Fra frossen jord til mudderpøl - når undergrunden bliver ustabil

I denne undersøgelse laver du en model over frosne jordlag (permafrost) i Arktis, som udsættes for et varmere klima. Du undersøger, hvordan opvarmningen påvirker stabiliteten af jordlagene, og hvordan huse og infrastruktur kan blive påvirket, når jordlagene tør op. Du undersøger også, hvilken rolle jordlagenes vandindhold har for stabiliteten af undergrunden.

En almindelig måde at bygge huse på i permafrostområder er at banke stolper ned i de frosne jordlag. Stolperne fungerer som fundament for husene. Husene bygges ovenpå stolperne og skal helst ikke placeres direkte på jorden, for så kan husets varme gøre, at jorden tør op og bliver ustabil. Men hvad risikerer husejerne, at der sker, når den frosne jord tør op på grund af global opvarmning? Det tester du i denne undersøgelse.

Overblik over undersøgelsen:

Du kan finde flere idéer til, hvordan du kan udvide undersøgelsen nederst på siden.

Udstyr (pr. gruppe)

Udstyr til indfrysning af isterninger 

• Fryser 

• 1 isterningepose 

• Postevand 

(INDSÆT MED LILLE SKRIFTTYPE: KLIK HER FOR AT SE VEJLEDNING) 

 

Udstyr til at lave din egen permafrost

• Fryser 

• 4 ens bøtter med låg 

• Vægt 

• Målebæger (200 ml) 

• Postevand 

• Isterninger, ca. 10 – 12 stk. 

• Jord (ca. 1 kg), uden større sten og grene, for eksempel fra en skov i lokalområdet 

• Vandfast pen 

• En spiseske 

• Fugtig(t) klud/papir 

(INDSÆT MED LILLE SKRIFTTYPE: KLIK HER FOR AT SE VEJLEDNING) 

 

Udstyr til måling af aktivlagets tykkelse og undergrundens stabilitet

• Hvid bordplade 

• 4 bøtter frossen jord med forskelligt vandindhold (som du har lavet tidligere) 

• Bomuld (eller bobleplast/hvide klude) til at isolere bøtterne

• Stanniol 

• 4 elastikker 

• Våd jord uden større sten og grene (ca. 250 – 400 g) 

• En vægt 

• 8 søm 

• En hammer 

• 12 tændstikker 

• 2 lamper med ens pærer: Enten en gammeldags glødepære/halogenpære eller en varmepære beregnet til terrarier, 50 – 60 W

• Lineal 

• Vinkelmåler

• 4 cocktailpinde 

• Vandfast pen 

• Rød og blå kuglepen/blyant 

• Et ur 

• Vedhæftet Tabel 2 (INDSÆT LINK)

(INDSÆT MED LILLE SKRIFTTYPE: KLIK HER FOR AT SE VEJLEDNING) 

1. Indfrysning af isterninger

•  Hæld postevand i en isterningpose og læg den fladt i fryseren til næste dag, så vandet er frosset.  

2. Lav din egen permafrost 

Markér bøtterne 

• Skriv dit gruppenavn og henholdsvis ”A”, ”B”, ”C” og ”D” på siden af hver sin bøtte. 

• Brug den vandfaste pen og linealen til at sætte en streg 2,5 cm fra toppen på indersiden af hver bøtte.  
   

Bland jord, vand og is i forskellige mængder

Du skal nu fylde bøtterne op til stregen med jord, vand og isterninger i forskellige mængder. Du kan se nedenunder, hvad for en ønsket konsistens jordblandingerne skal have. Din opgave er at beslutte, hvor meget du skal tilsætte af de forskellige ingredienser for at opnå den ønskede konsistens. 

Bøtten skal stå på en vægt, så du løbende kan veje og notere i Tabel 1, hvor meget du tilsætter af hver ingrediens. Det er en god idé at tilsætte lidt ad gangen af hver ingrediens og røre rundt. Isterningerne er det sidste, du tilsætter for at undgå, at de smelter. Til sidst lægger du tallene sammen for hver enkelt ingrediens, så du har styr på den totale vægt af hver enkelt ingrediens.  

I Figur 1 ser du et eksempel på et muligt blandingsforhold, men da det naturlige vandindhold i jord varierer, kan du ikke bruge værdierne fra figuren direkte. Det er konsistensen af blandingen, som er vigtig i denne undersøgelse. 

Figur 1. Eksempel på muligt blandingsforhold.

• Start med bøtte A hvor du kun tilsætter jord. Notér i Tabel 1 hvor meget jord du har tilsat. Slå bøtten i bordet og pak jorden let med en ske. Tilføj mere jord, så jorden rækker helt op til stregen. Aflæs vægten hver gang du tilføjer jord og notér, hvor meget du tilsatte anden og tredje gang osv. indtil bøtten er fyldt til stregen. Sæt låget på bøtten, tør af med klud og stil bøtten i fryseren. 

• Vælg bøtte D. Den ønskede konsistens er som en tynd suppe. Start f.eks. med ca. 100 g jord og notér vægten i Tabel 1. Tilsæt ca. 100 g vand og notér vægten i Tabel 1. Rør grundigt rundt. Er konsistensen tilpas? Hvis ja, kan du tilsætte mere jord og vand i samme blandingsforhold. Hvis blandingen er for tynd, tilsætter du denne gang lidt mere jord end vand – eller omvendt, hvis blandingen er for tyk. Husk at veje hver gang du tilsætter en ingrediens og notér i tabellen. Rør rundt. Når blandingen rækker næsten helt op til stregen, tilsætter du f.eks. 3 – 4 isterninger, noterer isens vægt og rører rundt. Sæt låget på, tør af med en klud og stil bøtten i fryseren.  

• Vælg bøtte C. Gentag processen, men nu skal konsistensen være tykkere end i D. Blandingen skal være som en tyk suppe med synlige vandpytter. Det vil sige, at der skal være lidt mere vand end jorden kan opsuge, når du har rørt grundigt rundt. Når blandingen rækker næsten helt op til stregen, tilsætter du f.eks. 3 – 4 isterninger, noterer isens vægt og rører rundt. 

• Vælg bøtte B. Gentag processen, men nu skal konsistensen være tykkere end i C. Blandingen skal være en fast mudder – så en teske kan stå lodret i blandingen uden anden støtte. Du tilsætter lidt mindre is i B, f.eks. 1 – 2 isterninger.  

• Stil bøtterne i fryseren med det samme og lad dem stå i mindst 24 timer til blandingerne er gennemfrosne. 

Tabel 1. - Download Tabel 1 her

Dine blandingsforhold 

• Beregn den totale vægt af henholdsvis jord, vand og is i hver bøtte og skriv værdierne ind i rækkerne i Tabel 1, hvor der står et lighedstegn (=). Du kan plotte værdierne i et histogram, der ligner Figur 1. 

• Beregn forholdet mellem vand+is og jord i hver bøtte og skriv værdierne i nederste række af Tabel 1. 

3. Måling af aktivlagets tykkelse og undergrundens stabilitet 

 
Isolér bøtterne og tilføj et lag med jord 

• Hent de fire bøtter med frossen jord fra fryseren.

• Pak hver bøtte ind i et lag bomuldsvat, så bøttens bund og sider er dækket, og derved er isoleret fra de varme omgivelser. Bøttens top skal være fri. Bøtten skal stå vandret.  

• Omkring bomuldsvattet pakker du et lag med stanniol for at isolere endnu mere. Bøttens top skal stadig være fri.  

• Tag låget af bøtterne. Brug en ske til at lægge et tyndt lag med ca. 70 – 100 g fast mudder oven på den frosne jord i hver bøtte. Dette øverste lag repræsenterer jordlaget, der tør op om sommeren, og som ligger oven på
  permafrost-laget – det såkaldte aktivlag.

• Brug en spids pind til at måle tykkelsen af aktivlaget ca. i midten af hver bøtte, ved at stikke pinden så langt ned du kan, og sætte en streg på pinden ved jordens overflade. Stik gerne 3 forskellige steder og vælg det sted, hvor du kan stikke pinden længst ned – vi ønsker den maksimale dybde. Mål længden fra pindens spids til stregen. Dette er aktivlagets tykkelse ved start. Notér tykkelsen og klokkeslættet i Tabel 2, som du finder nedenfor. 

Lav modeller af huse og mål deres hældning 

Nu skal du lave enkle modeller af huse, hvis fundament er bygget ned i permafrosten: 

• Brug hammeren til at slå 2 søm lodret ned i den frosne jord i hver bøtte. I bøtte D skal du sikkert bruge flere kræfter end i bøtte A for at slå sømmene i. Sørg for, at sømmene...
  1. Står lodret.
  2. Står fast i den frosne jord og rækker ca. 2 cm ned fra jordoverfladen. Sømmene i vores kit er markeret med en rød streg ved 2 cm. Stop med at slå sømmet længere ned, når den røde streg lige akkurat kan ses i jordoverfladen.
  3. Står i ca. samme højde og position i alle bøtter.  

• Så skal du lave enkle modeller for bygninger, veje osv., der står oven på permafrosten: 

• Stik 3 tændstikker (”huse”) lodret ned i aktivlaget i hver bøtte. Måske skal du forsigtigt pakke jorden omkring tændstikkerne, for at de skal stå lige og stødt. Lad tændstikkerne stå i samme position i alle bøtter, så vidt muligt. 

• Ved øjemål – og ved hjælp af en vinkelmåler – skal du estimere hældningen på alle søm og tændstikker. Hvis de står lige op, er hældningen 0°. Hvis de ligger fladt ned, er hældningen 90°. Ved start står de fleste ”huse” sikkert nærmest lodret.  

• Kig fra flere sider for at finde den side, hvor sømmet eller tændstikken har den maksimale hældning.

• Tegn hældningen for hvert søm (rød kuglepen) og hver tændstik (blå kuglepen) i Tabel 2.

Tænd for det varme klima 

Du skal nu simulere en opvarmning af atmosfæren, som den Arktis oplever, ved at bruge to varmelamper. 

Sæt bøtterne to og to ind under varmelamperne. Kontrollér, at alle bøtter står i samme afstand fra lamperne, så de modtager samme mængde varme og lys. Lamperne må gerne stå tæt på jordens overflade, da vi er ude efter lampens varmeffekt. Det kan være, at lampen skal løftes ca. 10 cm over bøtterne, for at begge bøtter får nogenlunde jævn varmestråling. 

Spørgsmål: Hvad forventer du, at der sker? Vil der være forskel på, hvad der sker i de fire bøtter? Hvorfor? 

Mål hver ½ time

Følg udviklingen af aktivlagets tykkelse og ”husenes” tilstand. Hver ½ time skal du:

• Måle og notere aktivlagets tykkelse på samme måde som ved start. Hvis du ønsker en grafisk fremstilling af, hvordan aktivlaget udvikler sig over tid, kan du også tilføje datapunkterne til Figur 2. (Brug forskellige farver for bøtte A, B, C og D.) 

• Tegne hældningen for hvert søm (rød kuglepen) og hver tændstik (blå kuglepen). 

• Notere klokkeslættet, når hele bøtten er tøet op, og din målepind rammer bøttens bund. Du kan vælge at tilføje tidspunktet i Figur 3, sammen med forholdet mellem vand+is og jord, som du beregnede for hver bøtte i Tabel 1. 
    

Figur 2. - Download Figur 2 og 3 her

Figur 3. 

4. Arbejdsspørgsmål 

Dine observationer og konklusioner   

• Hvilken jordblanding tøede hurtigst? Og langsomst? Hvorfor tror du, det er sådan? Begrund dit svar. 

• Efter hvor lang tid nåede aktivlaget sin maksimale dybde i de fire bøtter? 

• Hvis du har brugt Figur 2: 
  • Beskriv udviklingen af aktivlagets dybde i de fire bøtter. 
  • Hvilken af de fire kurver har det største (gennemsnitlige) stigningstal?
    Og det mindste?  

• Hvis du har brugt Figur 3:  
  • Viser dine datapunkter, at der er en sammenhæng mellem, hvor hurtigt permafrost tør op og mængden af vand i jorden? (Ja eller nej?) 
  • Hvad tror du, er årsagen til, at der er en sammenhæng, eller ingen sammenhæng er? Begrund dit svar. 

• Lad os antage at ”husenes” hældning er mål for stabiliteten af jorden. Hvilken jordblanding er mest stabil? Og mindst stabil? Kan du konkludere, om forholdet mellem vand+is og jord har betydning for jordens stabilitet? Forklar hvorfor.  

Er dine bøtter med jord sammenlignelige med jordlag i naturen? 

• Isindholdet i permafrost kan være mere end 50% og i enkelte felter op til 100% af volumen. Er blandingsforholdene, som du brugte, sammenlignelige med dette? 

• I din undersøgelse var ”permafrosten” samlet i en lukket beholder. Diskutér, hvor din model ikke afspejler virkeligheden. 

• Diskutér hvor regnvandet vil løbe væk og/eller samle sig, hvis det regner om sommeren og der er permafrost i undergrunden. Vend eventuelt tilbage til forrige spørgsmål og diskutér, om du kommer frem til samme svar som før.

• Kan du nævne eksempler fra dit lokalområde, eller steder du kender, hvor man kan finde henholdsvis tør og våd jord? Hvor I et landskab forventer du at finde henholdsvis våde og tørre jordtyper?

• Jordlag i naturen kaldes for permafrost, når de er frosne i mindst to år i træk. Hvor på jordkloden findes permafrost? 

Når mennesker bor i permafrost-områder 

Temperaturen i Arktis er steget med en hastighed på 0,6°C per årti de sidste tre årtier. Det er dobbelt så hurtigt, som det globale gennemsnit. Folk, der bor i Arktis, mærker allerede konsekvenserne af klimaforandringerne. Ingen kan præcist forudsige, hvordan temperaturen vil udvikle sig i fremtiden og hvor hurtigt permafrosten vil reagere på et fremtidigt klima. Men nogle studier viser, at i 2050 vil op mod 70% af infrastrukturen (veje og byer) i Arktis være i områder, der er udsat for permafrostoptøning. 

• Diskutér hvilken betydning et varmere klima og optøning af permafrost har for mennesker, der bor i områder med permafrost. Hvad risikerer de, sker med deres huse? Deres veje og infrastruktur? Hvad kan løsningerne være? Hvis man skal bygge huse eller veje i et område med permafrost, hvad bør man så holde øje med?  

Tag gerne udgangspunkt i billedet fra Svalbard helt for oven på siden og billederne nedenfor, og sammenhold med resultaterne fra din laboratorietest. 

5. Arbejd med data fra Arktis

Du får nu mulighed for at arbejde med målinger af aktivlagets tykkelse fra øgruppen Svalbard i Arktis. Du skal arbejde med data fra to lokaliteter: Svalbard Lufthavn og en plads, der hedde Janssonhaugen.

Forskere har målt aktivlagets tykkelse ved Janssonhaugen siden 1998. Forskerne måler tykkelsen af aktivlaget på samme måde, som du stak en pind ned i jorden i bøtten. Men de bruger eksempelvis en lang, spids jernstang, som de stikker ned til permafrostens øvre grænse. Aktivlaget bliver målt i slutningen af sommerperioden, hvor det er tykkest. Nedenfor ser du forskernes observationer: 

• Hvad ser du langs x-aksen? Hvad ser du langs y-aksen? Beskriv grafen med dine egne ord. 

• Hvor tykt var aktivlaget i 1998? Og i 2019? 

• Hvor meget tykkere er aktivlaget blevet i denne periode? 

• Hvor meget er laget vokset i gennemsnit per år? Du må gerne lave et groft overslag blot ved at kigge på figuren. 

• Hvis aktivlaget vokser med den samme hastighed også i årene, der kommer, hvor tykt vil aktivlaget være i henholdsvis 2030 og 2040? 

• Hvilke konsekvenser kan det have for bebyggelsen på Svalbard, hvis aktivlaget fortsætter med at blive tykkere?   

Nedenunder ser du en graf over lufttemperaturen ved Svalbard Lufthavn for perioden 1899 – 2019. 

• Hvad ser du langs x-aksen? Hvad ser du langs y-aksen? Beskriv grafen med dine egne ord. 

• Hvordan har lufttemperaturen på Svalbard udviklet sig gennem de sidste ca. hundrede år? Hvad er den generelle trend?

• I hvilken tidsperiode har vi målinger af både aktivlagets tykkelse fra Janssonhaugen og lufttemperaturen fra lufthavnen? Markér gerne på grafen, hvor de to måleperioder overlapper hinanden.

• Hvad tror du, er forklaringen på, at aktivlaget ved Janssonhaugen er blevet tykkere? Begrund dit svar.

• Lufthavnen på Svalbard er bygget oven på permafrost. Ville du gerne lande på rullebanen om f.eks. 30 år?

Idéer til videre undersøgelser 

• Du kan tage et billede med din mobiltelefon fra den samme position hver halve time, så du kan lave en time-lapse-video over forsøget.

• Innovativ metodeudvikling: Hvad er dit mål for, hvornår permafrosten er for ustabil til at huse og veje trygt kan stå i/på permafrosten (f.eks. hvor mange graders vinkel må sømmet hælde førend det er kritisk)? Hvordan bygger vi bedst i områder, hvor der er våd permafrost? Du kan overveje at bruge større bøtter, hvis du ønsker at teste mere realistiske modeller af huse, veje og anden infrastruktur. 

• Du kan lave en undersøgelse, hvor den totale mængde vand+is er den samme i alle bøtter, men hvor du varierer forholdet mellem vand og is. Har andelen af isterninger betydning for, hvordan ”landskabets” overflade ser ud, når permafrosten tør op? I naturen svarer isterningerne til, at permafrosten nogle gange indeholder store felter med ren is, mens vandet andre steder er indfrosset mere jævnt i jorden.  

• Hvad sker der, hvis jorden fryser igen, efter at den har været tøet? Kan du simulere årstidscyklusser, hvor aktivlaget henholdsvis tør om sommeren og fryser om vinteren?  

Undersøgelsen er udviklet af Inger K. Seierstad ved Cirkus Naturligvis, Københavns Universitet, i samarbejde med ph.d.-studerende Laura H. Rasmussen og Lena Hermesdorf ved CENPERM, Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning, Københavns Universitet. Novo Nordisk Fonden har bidraget til finansieringen.