Temperature variation and apparent thermal diffusivity in the refreezing active layer, Toolik Lake, Alaska

K. M. Hinkel, S. I. Outcalt and F. E. Nelson

Permafrost and Periglacial Processes, 1990, vol. 1, issue 3‐4, 265-274

Abstract: Temperatures were sampled at eight‐hour intervals over a five‐month period within the refreezing active layer at Toolik Lake, Alaska. The variance spectra of the temperature series, calculated as a function of wavelength, reveal relatively high‐frequency (sub‐diurnal) temperature fluctuations near the base of the active layer during refreezing, behaviour that is not consistent with a purely conductive system. The thermal records were also used in a numerical scheme to calculate apparent thermal diffusivity at regularly spaced depths in the substrate. Widely fluctuating positive and negative diffusivity values suggest that non‐conductive processes play an important role in heat transport during and after freezeback. Phase transformations, vapour diffusion and water advection all can enhance or oppose the conductive tendency. Models based exclusively on conductive principles are inadequate to explain thermal evolution in the dynamic near‐surface layer of permafrost regions. Des températures ont été mesurées dans la couche active en train de regeler à des intervalles de 8 heures, au cours d'une période de 5 mois. Les spectres de variance des séries de température calculées comme une fonction de la longueur d'onde révèlent des fluctuations de température de haute fréquence relative (inférieure à la journée) près de la base de la couche active pendant le regel. Cette observation n'est pas cohérente avec un système où seule la conductibilité thermique intervient. Les enregistrements de température ont été aussi utilisés dans un schéma théorique pour calculer la diffusivité thermique apparente à des profondeurs régulièrement espacées dans le sous‐sol. Des valeurs de diffusivité largement fluctuantes, positives et négatives, suggèrent que des processus autres que la conductibilité jouent un rǒle important dans le transfert de la chaleur avant et après le gel. Des changements de phase, la diffusion de la vapeur et de l'advection de l'eau du sol peuvent augmenter ou s'opposer à la fluctuation de température contrǒlée par la conductibilité. Des modèles basés uniquement sur les principes de conductibilité thermique sont inadéquats pour expliquer L'évolution thermique de la couche active des régions à pergélisol.

Date: 1990
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https://doi.org/10.1002/ppp.3430010306

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