El impacto del cambio climático sobre el permafrost desafía a la ingeniería geotécnica

Debido al cambio climático, el Ártico está experimentando un ritmo de calentamiento que duplica el promedio mundial. Lo que provoca grandes cambios en comunidades del norte que dependen del permafrost y pone en peligro la infraestructura, el transporte, los sistemas energéticos y la estabilidad sociocultural de estas zonas.

El permafrost es la capa de suelo congelada de forma permanente que cubre aproximadamente la cuarta parte de la superficie terrestre del hemisferio norte. Este suelo está protegido de las condiciones atmosféricas por una capa superficial activa (la cual, a menudo, sostiene la vegetación) que se descongela cada año y se vuelve a congelar en los meses de invierno. En las regiones de permafrost, se construyen elementos de infraestructura, tales como carreteras, aeropuertos y vías férreas, además de otras estructuras que no se calientan artificialmente. El impacto en la infraestructura del Ártico por el deshielo del permafrost, la disminución del hielo marino y los cambios en el flujo de agua es más significativo de lo que se percibía en un principio.

El cambio climático plantea los siguientes retos a la ingeniería geotécnica en zonas de permafrost:

1. Aumento de temperaturas: a medida que aumentan las temperaturas, el permafrost se descongela, lo que provoca inestabilidad en el suelo. El deshielo provoca hundimiento, asentamiento y deformaciones de las estructuras construidas sobre el permafrost.
2. Reducción de la capacidad portante: el permafrost proporciona estabilidad a las estructuras al actuar como capa portante. A medida que se descongela, la capacidad portante disminuye, lo que afecta la seguridad y longevidad de edificios, carreteras y otras infraestructuras.
3. Termokarst y erosión: el descongelamiento del permafrost puede crear características termokársticas, tales como socavones, depresiones y fosas que aceleran la erosión. Estos procesos deterioran la estabilidad de los cimientos y terraplenes.
4. Vulnerabilidad de las infraestructuras: en las regiones de permafrost, la infraestructura existente, como carreteras, tuberías y edificios corren mayor riesgo de sufrir daños por el movimiento del suelo. Esto eleva los costos de reparación y mantenimiento, lo que repercute en los presupuestos y la sostenibilidad.
5. Acumulación de nieve y encharcamiento: la infraestructura altera la distribución local de la nieve. Una mayor acumulación de nieve cerca de las estructuras aísla el suelo e impide que se congele a mayor profundidad. Esto agrava el deshielo y afecta la estabilidad.

Las metodologías actuales podrían no estimar con exactitud cuándo fallarán las infraestructuras por no considerar, en sus cálculos, el énfasis específico en la degradación del permafrost. Por lo que se necesitan modelos mejorados para evaluar los peligros potenciales de forma más fiable. La evaluación y monitoreo continuos de las características del permafrost, como de la composición del hielo, la temperatura, la granulometría y la salinidad, mejoran la precisión con la que los ingenieros pueden detectar variaciones y planificar estrategias de adaptación. Teniendo esto en cuenta, el valor del diseño de infraestructuras resilientes y la participación activa de la comunidad es cada vez mayor.

Para contrarrestar las repercusiones del cambio climático en estas zonas, los ingenieros disponen de diversas estrategias:

Diseño adaptativo: los ingenieros modifican los diseños de infraestructura para considerar el deshielo del permafrost, lo que incluye el uso de termosifones (intercambiadores de calor) para estabilizar los cimientos al mantener una capa congelada.

Aislamiento: ayuda a evitar la transferencia de calor de los edificios al suelo. Esto puede significar aumentar el grosor del aislamiento o utilizar materiales resistentes a las heladas y mantas antiheladas.

Mejora del suelo: el permafrost puede estabilizarse inyectando lechada u otros materiales para aumentar la capacidad portante. Así el suelo se refuerza y se evita el hundimiento.

Cimientos elevados: se puede minimizar el asentamiento y la deformación al elevar las estructuras sobre pilotes o zancos para reducir su contacto con el permafrost en proceso de deshielo.

Sistemas de monitoreo y de alerta temprana: pueden instalarse sensores para controlar la temperatura del suelo, el asentamiento y la estabilidad. Las alertas tempranas permiten intervenir a tiempo.

Materiales resistentes al clima: es fundamental utilizar materiales que resistan los ciclos de hielo-deshielo y los movimientos del terreno. Los aditivos de hormigón, los geotextiles y el acero resistente a las heladas pueden aumentar la durabilidad.

Planificación del uso de suelo: los ingenieros colaboran con los urbanistas para evitar la construcción en zonas de alto riesgo. Los reglamentos de zonificación tienen en cuenta la vulnerabilidad del permafrost.

El cambio climático también ha creado un ciclo de retroalimentación de carbono. El permafrost suele permanecer congelado durante al menos dos•años consecutivos y hasta milenios. Contiene grandes cantidades de materia orgánica que, al descongelarse, se vuelve accesible a los microbios. Estos descomponen la materia orgánica y liberan a la atmósfera gases de efecto invernadero, como dióxido de carbono (CO₂) y metano (CH₄). El metano es especialmente preocupante, porque es aproximadamente 25•veces más eficaz para atrapar el calor en la atmósfera que el CO₂ en un periodo de 100•años. Esta liberación de gases de efecto invernadero calienta aún más el clima y acelera el deshielo del permafrost, un clásico ciclo de retroalimentación positiva.

Los incendios forestales en el Ártico se han vuelto más frecuentes e intensos debido al aumento de las temperaturas y a las condiciones más secas. Estos incendios liberan cantidades significativas de CO₂ de la vegetación quemada y contribuyen al deshielo del permafrost al eliminar la capa aislante de vegetación y exponer el suelo a temperaturas más cálidas. El permafrost descongelado libera, entonces, más gases de efecto invernadero y perpetúa el ciclo.

Otros ciclos de retroalimentación:

1. Retroalimentación hielo-albedo: cuando el hielo y la nieve se derriten, dejan al descubierto superficies más oscuras, como el agua del océano o la tierra, que absorben más radiación solar. Esto aumenta las temperaturas locales y causa más deshielo.
2. Retroalimentación del vapor de agua: las temperaturas más cálidas aumentan las tasas de evaporación y agregan más vapor de agua a la atmósfera. Como el vapor de agua es un potente gas de efecto invernadero, se amplifica el calentamiento.
3. Puntos de inflexión: estos ciclos de retroalimentación pueden empujar al sistema climático hacia un punto de inflexión, umbral después del cual se producen cambios significativos y a menudo irreversibles. Por ejemplo, la pérdida total del hielo marino estival del Ártico o el deshielo a gran escala del permafrost podrían provocar cambios climáticos rápidos e incontrolables.

El deshielo del permafrost plantea riesgos para los ecosistemas, las comunidades y la estabilidad del clima mundial, y comprender estos ciclos de retroalimentación es crucial para predecir futuros escenarios climáticos y aplicar estrategias de mitigación eficaces. Los ingenieros de Hatch utilizan modelos avanzados para predecir el rendimiento de las infraestructuras en condiciones cambiantes y colaboran con los clientes para ayudarles a aplicar estas herramientas y estrategias. Póngase en contacto con nosotros para obtener más información y conocer las formas en que podemos proteger las infraestructuras y mantener la estabilidad del entorno construido en las regiones árticas.