קפאת-עד היא קרקע, סלע או משקעים הקפואים יותר משנתיים רצופות. בשטחים שאינם מכוסים על ידי קרח, הוא קיים מתחת לשכבה של קרקע, סלעים או משקעים, הקופאת ומפשירה במהלך השנה והקרויה "השכבה הפעילה" (באנגלית "active layer"). בפועל מתרחשת קפאת-עד בכל מקום שבו הטמפרטורה השנתית הממוצעת של האוויר היא 2°C- או קרה יותר. עובי השכבה הפעילה משתנה עונתית, ונעה בין 0.3 מטרים ל-4 מטרים (שכבה רדודה לאורך חופי האוקיינוס הארקטי, עמוקה יותר בדרום סיביר וברמת צ'ינגהאי-טיבט). 24% של הקרקע בחצי הכדור הצפוני שאינה מכוסה בקרח, כ-19 מיליון קילומטרים מרובעים, מושפעת פחות או יותר מקפאת-עד. מרבית שטח זה נמצא בסיביר בצפון קנדה, אלסקה וגרינלנד. שינויי הטמפרטורה השנתיים של קיפאון העד מתחת לשכבה הפעילה הולכים וקטנים עד הירידה לעומק. העומק הגדול ביותר של קיפאון העד מתרחש היכן שהחום הגאותרמי מגיע לטמפרטורה מעל לנקודת הקיפאון. מעל גבול תחתון זה יכולה להיות שכבה במצב קפאת-עד שהטמפרטורה שלה אינה משתנה במהלך השנה - "קפאת-עד איזותרמית".
גודל השטח שבו יש קפאת-עד משתנה יחד עם האקלים. נכון לעשור השני של המאה ה-21 מכוסה שטח נכבד של האזור הארקטי בקפאת-עד (כולל קפאת-עד עונתית). מעל קפאת-עד מכסה שכבה פעילה המפשירה במהלך הקיץ. צמחים יכולים לגדול רק בתוך השכבה הפעילה מכיוון שצמיחה יכול להתרחש רק בקרקע שהפשירה לגמרי, לפחות בחלק מהשנה. עובייה של השכבה הפעילה משתנה מדי שנה ותלוי גם במיקום הגאוגרפי, אבל היא בין 0.6 מטרים ל-4 מטרים. באזורים שבהם יש קפאת-עד רציפה, וחורפים קרים מאוד, יכול עומקה של שכבת קיפאון העד להגיע לעומק של עד 1,493 מטרים כמו בצפון האגנים של הנהרות לנה וינה בסיביר. קיפאון העד יכול גם לאחסן פחמן, הן ככבול והן כמתאן. מחקרים שבדקו את כמות הפחמן העריכו שבאזור קיפאון העד שסביב הקוטב הצפוני מאוחסנים בין 1,400 ל-1,700 מיליארד טון פחמן. בעוד שמחקר עדכני יותר שכלל גם את אזור קיפאון העד של רמת טיבט העריך שסך כל הפחמן המאוחסן באזורי קיפאון העד של חצי הכדור הצפוני הוא 1,832 מיליארד טון. כמות פחמן גדולה זו גדולה יותר מאשר כל הפחמן שיש בייצורים חיים כיום.
קרח קרקעי מסיבי.
כאשר תכולת הקרח של קיפאון העד עולה על 250 אחוזים (היחס בין משקל הקרח למשקל הקרקע היבשה) הוא מסווג כקרח מסיבי. ההרכבים של גופי קרח מסיביים יכולים להשתנות בכל טווח האפשרויות מקרח בוצי ועד קרח טהור. עוביין של שכבות קרח מסיבי הוא לפחות שני מטרים, וקוטרן לפחות 10 מטרים. שכבות הקרח זוהו לראשונה בתצפיות באמריקה הצפונית על ידי מדענים אירופאים בנהר קנינג (Canning River) באלסקה ב-1919, אבל התופעה הייתה מוכרת הרבה קודם לכן. בספרות הרוסית מיוחסת התגלית במסעות הגדולים צפונה על ידי פטר לסיניוס ב-1735 וחריטון לפטב (Харитон Прокофьевич Лаптев) ב-1739.
זוהו שתי קטגוריות עיקריות של קרח קרקעי מסיבי: קרח קבור מתחת לפני השטח וקרח בין שכבות משקעים (Intrasedimental ice).
קרח קבור מתחת לפני השטח כולל שלג, אגם, נהר או ים קפואים וקרוב לוודאי, שהנפוץ ביותר, הוא קרח מקרחונים שנקברו תחת הקרקע.
קרח בין שכבות משקעים נוצר בקפיאה במקום של מי תהום, כשעיקר הקרח נחלק לשכבות שונות שמקורן בתהליך הגיבוש המפריט במהלך הקפיאה של משקעים לחים, מלווה במים הזורמים אל חזית הקפיאה.
קרח בין שכבות משקעים נצפה ונחקר בשטחים נרחבים בקנדה והוא כולל גם קרח חודר וקרח מוזרק. חוקרים רוסיים ניסחו את התאוריות המקוריות על תכלילים של קרח בקרקעות קופאות.
בנוסף, אם כי בתחום קטגוריה נוספת של קרח קבור בקרקע, טריזי קרח הם סוג מרהיב עין של קרח קבור בקרקע המייצר תבנית קרקע של מצולעים. טריזי קרח הם צורות מובחנות של קרח מסיבי שהן בדרך כלל צעירות מהמצע סביבן ונחקרו לראשונה ב-1919.
קפאת-עד רציפה ושאינה רציפה.
קפאת-עד נוצרת בדרך כלל בכל אקלים שבו הטמפרטורה השנתית הממוצעת של האוויר בפני הקרקע היא פחות מנקודת הקיפאון של מים. יוצאים מכלל זה קיימים באקלימים של היערות הלחים בחורף, כדוגמת צפון סקנדינביה וצפון-מזרח החלק האירופאי של רוסית מערבית להרי אורל, בהם שלג מתפקד כשמיכה מבודדת. גם אזורים מכוסי קרחונים יוצאי דופן. מכיוון שכל הקרחונים מחוממים בבסיסם בחום גאותרמי, בממשק בין קרחונים מהאזור הממוזג, המצויים כל הזמן קרוב לנקודת הקיפאון, לבין הקרקע יש שכבת מים ולכן הקרקע איננה במצב של קפאת-עד.
הטמפרטורות מתחת לקרקע משתנות פחות בדרך כלל מעונה לעונה מאשר טמפרטורת האוויר, כשהטמפרטורות נוטות לטפס ככל שמעמיקים. כך, אם טמפרטורת האוויר הממוצעת השנתית היא נמוכה במעט מ-0°C, תיווצר קפאת-עד רק במקומות מוגנים - בדרך כלל במדרון הצפוני. עקב כך נוצרת התופעה המכונה קפאת-עד בלתי רציפה. בדרך כלל תהיה קפאת-עד בלתי רציפה במקומות שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע בין 5°C- ל-0°C. קפאת-עד בלתי רציפה מתחלקת לעיתים קרובות לקפאת-עד נרחבת, שבה מכסה קפאת-עד בין 50 ל-90 אחוז מהאזור והיא מצויה בדרך כלל באזורים שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע היא בין 2°C- ל-4°C-, וקפאת-עד פזורה שבה קפאת-עד מכסה פחות מ-50% מהאזור והיא מצויה בדרך כלל באזורים שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע היא בין 0°C- לבין ל-2°C-. במדע הקרקע מסמנים קפאת-עד פזורה כ-SPZ (קיצור של sporadic permafrost zone), וקפאת-עד נרחבת כ-DPZ (קיצור של discontinuous permafrost zone).
יוצאי דופן הם האזורים שאינם מכוסים בקרח בסיביר ובאלסקה בהם העומק הנוכחי של קיפאון-העד הוא שריד מתנאי אקלים שהתרחשו בעידני הקרח שבהם החורפים היו קרים עד 11°C מאשר כיום. במקומות שבהם הטמפרטורה השנתית הממוצעת של פני הקרקע מתחת ל-5°C- ההשפעה העונתית לא מספיקה על מנת להפשיר קפאת-עד ונוצר אזור של קפאת-עד רציפה המסומנת כ-CPZ (קיצור של Continuous Permafrost Zone). אנומליה של קור מתרחשת במצבים שבהם הטמפרטורה אינה עולה עם העומק ומקורה באזורים שבהם התפתח קפאת-עד עמוקה בפליסטוקן לעומק של כמה מאות מטרים. האנומליה של סולקי (Suwałki) בפולין הובילה להבנה שהפרעות תרמיות הקשורות לשינויים אקלימיים בפליסטוקן-הולוקן מתועדים בקידוחים לעומק ברחבי פולין.
קו של קפאת-עד רציפה בחצי הכדור הצפוני מייצג את הגבול הדרומי ביותר שהקרקע במצב של קפאת-עד רציפה או שהיא מכוסה בקרחונים. קו קיפאון העד הרציף סביב העולם נע צפונה או דרומה כתלות בשינויים האקלימיים המקומיים. הקו המקביל בחצי הכדור הדרומי היה משתרע באוקיינוס הדרומי לו הייתה שם יבשה. מרבית אנטארקטיקה מכוסה בקרחונים.
בהרי האנדים לאורך מדבר אטקמה משתרע קיפאון העד מהפסגות ועד לגובה של 4,400 מטרים והוא רציף מעל 5,600 מטרים.
קפאת-עד תת-ימית.
קפאת-עד תת-ימית מתרחשת מתחת לקרקעית הים וקיימת במדפי היבשת באזורי הקוטב הצפוני. אזורים אלו נוצרו במהלך עידן הקרח האחרון, כאשר חלק גדול מהמים על פני כדור הארץ התרכז בקרחונים על פני האדמה ופני הים היו אז נמוכים יותר. כשהקרחונים התמוססו והפכו מחדש למי ים, הפך קיפאון העד למדפי יבשת מתחת למים תחת תנאים של חמימות ומליחות יחסית, בהשוואה לקפאת-עד של פני השטח. משום כך, קפאת-עד תת-ימית קיימת בתנאים המובילים להקטנתה. לדברי טום אוסטרקמפ (Tom Osterkamp) מאוניברסיטת אלסקה מהווה קפאת-עד תת-ימית גורמת ב"תכנון, בנייה, ותפעול של מתקני חוף, מבנים שיסודותיהם בקרקעית הים, איים מלאכותיים, צינורות תת-ימיים ובארות הנחפרים לחיפושי נפט או להפקתו. הוא גם מכיל במקומות מסוימים גזים, שהם "מקור אנרגיה פוטנציאלית המצוי בשפע", אבל גם יכולים לגרום לחוסר יציבות כאשר קיפאון העד התת-מימי מתחמם ומפשיר ומשחרר כמויות גדולות של גז מתאן שהוא גז חממה רב-עוצמה, דבר המוביל למעגל משוב חיובי של התחממות נוספת, והפשרה נוספת.
הזמן ליצירת קפאת-עד עמוקה.
חישובים הראו שהזמן הנדרש ליצור את קיפאון העד העמוק שמתחת למפרץ פרודהו באלסקה היה מעל לחצי מיליון שנים. תקופה זו כללה כמה מחזורים של עידני קרח ותקופות שבין עידני הקרח בפליסטוקן, ומכך מסיקים שהאקלים הנוכחי של מפרץ פרודהו הוא ככל הנראה חמים הרבה יותר מהממוצע במשך תקופה זו. התחממות זו במהלך 15,000 השנים האחרונות מקובלת על רבים. הטבלה משמאל מראה שמאה המטרים הראשונים של קיפאון העד נוצרו יחסית במהירות, אבל בעומק גדול יותר הקיפאון נוצר בהדרגה לאט יותר.
מחזור הפחמן בקפאת-עד.
מחזור הפחמן בקיפאון העד (מחזור הפחמן הארקטי) מתייחס למעבר פחמן מאדמות קיפאון העד לצמחייה וחיידקים, ומהם לאטמוספירה, בחזרה לצמחים, ולבסוף בחזרה לקרקעות קיפאון העד דרך כיסוי ושיכוב בשל תהליכים קריוגניים. חלק מפחמן זה מועבר לאוקיינוסים ולחלקים אחרים בכדור הארץ באמצעות מחזור הפחמן העולמי. המחזור כולל החלפה של פחמן דו-חמצני ומתאן בין רכיבים יבשתיים לבין האטמוספירה, כמו גם מעבר של פחמן בין יבשה לים כמתאן, כפחמן אורגני מומס, כפחמן אנאורגני מומס, כחלקיקי פחמן אנאורגניים וכחלקיקי פחמן אורגניים.
צורות נוף.
תהליכי קפאת-עד מתבטאים בצורות נוף בקנה מידה גדול, כדוגמת פלסה (palsa) ופינגו (pingo) ותופעות בקנה מידה קטן יותר, כדוגמת תבניות בקרקע אותן ניתן לפגוש באזור הארקטי, הקדם קרחוני והאזורים האלפיניים.
השפעת שינוי האקלים העולמי על גודל אזור הקפאת-עד.
שינויים היסטוריים בקפאת-עד.