨著不同程度的地表下陷，水潭形成與植被改變，因此觀察冰融喀斯特地形凹陷地的形成，可以表示永凍層的融化程度；（2）冰融喀斯特地形凹陷地的面積於過去廿年間快速擴張，其成長幅度為4.4%。若比較1945至1982與1982至2001期間凹陷地的密度變化，其增長幅度高達74倍，其中新形成的凹陷地占關鍵性的因素。（3）於高地地區，亦可發現許多逐漸增加的冰融喀斯特地形凹陷水潭。對於大型冰楔快速融化的現象，作者認為主要是受到1989~1998年間夏天異常嚴熱所影響；同時，他們也指出，若北極暖化的現象不見改善，永凍層融化的現象將可能影響1/3的北極地區地貌，並嚴重地改變寒帶草原的生態與溫度氣體的生成。Prentice則提出較保守的觀點，他認為永凍層的融化可增加濕地的形成與加速有機物的分解過程，進而增加溫室氣體（甲烷及二氧化碳）的產生；但是，溫室氣體劇速增長的現象並沒有出現在過去的冰蕊記錄中，因此他對於永凍層融化所帶來的影響持保留的態度。

影響

對陸地

東西伯利亞海表面漂浮的冰塊，甲烷氣泡從下面不斷冒出

永久凍土層對陸地環境可產生有益的影響，如分解二氧化碳，減少二氧化碳總量的排放等。

但是，永久凍土的活動層在每年進行的凍融過程中，土層的物理和化學作用均很強烈，對道路和其它各種建築物的危害很大。

此外，2012年4月的研究調查顯示，隨著世界逐漸轉暖，冰封在永久凍土下的世界將會恢復生機，凍土裡的微小生物可能會產生大量溫室氣體，使全球變暖進一步加劇。

永久凍土的土已經被冰封數千年，甚至是幾十萬年，裡面充滿死亡植物和其他在永久凍土形成時出現的曾經有生命的東西。不斷升高的全球氣溫導致這裡面的有機物解凍，微生物開始分解這些有機質。在這個過程中，它們會釋放出大量含碳的溫室氣體。由於永久凍土裡封存了大量的碳，因此凍土解凍可能會導致全球變暖進一步加劇。

對海底

2010年3月5日，據美國國家地理網站報導，美國科學家表示，北極海底正在釋放大量甲烷氣體，他們由此得出結論，海底永久凍土是一個龐大但很大程度上被忽視的溫室氣體來源。溫室氣體與全球氣候變暖有著直接聯繫。

以前的研究發現，北極濕地和湖泊永久凍土融化釋放出甲烷氣體。不過，科學家當時認為，遍布冰冷深海的永久凍土仍將繼續保持冰凍固體狀態，令數量不明的被捕獲的甲烷氣體釋放不出去。領導實施最新研究的美國費爾班克斯大學生物地球化學家納塔莉婭·莎克霍娃表示：“如今，情況已經變了。永久凍土保存這種氣體的能力確實在下降。”

研究人員指出，這種現象極有可能並不限於東西伯利亞海。如果東西伯利亞海的永久凍土正在融化，那么北極大陸架沿線的所有淺海應該也會遭受同樣的影響。

存在生命的研究

2012年12月26日，美俄科學家宣布發現數種生活在西伯利亞永久凍土層中的細菌能在與火星類似的惡劣環境中生存。這表明，地球上的微生物也許能在火星上生存。

科學家們在許多寒冷地區發現一些肉食桿菌屬（Carnobacterium）細菌，隨後科學家們將這些細菌放在28攝氏度的常溫條件下培養，然後用它們測試火星環境，比如缺氧、極端低溫和低壓環境。通常情況下，缺氧、低溫低壓會阻礙大多數微生物的生長。30天試驗後，10000個實驗樣本中有6個能在這些極端條件下存活，而所有倖存個體都是肉食桿菌屬。