Effect of surface cover on the heat flow to the soil on Spitsbergen

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Climate warming changes heat fluxes within the atmosphere-surface cover-soil system and affects the thermal state of permafrost. A comparison of heat fluxes from the atmosphere to the soil during the period with positive air temperatures and from the soil to the atmosphere during the cold period makes it possible to assess the stability of permafrost. Snow and moss cover are important factors influencing heat flows. The influence of surface fluxes on heat fluxes is estimated based on mathematical modeling and numerical experiments on the model. The processing of data from field measurements of soil temperature made it possible to determine the heat fluxes for the cold and partially warm periods of the year. A comparison of the data from model calculations and measurements of heat fluxes showed a satisfactory agreement. The difference between them from December to February did not exceed 4%, and in November and March – 9% and 8%, respectively. In 2023/24, during the period with negative air temperatures lasting 255 days with an average air temperature of −7 °C, soil heat losses amounted to 76.5 and 92.3 MJ/m2 with snow thickness of 1.14 m and 0.63 m, respectively, and the average values of heat fluxes from October to March were 4.9 and 5.9 W/m2. According to model calculations, with an average daily positive air temperature of 6.8 °C, the loss by the soil in winter is 10 MJ/m2 less than the heat flow into the soil in summer, leading to permafrost degradation. At snow cover depth of 0.5 m, heat input into the soil in summer coincides with heat loss in winter. With a higher snow cover depth, the heat flow from the soil to the atmosphere decreases, soil cooling decreases and permafrost degradation will occur. The same processes will occur when the snow cover is 1 m depth and the moss cover is less than 3 cm thick. For a moss cover of greater thickness, the thermal stability of permafrost rocks remains. Numerical experiments on the model estimated the heat fluxes and the thickness of the active layer for different snow and moss cover thicknesses and atmospheric air temperatures.

About the authors

A. V. Sosnovsky

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: alexandr_sosnovskiy@mail.ru
Moscow, Russia

N. I. Osokin

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: alexandr_sosnovskiy@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Glyatsiologicheskiy slovar’. Glaciological Dictionary. Ed. V.M. Kotlyakov. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1984: 528 p. [In Russian].
  2. Goman P.N., Sobol V.R., Brovka A.G., Kruplevich V.Ch. On the influence of moisture on the heat-conducting properties of green moss of a pine forest. Materiali dvadcatoi nauchno-tehnicheskoi konferencii “Sistemi bezopasnosti – 2011”. Proc. of the Twentieth Scientific and Technical Conference “Security Systems – 2011”. Moscow: Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2011: 15–18 [In Russian].
  3. Kotlyakov V.M., Sosnovsky A.V., Osokin N.I. Estimation of thermal conductivity of snow by its density and hardness in Svalbard. Led i Sneg. Ice and Snow. 2018, 58 (3): 72–80 [In Russian].
  4. Kotlyakov V.M., Osokin N.I., Sosnovsky A.V. Dynamics of seasonally thawed layer on Svalbard and the Antarctic Peninsula in the ХХI century according to modeling data. Led i Sneg. Ice and Snow. 2020, 60 (2): 201–212. https://doi.org/10.31857/S2076673420020034 [In Russian].
  5. Matveev L.T. Kurs obschei meteorologii. Fizika atmosferi. Сourse of general meteorology. Physics of the atmosphere. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1984: 751 p. [In Russian].
  6. Osokin N.I., Sosnovsky A.V., Chernov R.A. Influence of snow cover stratigraphy on its thermal resistance. Led i Sneg. Ice and Snow. 2013, 53 (3): 63–70. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-3-63-70 [In Russian].
  7. Osokin N.I., Sosnovskiy A.V. Influence of temperature and dynamics of snow cover on the ground freezing. Kriosfera Zemli. Earth Cryosphere. 2015, 19 (1): 99–105 [In Russian].
  8. Osokin N.I., Sosnovsky A.V. Influence of meteorological conditions on the thermal insulation properties of moss cover according to measurements on Svalbard. Kriosfera Zemli. Earth Cryosphere. 2021, 25 (4): 17–25. https://doi.org/10.15372/KZ20210402 [In Russian].
  9. Ostroumov V.E., Fedorov-Davydov D.G., Komarov I.A., Shevchik F.A., Koloskov A.M., Volokitin M.P., Goncharov V.V., Bykhovets S.S., Shabaev V.P., Kholodov A.L., Eremin I.I., Kropachev D.Yu., Davydov S.P., Davydova A.I. A method for evaluating the thermophysical properties of seasonally freezing and seasonally thawing soils under natural conditions. Kriosfera Zemli. Earth Cryosphere. 2022, 26 (6): 15–23 [In Russian].
  10. Pavlov A.V. Monitoring kriolitozony. Monitoring of cryolithozone. Novosibirsk: Geo, 2008: 229 p. [In Russian].
  11. Building Code. SNiP 2.02.04–88. Osnovaniya i fundamenty na vechnomerzlyh gruntah. Basements and Foundations in Permafrost. GUP TCPP. Moscow, 1997: 52 p. [In Russian].
  12. Sosnovskiy A.V., Osokin N.I. Impact of moss and snow cover on the sustainability of permafrost in West Spitsbergen due to climatic changes. Vestnik Kol’skogo nauchnogo tsentra. Bulletin of the Kola Science Center. 2018, 10 (3): 179–185. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3. 179-185 [In Russian].
  13. Sosnovsky A.V., Osokin N.I. Effect of thaws on snow cover and soil freezing under the contemporary climate change. Led i Sneg. Ice and Snow. 2019, 59 (4): 475–482. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-4-433 [In Russian].
  14. Stepanenko V.M., Repina I.A., Fedosov V.E., Zilitinkevich S.S., Lykosov V.N. Review of methods for parameterizing heat transfer in moss cover for earth system models. Izvestiya RAN. Fizika atmosferi i okeana. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Atmospheric and Oceanic Physics. 2020, 56 (2): 127–138 [In Russian].
  15. Tishkov A.A., Osokin N.I., Sosnovski A.V. The impact of moss synusia on the active layer of Arctic Soil and Subsoil. Izv. Acad. Nauk, Ser. Geogr. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Geographic series. 2013, 3: 39–46 [In Russian].
  16. Fedorov-Davydov D.G., Ostroumov V.E., Davydov S.P., Davydova A.I., Volokitin M.P., Eremin I.I., Kropachev D.Yu., Lupachev A.V. Dynamics of heat flows and structure of annual heat circulation in the permafrost soil of the sparse tundra forests of the Kolyma Lowland. Merzlotnie pochvi v antropocene. Permafrost Soils in the Anthropocene: collection of abstracts of the All-Russian scientific and practical conference (Salekhard – Labytnangi, Yamalo-Nenets Autonomous Okrug, Russia, August 20–26, 2023). Syktyvkar: IB FRC Komi Science Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2023: 98–99 [In Russian].
  17. Sherstyukov A.B. Correlation of soil temperature with air temperature and snow cover depth in Russia. Kriosfera Zemli. Cryosphere of the Earth. 2008, 12 (1): 79–87 [In Russian].
  18. Shmakin A.B., Osokin N.I., Sosnovsky A.V., Zazovskaya E.P., Borzenkova A.V. Influence of snow cover on soil freezing and thawing in the West Spitsbergen. Led i Sneg. Ice and Snow. 2013, 53 (4): 52−59. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-4-52-5 [In Russian].
  19. Jan H., Streletskiy D., Doré G., Wu Q., Bjella K., Luoto M. Impacts of permafrost degradation on infrastructure. Nature Reviews Earth & Environ. 2022, 3 (1): 24–38. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00247-8
  20. Park H., Launiainen S., Konstantinov P.Y., Iijima Y., Fedorov A.N. Modeling the Effect of Moss Cover on Soil Temperature and Carbon Fluxes at a Tundra Site in Northeastern Siberia. Journ. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2018, 123 (9): 3028–3044. https://doi.org/10.1029/2018JG004491
  21. Beringer J., Lynch A., Chapin F., Mack M., Bonan G. The Representation of Arctic Soils in the Land Surface Model: The Importance of Mosses. Journal of Climate. 2001, 14: 3324–3335.
  22. Porada P., Ekici A., Beer C. Effects of bryophyte and lichen cover on permafrost soil temperature at large scale. The Cryosphere. 2016, 10: 2291–2315. https://doi.org/10.5194/tc-10-2291-2016
  23. Schneider von Deimling T., Lee H., Ingeman-Nielsen T., Westermann S., Romanovsky V., Lamoureux S., Walker D.A., Chadburn S., Trochim E., Cai L., Nitzbon J., Jacobi S., Langer M. Consequences of permafrost degradation for Arctic infrastructure – bridging the model gap between regional and engineering scales. The Cryosphere. 2021, 15: 2451–2471. https://doi.org/10.5194/tc-15-2451-2021
  24. Shiklomanov N.I., Streletskiy D.A., Swales T. B., Kokorev V.A. Climate change and stability of urban infrastructure in Russian permafrost regions: prognostic assessment based on GCM climate projections. Geogr. Review. 2017, 107: 125–142.
  25. Snow and Climate: Physical Processes, Surface Energy Exchange and Modeling. Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2008: 256 p.
  26. Stieglitz M., Déry S.J., Romanovsky V.E., Osterkamp T.E. The role of snow cover in the warming of arctic permafrost. Geophys. Research Letters. 2003, 13 (30): 1721–1724.
  27. Suter L., Streletskiy D., Shiklomanov N. Assessment of the cost of climate change impacts on critical infrastructure in the circumpolar Arctic. Polar Geography. 2019, 42: 267–286. https://doi.org/10.1080/1088937X.2019.1686082

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».