05 Actividad en suelos congelados

NOMBRE: ACTIVIDAD DE LOS SUELOS CONGELADOS
(Con contribuciones de O. Humlun, E. Melnikov, M. Rasch, N.N. Romanovskii. Revisado Marzo
2004)
BREVE DESCRIPCIÓN
Los suelos congelados, o permafrost, afectan a un 13% (18 millones de km 2) de los suelos del
mundo y se encuentran casi en el 25 % de la superficie de nuestro planeta. En los permafrost,
en otras áreas criogénicas (periglaciares) y en regiones templadas donde se produce un fuerte
congelamiento y descongelamiento estacional de suelos, un amplio abanico de procesos
conducen a una variedad de expresiones superficiales, muchas de las cuales tienen profundos
efectos sobre las estructuras y los asentamientos humanos, así como también sobre los
ecosistemas. Estos rasgos periglaciares característicos se encuentran próximos a los glaciares,
en la alta montaña (hasta en bajas latitudes) y alrededor de las regiones polares. El desarrollo
(agradación) o degradación de los permafrost es un indicador sensible y temprano de los
cambios climáticos [ver: Régimen de la temperatura subsuperficial]. Entre los parámetros
abióticos importantes relacionados a las regiones afectadas por los permafrost se incluye:
1. Espesor de la capa activa: el espesor de la capa activa –la zona de congelamientodescongelamiento anual situada sobre el permafrost– determina no solamente la
resistencia integral o total del suelo sino también muchos de los procesos físicos y
biológicos que tienen lugar en los terrenos periglaciares. La humedad y la temperatura del
suelo, la litología y la morfología del paisaje ejercen controles importantes sobre el espesor
de la capa activa. La humedad y la temperatura del suelo dependen ampliamente de los
factores climáticos, incluyendo el espesor y la duración de la cubierta helada, por lo que si
la temperatura media anual del aire se eleva varios grados Celsius, el espesor de la capa
activa puede tomar entre años y décadas en dar respuesta.
2. La hinchazón por congelamiento debido a heladas es un proceso físico básico asociado
tanto con el congelamiento invernal cercano a la superficie como con la agradación más
profunda de los permafrost. Esta hinchazón puede desplazar edificios, caminos, tuberías,
sistemas de drenaje y otras estructuras. Muchos suelos congelados tienen un contenido
mucho mayor de agua que sus equivalentes secos y experimentan dilataciones locales del
10% al 20% en su volumen durante el congelamiento. El proceso de levantamiento por
congelación y las consecuencias del descongelamiento tienen gran importancia en el
desarrollo de muchas de las características peculiares de los terrenos helados, incluyendo
los montículos perennes y túmulos estacionales, suelos estructurados, palsas e
hidrolacolitos (pingos).
3. Las fisuras por congelamiento son fracturas profundas formadas por contracción térmica de
las rocas o suelos congelados con un substancial contenido de hielo. Comúnmente estas
fisuras se intersectan para crear figuras poligonales, las cuales pueden conducir a la
formación de cuñas de hielo y materiales superficiales. La frecuencia de la fisuración está
asociada a la intensidad del frío invernal. Donde el clima se está calentando los cuñas de
hielo son reemplazadas por cuñas de hielo dispersas, sobre períodos decenales o más
largos.
4. Los icings, o formaciones de hielo, son masas tabulares de hielo estratificado formadas en
la superficie del terreno, o sobre el hielo de ríos o lagos, por congelamiento de flujos
sucesivos de agua que pueden aflorar desde el suelo, provenir de manantiales o emerger
del hielo de los ríos o lagos a través de fisuras. Para el Hemisferio Norte, la potencia de los
icings en las porciones septentrionales de la zona de permafrost puede variar anualmente,
incrementándose durante los inviernos fríos con menores coberturas de nieve, combinadas
con precipitaciones otoñales. Más al norte, los icings incrementan su tamaño pero
disminuyen en número cuando el clima se enfría, y viceversa cuando se calienta.
5. La termoerosión se refiere a la erosión hídrica combinada con efectos termales sobre el
suelo congelado. Dentro de las cárcavas pueden desarrollarse pequeños canales de varios
kilómetros, que crecen a razón de 10 a 20 m/año mientras que, en depósitos arenosos, a
razón de 1 m/hora. Los principales factores climáticos que controlan la intensidad de la
termoerosión son el régimen de fusión de la nieve y las precipitaciones estivales.
6. El termokarst se refiere a una serie de características que aparecen en áreas de relieve
suave cuando el permafrost con exceso de hielo se funde. Están irregularmente distribuidos
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e incluyen montículos y túmulos (mamelones), depresiones llenas de agua, “bosques
saturados”, flujos de lodo en terrenos de pendiente, nuevos marjales y otras formas de
hundimiento por descongelación que son causantes de muchos de los problemas
geotécnicos e ingenieriles que se encuentran en los paisajes periglaciarios. En cualquier
lugar donde se dé un congelamiento repetido de suelos, los rasgos del termokarst, una vez
formados, son muy proclives a persistir.
7. Los suelos congelados se caracterizan por presentar un amplio rango de movimientos
lentos pendiente abajo que involucran la reptación, tales como glaciares de roca y
criofluxión, así como muchos deslizamientos y aludes de nieve más rápidos [ver:
Deslizamiento de taludes].
8. Los terrenos con permafrost podrían estar sostenidos, en algunos lugares, por terrenos
helados, masivos, superficiales. Cuando estos quedan expuestos por deslizamientos o
erosión costera pueden sufrir movimientos de creep que es de interés para estudios de
riesgo, proyectos ingenieriles y para evaluar impactos de cambio global.
9. Las temperaturas del permafrost y de la capa activa pueden variar con la profundidad para
producir información valiosa de las condiciones climáticas superficiales del pasado [ver
régimen de la temperatura subsuperficial].
SIGNIFICADO
Los permafrost son un agente del cambio ambiental que influye en los asentamientos humanos
y en los ecosistemas naturales y explotados, tales como bosques, pastizales y praderas,
montañas y humedales, y en sus sistemas hidrológicos. Los permafrost pueden ampliar
muchos cambios climáticos, por la liberación de carbono y otros gases invernadero. Se ha
estimado que alrededor de un 12% del carbono terrestre mundial es emitido por materia
orgánica muerta en las capas activas y en permafrost: el calentamiento climático a largo plazo
facilitaría la descomposición y el desecamiento, liberando enormes cantidades de metano y
CO2 [ver: Humedales: extensión, estructura e hidrología]. Los permafrost pueden ocasionar
serias y costosas interrupciones por subsidencia del terreno, rupturas de taludes, icings y otros
procesos criogénicos.
CAUSA HUMANA O NATURAL
El congelamiento y el descongelamiento de los suelos y materiales superficiales, y los
consecuentes cambios en el terreno, son procesos naturales controlados por las condiciones
climáticas. Pueden ser modificados por acciones humanas en y alrededor de los asentamientos
y obras de ingeniería.
AMBIENTE DONDE ES APLICABLE
Latitudes altas y altitudes pronunciadas (desiertos helados y árticos, tundras, taigas,
montañas) donde el congelamiento de suelos es amplio.
SITIOS DE MONITOREO
Regiones polares con vegetación, localidades situadas a gran altitud, áreas donde hay
perturbaciones evidentes de la capa activa (por ejemplo: icings, polígonos, taludes inestables,
áreas de hinchazón por congelamiento.
ESCALA ESPACIAL
De parcela a mesoescala / de regional a continental.
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MÉTODOS DE MEDICIÓN
Hay muchas aproximaciones al monitoreo de la actividad de los suelos congelados:
1. El espesor de la capa activa puede ser fácilmente medido –excepto en suelos gruesos y
guijarrosos o pedregosos– sondeando con una varilla de acero. Las técnicas geofísicas,
tales como los sondeos con radar, se pueden usar para detectar cambios relativamente
amplios en la profundidad de descongelamiento. Se pueden obtener medidas más
cuidadosas usando tubos de hielo relativamente baratos, los que se pueden utilizar en
cualquier intervalo de tiempo, aunque, idealmente, los datos sobre la capa activa se
deben recoger a intervalos regulares, comenzando en la temporada de fusión de nieves
hasta la del congelamiento anual. Los pruebas de temperatura del suelo son también
útiles y bastante económicas. [ver: Régimen de la temperatura subsuperficial].
2. La hinchazón por congelamiento se puede determinar mediante punzones o marcadores
(scribers) colocados en la parte externa de los tubos de hielo o por otro tipo de
registradores de punzón, que permiten medir el máximo combamiento anual. La
hinchazón asociada al congelamiento más profundo (agradación del permafrost) se puede
evaluar mediante sucesivas nivelaciones de un área. En el caso de cuencas drenadas,
donde la agradación puede ser muy rápida, son mejores las determinaciones anuales
pero, en general, serán suficientes controles sobre períodos decenales. Los Sistemas de
Posicionamiento Global Diferencial, los que pueden medir cambios verticales de 1 cm o
menos, pueden detectar con precisión la hinchazón por congelamiento y la subsidencia
por derretimiento.
3. El patrón de agrietamiento del hielo sobre las cuñas de hielo puede ser medido
anualmente mediante el uso de cables de rompimiento, que registran la apertura y
expansión de las grietas.
4. La persistencia de los icings durante el verano es un indicador de la calidez relativa de la
estación. En años más fríos, los icings persisten. Donde abundan los manantiales, los
cambios anuales a decenales pueden deducirse a partir de fotos aéreas o imágenes
satelitales secuenciales.
5. La frecuencia y la distribución de la termoerosión y de los termokarst proveen
indicadores de cambios regionales, fácilmente evaluados o medidos durante períodos
anuales y hasta de varias décadas mediante fotos aéreas o imágenes satelitales
secuenciales.
6. La estabilidad de taludes y la reptación pueden medirse a través de la instalación de
tubos inclinómetros; aunque éstos pueden tornarse inoperantes cuando la reptación es
considerable.
7. La distribución de la cubierta helada y su duración puede ser medida aun en sitios
remotos empleando fotografías automáticas periódicas.
FRECUENCIA DE MEDICIÓN
Como se mencionó antes, depende del tipo de perturbación que se está monitoreando. Ciertas
características necesitan ser controladas semanalmente o varias veces durante la estación
veraniega; otras, a intervalos anuales o decenales.
LIMITACIONES DE LOS DATOS Y DEL MONITOREO
Es difícil realizar trabajo de campo en áreas de fusión activa sin perturbar los suelos
incosistentes y las geoformas o sin dañar ecosistemas sensibles. En respuesta a las
condiciones locales altamente variables, las redes instaladas para monitorear el desarrollo de
los polígonos deben permanecer en el lugar o ser renovadas año a año.
APLICACIONES AL PASADO Y AL FUTURO
Los permafrost y otras características criogénicas registran selectivamente los cambios
climáticos a través de sus registros térmicos y estratigráficos. Los rasgos fósiles formados
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durante episodios previos de congelamiento-descongelamiento pueden usarse para indicar e,
incluso, datar la presencia pasada de permafrost, por cuanto las formas degradacionales en
áreas actuales de permafrost indican ya sea antiguos períodos calurosos o inestabilidad
térmica actual.
POSIBLES UMBRALES
La transición congelamiento-descongelamiento es un umbral principal, que, una vez
franqueado, puede llevar al desarrollo de varias geoformas, algunas de las cuales (por ejemplo
el termokarst) son irreversibles, al menos dentro de escalas temporales inferiores al siglo.
Muchas características de los suelos congelados están estrechamente vinculadas al régimen
térmico del terreno, y los cambios en las condiciones de humedad, de vegetación o de la capa
de hielo pueden resaltar los cambios en la temperatura del aire [ver: Régimen de la
temperatura subsuperficial].
REFERENCIAS CLAVES
French, H.M. 1996. The periglacial environment. 2nd edition. Harlow: Longman, 341p.
Romanovskii, N., G.F.Gravis, M.O.Leibman & E.Melnikov 1996. Periglacial processes as
geoindicators in the cryolithozone. In Berger, A.R. & W.J.Iams (eds). Geoindicators: Assessing
rapid environmental changes in earth systems: p.33-54. Rotterdam: A.A. Balkema. (see also
paper in same volume by Rasch et al.)
Williams, P.J. & M.W.Smith 1989. The frozen Earth - fundamentals of geocryology.
Cambridge: Cambridge University Press.
Wolfe, S.A. (ed.) (1998). Living with frozen ground - A field guide to permafrost in
Yellowknife. Geological Survey of Canada, Miscellaneous Report 64, 71 pp
OTRAS FUENTES DE INFORMACIÓN
Red canadiense de monitoreo de permafrost, Red del Programa Circumpolar de Monitoreo de la
Capa Activa, Centro de Datos del Terreno Congelado (US National Snow and Ice Data Center),
Asociación Internacional del Permafrost (International Permafrost Association), Experimento
Internacional Tundra (International Tundra Experiment), Centro-A Mundial de Datos para
Glaciología (World Data Center A for Glaciology.
ASPECTOS AMBIENTALES Y GEOLÓGICOS RELACIONADOS
Los efectos del descongelamiento son peligrosos para los hábitats humano y animal, y los
ecosistemas de permafrost son fácilmente perturbados. Los terrenos de permafrost pueden
contener gas húmedo, sustancias parecidas al hielo compuestas de agua y gas natural, las
cuales cuando se liberan por derretimiento pueden contribuir al calentamiento climático.
EVALUACIÓN GENERAL
La actividad en los suelos congelados (permafrost y ambientes periglaciares) es sensible al
clima local, a la hidrología y a la cobertura vegetal. Además del espesor de la capa activa, que
es el indicador más útil de los cambios ambientales locales, la mayoría de las características de
los suelos congelados refleja el cambio regional en relación al punto de congelamiento y
requiere mucho esfuerzo para ser monitoreado.
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Edificio dañado por derrretimiento de y asentamiento diferencial en NE Yakutia, Russia. Foto
inferior izquierda: suelo congelado expuesto en una depresión de termokarst, Fairbanks,
Alaska. (V. Romanovsky)
Termoerosión debida a la fusión del suelo congelado y el permafrost en la Península
Yuogorsky, costa Arctica de Rusia. La escala dada por las figurasen la parte superior del
acantilado y el pequeño bote. (Alexander Kizyakov)
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Los glaciares de roca son cuerpos de rocas sueltas (talud, derrubios) "lubricadas" por hielo
intersticial. Este en Disko, Groenlandia, se está moviendo a casi 10-15 cm/año. La cima de la
montaña está csi 800 m por encima del nivel del mar. (Ole Humlun).
La foto inferior izquierda muestra un glaciar de roca de 1 km de largo en Piz Albana, Alpes
Europeos. (W. Haeberle)
Terrenos con diseño: círculos ordenados dentro de la capa activa, Ny Ǻlesund, Spitzbergen.
La foto superior izquierda muestra un dispositivopara monitorear movimientos del terreno (Ole
Humlun)
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“Ríos” móviles de rocas y derrubios (kurums in Russia) son comunes esáreas de suelos
congelados en pendientes suaves a medias. Se midieron movimientos de hasta 15 cm/año, lo
bastante rápido como para dañar caminos y alambrados. Región Northern Trans-Baikal, Rusia.
(A.Turin)
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