Effects of unfrozen water on heat and mass transport processes in the active layer and permafrost.

Precise temperature data from four Alaskan permafrost sites (Prudhoe Bay, Barrow and two sites near Fairbanks) combined with computer modelling provide quantitative measures of the existence and dynamics of unfrozen water in the active layer and permafrost. Unfrozen water contents are negligible for living and dead moss layers, small in the peat layers and larger in the silts, and show significant site-to-site variation. The effect of unfrozen water on the ground thermal regime is largest immediately after freeze-up and during cooling of the active layer. It is less important during warming and thawing of the active layer and during freezing and thawing of seasonally frozen ground. The effects last less than a month in cold permafrost and throughout most of the freeze-up period in warm permafrost. Physically, unfrozen water introduces a spatially distributed latent heat and changes thermal properties which retards the thermal response of an active layer or permafrost. Unfrozen water in the freezing and frozen active layer and near-surface permafrost also protects the ground from rapid cooling and creates a strong thermal gradient at the ground surface that increases the heat flux out of the ground. This enlarged heat flux also enhances the insulating effect of the snow cover. There do not appear to be any inherent difficulties in using conductive heat modelling for the active layer during the period when the zero curtain exists. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd. Des donnees precises de temperature du sol provenant de quatre sites ou existe un pergelisol en Alaska (Prudhoe Bay, Barow et deux sites pres de Fairbanks) sont comparees avec des modeles obtenus par ordinateur, et de cette comparaison, sont tirees des mesures quantitatives de l'existence et de la dynamique de l'eau non gelee du pergelisol et de la couche active. Les contenus en eau non gelee sont negligeables dans les couches de mousses vivantes et mortes, petites dans les couches de tourbe, et plus importantes dans les limons ou lse variations sont significatives d'un endroit a l'autre. L'effet de l'eau non gelee sur le regime thermique du sol est le plus marque immediatement apres le gel et pendant le refroidissement de la couche active. Il est moins important pendant le rechauffement et le degel de la couche active et pendant le gel et le degel de la couche saisonnierement gelee. Les effets de cette eau non gelee persistent moins d'un mois dans les reegions de pergelisol ‘froid’ mais se manifestent pendant la majorite de la periode de gel dans le pergelisol dit ‘chaud’. Physiquement, l'eau non gelee introduit une chaleur latente qui modifie les proprietes thermiques et retarde la variation de temperature de la couche active on du pergelisol. L'eau non gelee dans la couche gelant et gelee, et dans le pergelisol proche de la surface, protege le sol d'un refroidissement rapide et cree un fort gradient thermique dans le sol proche de la surface du sol, gradient qui augmente le flux de chaleur. Celui-ci accroit aussi l'effet d'isolation de la couverture neigeuse. Aucune difficulte particuliere n'apparait dans l'emploi de la conduction thermique pour modeliser le tarnsfert de chaleur dans la couche active pendant la periode zero. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.