Главная причина возникновения многолетней мерзлоты очевидна: это исключительно холодный климат, в условиях которого породы имеют температуры ниже точки их замерзания. Однако в деталях различные физические факторы, от которых зависит температура породы, сложны и в большинстве случаев пока не поддаются количественной оценке. Тепловой поток обычно направлен из внутренней части Земли к ее поверхности, однако он незначителен и поэтому температура на глубине нескольких сотен футов определяется прежде всего количеством солнечной радиации, поглощаемой поверхностью, и теплопроводностью пород (рис. 10.10). Направление теплового потока, а отсюда и ориентировка изотермических поверхностей зависит от пространственного распределения скальных и осадочных пород с различной теплопроводностью, конрисурации дневной поверхности, переноса тепла циркулирующими водами и температуры поверхности.
Тепловой эффект ускоренной инфильтрации или дренирующихся с большой скоростью подземных вод — наиболее важные факторы в районах островного распространения многолетнемерзлых пород. Ускоренная инфильтрация воды происходит через осыпи, песчаные дюны, валунные поля и покрытые гравием террасы. Наиболее значительная локальная инфильтрация вод наблюдается на осыпях под тающим снегом. Тепла, поступающего с водой в толщу пород, может оказаться достаточным, чтобы предотвратить их замерзание на данном участке и обеспечить прямую инфильтрацию в водоносные горизонты, залегающие ниже многолетнемерзлой толщи. В других случаях вода, инфильтрующаяся через осыпи, проникает лишь на небольшую глубину, вследствие чего образуются локальные зоны, свободные от многолетней мерзлоты. Необходимо отметить, что многие большие родники, появляющиеся летом, возникают просто в результате неглубокой циркуляции талых снеговых вод, замерзающих зимой.
Рис. 10.10. Гипотетические температурные профили для района развития многолетнемерзлых пород. Хотя тепловой поток направлен из недр Земли к ее поверхности, фактические температурные градиенты за данный отрезок времени, а также температуры на той или иной глубине определяются в основном температурой дневной поверхности. Представлен общий случай, когда деятельный слой полностью не оттаивает. Промерзание грунта в глубину в начале зимы задерживает воду в деятельном слое, пока она не начнет мигрировать в боковом направлении или замерзнет в конце зимы.
Потеря тепла за счет кондуктивного переноса в приповерхностном слое рыхлых отложений существенно зависит от влажности пород. Теплопроводность воды примерно в 15 раз больше теплопроводности сухого воздуха. У льда теплопроводность приблизительно в 4 раза превышает теплопроводность воды в жидкой фазе. Из этого следует, что пористый грунт органического происхождения во влажном состоянии может иметь теплопроводность в 10 раз больше, чем в сухом состоянии. Если вода в порах породы замерзает, теплопроводность ее увеличивается. Для практических целей можно считать, что, если почва становится сухой к концу зимы и остается такой в течение всего лета, в нее может поступить лишь небольшое количество тепла, и многолетняя мерзлота сохранится близко к поверхности. В то же время почва, остающаяся сухой всю зиму, но затем насыщающаяся водой за лето, будет вызывать повышение температуры, достаточное, чтобы предотвратить замерзание пород.
Факторы, определяющие температуру поверхности: растительный покров, интенсивность почвенного испарения, температура воздуха, скорость ветра, экспозиция склонов, толщина снежного покрова и окраска почвы имеют важное значение и весьма сложны. Благоприятные условия для сохранения низкой температуры почвы в летнее время создаются в результате затенения склонов, вследствие светлой окраски поверхности, увеличивающей отраженную радиацию, а также благодаря оголенным от снега поверхностям, подверженным действию сильных холодных ветров зимой. Высокая температура почвы отмечается при мощном снежном покрове, экспозиции склонов летом и при темной окраске почвы, поглощающей солнечную энергию.
Незамерзшие поверхности озер и рек поглощают значительное количество солнечного тепла и поэтому имеют более высокую температуру, чем окружающий их грунт. В результате этого тепловой поток направлен от водной массы в сторону грунта и температура последнего удерживается выше точки замерзания. Деятельный слой и более глубокие зоны вблизи крупных водных масс — единственные приповерхностные зоны, не замерзающие в районах Крайнего севера Азии и Америки.
