CC BY
123
Раздел 2 Section 2
ГЕОЛОГИЯ GEOLOGY
УДК 551.343:551.8
ПОСЛЕДСТВИЯ ДИНАМИКИ СОВРЕМЕННОГО КЛИМАТА СЕВЕРА ДЛЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
М.М. Шац, Ю.Б. Скачков
Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (ИМЗ), Якутск E-mail: [email protected], [email protected]
В статье освещена временная динамика существующих представлений по основным тенденциям изменения климата и их последствиям для основных компонентов геосистем Севера РФ. Основной акцент предлагаемой статьи сделан на результатах изучения последствий изменения климата на многолетнемерзлые породы. Показано, что история климатического развития российского Севера представляет постоянное чередование периодов потепления/похолодания приземных слоев атмосферы, обусловленных разными причинами. Отмечено, что наряду с естественными на многолетне-мерзлые породы существенное воздействие, но менее масштабное оказывают техногенные факторы.
Ключевые слова: основные тенденции изменения климата; последствия изменения климата для многолетнемерзлых пород; естественные н техногенные факторы.
Дата поступления 3.05.2017
Динамика современного климата, ее влияние на многолетнемерзлые породы (ММП) и состояние геотехнических объектов в криолитозоне является принципиальной проблемой, представления по которой существенно отличаются. Если в конце прошлого века и самом начале настоящего существовало почти единое мнение об основной тенденции динамики, которое выражалось в потеплении климата, даже именуемого глобальным, то в последнее десятилетие представления радикально изменились.
Особый интерес имеют результаты изучения реакции на изменения климата одного из наиболее стабильных компонентов природной среды - ММП. Характер их распространения по террито-
рии РФ показан на рисунке 1. Эта проблема стала перед мерзлотоведами практически с момента становления геокриологии как науки и не потеряла актуальности до сих пор. Проблема имеет несколько аспектов, в том числе и изменение свойств и морфологии мерзлых толщ при различных сценариях изменения климата.
По прогнозу межправительственной группы экспертов (1РСС) и данным оценочных докладов Росгидромета в XXI в. глобальная температура воздуха может повыситься на 1-2 °С, среднегодовая температура воздуха на территории криолитозоны России в 2041-2060 гг. -на 1,9-3,3 °С [1]. Температура холодного периода возрастет предположительно
на 2,6-4,2 °С, летняя - на 1-2 °С. Максимальное повышение температуры воздуха ожидается в арктическом регионе. Это может привести к деградации многолетнемерзлых толщ и создать тем самым серьезные проблемы. Резкая активизация деструктивных криогенных процессов: термоденудации, термокарста, термоэрозии на территории развития пород ледового комплекса в государствах Арктики во второй половине XXI в. приведет к активному таянию и деградации массивов подземных льдов в верхних горизонтах ММП. Именно их масштабное оттаивание, вероятно, станет одним из основных последствий климатических изменений в Арктике.
История формирования современных представлений на проблему
Ранее мы осветили два основных мнения о тенденциях и причинах изменения современного климата [2], суть которых сводилась к следующему. Сторонники первой точки зрения, сформировавшейся в конце ХХ в., считали процесс потепления следствием антропогенной деятельности и одной из главных, если не основной, причин ухудшения инженерно-геологических условий и последующих происходящих на российском Севере деформаций и обрушений геотехнических объектов. Существовавшее в то время представление было высказано О.А. Анисимовым [3], по мнению которого «глобальное потепление» обусловлено «...главным образом парниковым эффектом образующихся при сжигании ископаемого топлива углекислого газа, и метана, количество которого в атмосфере также увеличивается». О.А. Анисимов считал, что в продолжение происходящего потепления за несколько будущих десятилетий температура воздуха может возрасти еще на 3 °С, и это будет сопровождаться повышением температуры ММП, что неизбежно приведет к утрате устойчивости многих геотехнических объектов. Он отметил, что в случае сохранения современных
тенденций изменения климата (а именно об этом свидетельствуют теоретические прогнозы климата) деградация ММП и обусловленные ей негативные геоэкологические последствия станут неизбежны, они будут сопровождаться массовыми деформациями геотехнических объектов, выстроенных без учета тенденций динамики климата. Позднее мы еще остановимся на этих событиях и их причинах.
В обзорной работе [4] отмечено, что по данным наблюдений на 455 метеостанциях были рассчитаны вековые региональные тренды изменения температуры воздуха. В 1900-2004 гг. средние тренды по России составили 1,1 °С для среднегодовой, 1,7 °С - для зимней и 0,6 °С - для летней температуры воздуха за 100 лет с заметными региональными различиями. Максимальные тренды среднегодовой и зимней температуры наблюдались вне области распространения ММП. В летний период на значительной части криолитозоны в Приуралье, в Западной Сибири, на Чукотке и в Приморье тренды были выше средних, достигая 0,9-1,1 °С за 100 лет. В последние несколько десятилетий тренды значительно возросли и в 19702004 гг. средние по всей территории России значения составили: для средней годовой - 0,38 °С, для зимней - 0,51 °С и 0,32 °С для летней температуры воздуха за 10 лет.
Помимо сезонных, имеются ярко выраженные региональные различия. Так в Приамурье тренд зимней температуры воздуха за последние 35 лет достигает 0,8 °С/10 лет, в это время на севере Дальнего Востока произошло понижение зимней температуры до -0,4 °С/10 лет. При этом осенью и весной там отмечается сильное повышение температуры до 0,6-0,8 °С/10 лет.
«Примечательно, что повышение температуры воздуха на территории России сопровождалось увеличением осадков, особенно в зимний период и высоты снежного покрова. Сравнение данных за 1991-2005 гг. с нормой за
1961-1990 гг. показало увеличение высоты снега от 20-40 мм на севере Европейской территории России до 60 мм в Западной Сибири, в Приморье и на Камчатке. Несколько меньшее увеличение осадков - до 20 мм происходило в Якутии и в Восточной Сибири, при этом продолжительность залегания снежного периода повсеместно сокращалась. Поскольку снежный покров оказывает на грунты отепляющее воздействие, увеличение его высоты усилило влияние на их температуру, в том числе и в области распространения ММП» [4].
Приведенные данные свидетельствуют о повсеместном увеличении среднегодовой температуры верхних горизонтов ММП с 1970-х гг. Оно составило 1,2-2,8 °С на севере Европейской территории России, 1,0 °С - на севере Западной Сибири, 1,5 °С - в Центральной Якутии и около 1,3 °С - в Восточной Сибири.
Особый интерес представляют материалы по «аномальным» областям, где на фоне всеобщего климатического потепления продолжительное время преобладали обратные тенденции похолодания - северо-восток Канады [4]. И там с середины 1990-х гг. температура верхнего горизонта мерзлых пород повысилась почти на 2 °С.
Широко развитое климатическое потепление, сопровождающееся ростом температуры верхних горизонтов грунтов, могло бы привести к синхронному увеличению глубины сезонно-талого слоя (СТС). Однако в реальности наблюдения на специализированных площадках в различных районах крио-литозоны отмечают это явление не везде. К числу причин этого явления можно отнести следующие. Во-первых, это сложная связь мощности СТС с температурой воздуха, определяемая не только средними величинами, но и ее годовым циклом. Во-вторых, она зависит от конкретных ландшафтных условий, например, от растительности, орографии, геологии и т.д. Пространственная
изменчивость внеклиматических факторов может оказывать большое влияние на параметры и свойства ММП, а при островном и прерывистом характере их распространения часто служит принципиальным условием их существования.
Поэтому точечные измерения температуры грунта на глубинах до 3,2 м на метеостанциях, к тому же расположенных в нерепрезентативных условиях, не могут быть представительны в отношении мерзлых толщ. Это положение крайне важно для оценки наличия и свойств ММП, поскольку в модельных прогнозах геокриологической обстановки основным фактором обычно является лишь изменение климата, а иные возможные критерии, как правило, игнорируются [4].
Изучая проблему влияния изменений климата на ММП нужно учитывать, что наряду с общими для всей криоли-тозоны закономерностями имеются и региональные особенности, одна из которых будет показана ниже. Однако постепенно начали формироваться иные, существенно отличающиеся от упомянутых представления о тенденциях динамики климата. Так один из ведущих специалистов-климатологов В.Н. Клименко [5] приводит такое, на наш взгляд, компромиссное мнение: «... несмотря на то, что земной шар сейчас намного теплее, чем в 30-40-х гг., Арктика все еще намного холоднее, чем в 30-х годах, а ледовитость морей сейчас более значительная. Изменения, которые нас ожидают, на мой взгляд, далеки от катастрофы. Если понять, что происходит, понять то, что эти изменения неотвратимы, чтобы человек не делал: приняли Киотский протокол, не приняли, будем мы что-то ограничивать или нет. Климат меняется не только в результате антропогенного воздействия, но и в связи с космическими и геофизическими факторами: поведением Солнца, вулканов, океанической, атмосферной циркуляции, положением Юпитера, Сатурна и Луны по отношению к Земле».
В XX в. земной шар, по мнению В.Н. Клименко, по сравнению с концом XIX в. в среднем стал теплее на 0,70,8 °С. Фактические данные свидетельствуют, что потепление произошло в основном после 1970 г., т.е. всего за несколько десятков лет, хотя и в 19301940-х гг. тоже было потепление, которое особенно проявилось в Арктике, чем обусловило в 1930-х гг. ее бурное освоение. В.Н. Клименко полагал, что мнение о хозяйственной деятельности человека как единственной причине потепления хотя и имеют под собой очень серьезные основания, но излишне категорично и не учитывает мощные естественные факторы. Ожидаемые изменения хотя и неотвратимы, но к катастрофическим последствиям привести не должны.
Не обходят вниманием проблему последствий изменения климата и наши зарубежные коллеги. Так международная группа исследователей России и США опубликовала в научном журнале Geographical Review статью. По их мнению, через 25-35 лет несущая способность ММП в четырех российских городах может значительно уменьшиться, в худшем случае это может привести к деформации и даже обрушению некоторых зданий. Один из авторов исследования Николай Шикломанов - профессор американского университета Дж. Вашингтона, автор множества научных статей по мерзлотоведению - объяснил, к чему приведет деградация вечной мерзлоты через несколько десятилетий и что все-таки ожидает Якутск в 2050 г. [6]. Он подчеркнул, что оценивалась не инфраструктура городов, а несущая способность ММП, именно ее динамика под влиянием климатических изменений. Оценивать же состояние зданий должны инженеры, учитывая качество строительства. Ученые рассмотрели шесть наиболее реальных моделей состояния вечной мерзлоты из 42 существующих и пришли к выводу, что имеющиеся данные пока не позволяют
делать какие-либо однозначные прогнозы. Основная причина такой неопределенности - отсутствие конкретных сценариев грядущих изменений климата и последствий этого процесса для ММП. Так согласно одной модели некоторые здания в Якутске разрушатся через 50 лет, а по другой - до 2100 г. ничего страшного не произойдет. Н. Шикло-манов особо отмечает, что ситуация в Якутске, в отличие от других городов российского Севера, более-менее стабильная. В развитие города вкладываются значительные средства и, конечно, в один момент город не рухнет, хотя и возможны просадки, деформации зданий и ослабление несущей способности строительных конструкций.
Многие специалисты не учитывают, что климатические изменения являются только одной из причин ухудшения несущей способности ММП и, по крайней мере, не меньшую роль имеют техноге-нез и качество строительства. А большинство домов в Анадыре, Якутске, Норильске были построены в 19601970-х гг. на основе несовершенных технологий. Кроме того, необходимо учитывать и сложность всей урбанистической системы, и как она взаимодействует с окружающей средой. Сейчас специалисты разрабатывают трехмерные модели с учетом всех элементов инфраструктуры, которых в период массового строительства возведения каменных зданий в городах Севера, не было, а строители не могли и предположить, что климат за ближайшие десятилетия значительно изменится. Существует целый комплекс инфраструктурных проблем, но не следует преувеличивать роль климата и недооценивать техногенез, хотя по мнению Н. Шикло-манова с соавторами, влияние климата с годами будет только усиливаться.
Считаем это заключение излишне категоричным и остановимся еще на точках зрения работающих в США ученых российского происхождения [7]. Полученные ими результаты многолет-
них исследований в разных регионах российского Севера однозначно свидетельствуют о повышении температуры воздуха, сопровождающимся увеличением мощности сезонно-талого слоя и повышением температуры ММП. Это приводит к практически повсеместному ухудшению несущей способности оснований большинства сооружений. В наибольшей степени эти изменения коснулись южной части криолитозоны Западной Сибири. В некоторых районах уменьшение несущей способности оснований ухудшилось уже до опасных значений. В сочетании с интенсивным техногенным отеплением мерзлых грунтов, особенно в поселениях с развитой и неконтролируемой городской инфраструктурой, а также по трассам трубопроводов это приводит к нарушению устойчивости объектов. Важно соблюдать правило - новые здания и сооружения должны быть проектироваться с учетом среднесрочных климатических прогнозов, при этом обязателен мониторинг существующей инфраструктуры с оперативным выявлением проблемных ситуаций и принятие инженерных решений, проведение контрольных и компенсирующих мероприятий, ориентированных на сохранность стабильного состояния ММП. В настоящее время научно обоснованы лишь качественные оценки последствий климатических изменений и обусловленных ими опасных геологических процессов, вызывающих снижения несущей способности мерзлых грунтов. Необходима подготовка как региональных, так и локальных климатических моделей вероятных последствий климатических изменений. Это позволит провести достоверную оценку грядущих изменений геокриологических параметров криолитозоны севера России.
Мнение мерзлотоведов и физиков
В начале XXI в. у большинства специалистов сформировались объективные и обоснованные, на взгляд авторов,
представления об истинном соотношении техногенных и естественных факторов, обусловливающих тенденции динамики современного климата Севера. Одними из первых эти соображения были высказаны мерзлотоведами Института криосферы Земли СО РАН (Тюмень) [8] и Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (Якутск) [9]. Обзор этих материалов сделан недавно [2]. Позднее академик В.П. Мельников отметил [10], что серьезное и масштабное сотрудничество мерзлотоведов с климатологами началось лишь последние тридцать лет, а до этого работали независимо друг от друга.
Между тем, геологическая история Земли свидетельствует, что уже более двух миллиардов лет нашу планету сопровождает смена похолоданий и потеплений, при этом отдельные похолодания сопровождались оледенениями такого масштаба, что приводили к гибели до девяноста процентов видов, существовавших когда-то на Земле. А эпохи потеплений приводили к возникновению множества новых видов. Таким образом, фазы похолоданий и потеплений непосредственным образом обусловливали закономерности жизни на нашей планете. Поэтому в первую очередь следует обращать внимание на взаимосвязь криосферы и со всеми природными явлениями на Земле. С этих позиций связь климата и криолитозоны становится очень актуальной темой. В настоящее время общеизвестно, что лед является регулятором климата и в их взаимовлиянии заложена энергетика, способная вызывать крупные климатические изменения. При прохождении мощных теплых воздушных масс и их соприкосновением с массивами льда последние тают, и происходит выделение холода. Противоположное явление происходит при замерзании воды: выделяется тепло. Эти противоположные процессы в значительной степени нивелируют климатические колебания.
Относительно прогноза состояния климата в обозримом будущем и его влияния на криосферу Земли, то вся предыдущая история ее развития свидетельствует, что никаких особых климатических катастроф ждать нет оснований. В ближайшие десятилетия резких изменений климата на нашей планете не предвидится, а скорее всего, будет некоторое похолодание, подобное тому, что наблюдалось в послевоенное время. В середине 1970-х гг. оно вновь сменилось потеплением. Анализ тенденций изменения среднегодовой температуры грунта свидетельствует, что начинается эпоха похолодания. Во многих регионах фиксируется понижение среднегодовой температуры грунтов в зоне годовых теплооборотов по сравнении с предыдущим десятилетием на значения от долей градуса до одного-двух градусов Цельсия. Постепенно представления о сочетании естественных и техногенных причин, обусловливающих тенденции изменения современного климата с частым преобладанием первых, была принята большинством ученых разных направлений.
В этом плане особый интерес представляет научное сообщение «Климат и Океан», сделанное 10 марта 2015 г. на заседании Президиума Российской академии наук академиком Р.И. Нигмату-линым, директором Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН. В нем отмечено [11], что эффект глобального потепления до недавнего времени многими исследователями связывался в основном с ростом концентрации углекислого газа, происходящего вследствие антропогенной деятельности (действующих промышленных предприятий, выхлопных выбросов автотранспорта и т.д.). При этом в последние годы существенно сократились площади лесов, в значительной степени перерабатывающих углекислый газ. Раскрыв этот сложный природный механизм формирования климата, ученый уверенно заявил, что существующий уровень раз-
вития науки позволяет значительно скорректировать имеющиеся представления. Впрочем, этот интереснейший вопрос пока не является предметом нашей статьи. Гораздо важнее для нас мнение Р.И. Нигматулина о соотношении техногенных и естественных причин изменения климата. Ученый на примере течения Гольфстрим показал, что от его прогретых вод формируется теплый воздух, поступающий в Европу и принципиально меняющий ее климат. Так в полярной Исландии зимы стали такими же, как в южной Европе. В Москве также ощущается влияние теплого течения Гольфстрим, в ней гораздо теплее по сравнению с находящимися на одной широте Уфой и Тюменью, где зима гораздо холоднее, поскольку там Гольфстрим почти никакого влияния не оказывает. Даже в южных частях Норвегии, Швеции и Финляндии зима теплее, чем на Украине.
Особое внимание Р.И. Нигматулин уделяет особенностям формирования теплового баланса поверхности Земли, отмечая, что масса океана в триста раз превышает объем воздуха, а его теплоемкость, соответственно, выше в тысячу раз. В то же время, в океане растворено углекислого газа в пятьдесят раз больше, чем в атмосфере, поэтому его роль в формировании климата, безусловно, решающая. Ученый отмечает ряд других механизмов, которые также влияют на формирование климата и приходит к выводу, что основные тенденции изменения климата за последние 150 лет сводятся к следующему: есть периоды потепления, чередующиеся с этапами стабилизации и похолодания. Именно он протекает в настоящее время и продолжается около 14 лет и продлится еще примерно 10 лет. Академик Р.И. Нигма-тулин считает, что современные климатические модели пока несовершенны и их нельзя использовать для принятия экономических решений.
Академиком Ю.А. Израэлем с соавторами [12] по данным о количестве
осадков и высоте снежного покрова за период 1961-2003 гг. на северных метеорологических станциях РФ, проведен комплексный анализ изменений температуры воздуха и грунтов. Оценен диапазон отклонений температур воздуха и почвы для разных периодов осреднения и их прогностических значений до 2020 г.: от -0,9 до 3,4 °С - для температуры воздуха; от - 0,2 до 2,4 °С - для температуры почвы на глубине 0,8 м; от -0,5 до 2,2 °С - на глубине 1,6 м. Рассчитаны коэффициенты линейного тренда температуры воздуха, изменяющиеся в среднем за год в диапазоне от 0,013 до 0,058 °С/год, в среднем за холодный период от 0,014 до 0,072 °С/год и за теплый - от 0,012 до 0,044 °С/год. Коэффициенты линейного тренда температуры почвы на глубинах в среднем за год находятся в пределах от 0,004 до 0,059 °С/год, в холодный период - от -0,018 до 0,119 °С/год и от -0,035 до 0,071 °С/год в теплый период. Приведены примеры реконструкций температуры почвы на глубинах с помощью простой и множественной регрессий.
А как на практике?
Ранее говорилось о роли региональных особенностей в формировании обзорной картины геокриологической обстановки отдельных регионов РФ. На примере побережий Арктических морей и островов Восточной Сибири показаны последствия климатического потепления в районах распространения ММП [4, 13]. Среди существующих типов берегов, наиболее подвержены деструктивным процессам толщи, содержащие большие включения льда, называемые «ледовым комплексом» (рис. 2). Судя по наблюдениям последнего десятилетия в центральной части моря Лаптевых, скорости разрушения и отступания подобных берегов по сравнению со средней многолетней нормой увеличились в 1,5-2 раза.
Несомненно, что основной вклад в это явление внесло увеличение глубины
сезонного оттаивания пород, слагающих прибрежные участки и сокращение морских льдов, в результате возросла штормовая активность, играющая главную роль в разрушении берегов. Льдистые морские берега, протяженность которых составляет более трети побережья Восточной Сибири, в настоящее время отступают со скоростью от 0,5 до 25 м/год, отражаясь на состоянии населенных пунктов, кладбищ, коммуникационных линий, средств навигационного обеспечения морского транспорта и других объектов.
Особую экологическую опасность в этой связи представляет утеря радиоизотопных термоэлектрических генераторов - источников питания маяков. Несмотря на то, что затрачиваются значительные усилия по обеспечению их нормативной эксплуатации, своевременной замене и надлежащей утилизации, имеются случаи их утери. Немаловажен и геополитический аспект данной проблемы, когда только в Восточной Сибири Россия ежегодно теряет более 10 км2прибрежной суши, а по всему побережью Арктики - до 30 км2. Сокращается и площадь многих арктических островов, а некоторые малые острова, как например, легендарная «Земля Сан-никова», исчезли, буквально «растворившись» в океане в течение прошлого столетия. На рисунке 3 отображены современные процессы деструкции берегов арктических морей.
Разрушаемые берега морей Восточной Сибири продуцируют большое количество берегового обломочного материала (в среднем 152 млн. т/год) и органического углерода (4 млн. т/год), поступающих в арктический бассейн и превышающих суммарный береговой вынос во все остальные арктические моря. По обломочному материалу вклад этих берегов составляет 55 % от того, что дает все арктическое побережье России, по органическому углероду - 69 %. Масса обломочного материала, поступающего от берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, почти в три раза
превосходит региональный твердый сток рек. При этом «ледовый комплекс» побережий морей Восточной Сибири является важнейшим источником берегового потока наносов, его доля в общей массе наносов от берегов всех арктических морей составляет 42 %, а по органическому веществу - 66 %.
Наступление моря на сушу сопровождается активизацией негативных процессов даже на большом удалении от берега в сторону суши. Быстро развиваются овраги, провалы и оползни, разрушаются склоны.
Рис. 1. Карта распространения многолетнемерзлых пород России
Рис. 2. Участок берега арктического моря Лаптевых, сложенный породами «ледового комплекса» с содержанием льда около 90 %
(фото М.Н. Григорьева)
Эти процессы охватывают значительные площади, распространяются с высокой скоростью вглубь суши и сопутствуют разрушению и отступанию берегов, они представляют большую опасность для объектов инфраструктуры [4]. До недавнего времени прогнозирование скорости разрушения арктических берегов было затруднено из-за ограниченности информации, но в настоящее время собран достаточный массив данных о многолетних трендах и скоростях отступания берегов. Это позволяет предусмотреть возможные негативные последствия и разработать предупредительные и компенсирующие меры по уменьшению ущерба. Необходимо также отметить, что происходящее в Арктике потепление климата и обусловленное им сокращение площади льдов приведет к активизации штормов и ускорению разрушения и отступания берегов, а также к усилению выноса от берегов на шельф обломочного материала, в том числе к выбросам органического углерода, являющихся дополнительным источником парниковых газов - метана и углекислого газа.
Оригинальные материалы по этой тематике приводит сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН С О. Разумов [14]. Следствием потепления климатических условий в конце XX - начале XI вв. явилась резкая активизация деструктивных криогенных процессов на обширных территориях приморских низменностей и, особенно, на побережье восточного сектора Российской Арктики. В районах интенсивного освоения эти процессы развивались быстрыми темпами, достигая скорости разрушения льдистых берегов в 17 м/год. Для оценки темпов разрушения льдистых берегов восточных арктических морей России, сложенных позднеплейстоценовым ледовым комплексом, в естественных условиях была применена физико-математическая модель динамики криогенных морских берегов в нестационарных климатических условиях.
В этой модели основными факторами термоабразии арктических берегов
являются климатические изменения и пространственная неоднородность мерз-лотно-геологических условий. Высота береговых уступов на участках развития пород ледового комплекса колеблется от 10 до 30 м (см. рис. 2). В уступах обнажаются мощные повторно-жильные льды, прослеживающиеся от поверхности до подошвы, иногда включающие бивни мамонтов (рис. 4). Минеральная компонента представлена тяжелыми и легкими пылеватыми супесями и суглинками, средняя объемная льдистость которых составляет 50 %.
Динамика криогенных комплексов побережья восточных арктических морей России в целом согласуется с изменением термических характеристик климата. Это положение подтверждается результатами наблюдений на мониторинговых участках арктического побережья, когда рост темпов разрушения криогенных берегов до 15-17 м/год.
При повышении средней температуры воздуха сезона оттаивания на 3 °С, к середине XXI в. темп разрушений криогенных берегов может достигать катастрофических скоростей, при летних температурах воздуха 6 °С - в 5-7 раз превышающие современные значения. При максимальных темпах природопользования скорость разрушения берегов может возрасти еще и достигать на отдельных участках льдистых берегов 40-50 м/год [15].
Сотрудники ИМЗ СО РАН ВТ. Ба-лобаев, Ю.Б. Скачков и Н.И. Шендер [16], составили прогноз изменения климата и мощности мерзлых пород Центральной Якутии до 2200 г. С помощью метода гармонического анализа были изучены закономерности изменения во времени температуры воздуха в г. Якутске за период метеорологических наблюдений с 1829 г.
Выявлены три гармонические функции, обобщенно описывающие этот температурный ряд. До сих пор неясным остается вопрос, что лежит в основе этого мощного глобального энергетическо-
го процесса? Климат Земли за все время ее существования менялся постоянно. Но причины его изменений были разные. Большинство их носило периодический характер. Установлено, что начавшееся в 1970-е гг. прошлого века потепление современного климата заканчивается и процесс переходит в режим похолодания, который продолжится до 20502060 гг., а далее температура будет колебаться с преобладанием дальнейшего похолодания. До настоящего времени антропогенные факторы не оказывали заметного влияния на температуру воздуха, а завершающееся потепление -естественный природный процесс. Прогнозируется, что температура мерзлых пород будет колебаться, но их мощность останется практически неизменной.
Анализ данных по метеостанции г. Якутска свидетельствует, что средняя годовая температура воздуха за последние 50 лет увеличилась на 3,3 °С [17]. Это очень значительное потепление, но относить его к категории глобальных не следует. Для конкретных территорий температура воздуха определяется в значительной степени характером и интенсивностью переноса воздушных масс и их пространственной изменчивостью. В арктических регионах Якутии с иной системой атмосферной циркуляции, потепление, в отличие от Центральной Якутии, до последнего времени проходило более медленными темпами. А в таких городах, как Алдан, Олекминск, Ленск с конца 1980-х гг. происходило даже слабое похолодание.
Особое внимание уделяется изменению состояния ММП, возможности их оттаивания и увеличению слоя сезонного летнего протаивания. При этом потепления холодного и теплого периодов существенно отличаются - в Центральной Якутии зимнее потепление за 50 лет составило 4,5 °С, а летнее - менее 2 С. В результате увеличение сезонного про-таивания грунтов в годовом выражении почти не происходит. В 1998 г. Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельни-
кова СО РАН совместно с Геофизическим институтом Университета Аляски провел гармонический анализ длинных рядов наблюдений за температурой воздуха в г. Якутске и в г. Фербенксе. В результате было выявлено [16], что изменения температуры в г. Якутске хорошо описываются постоянной составляющей и четырьмя основными гармониками с периодами 300, 110, 75 и 14 лет. Анализ постоянной составляющей за период 1970-2000 гг., когда фиксировалось наибольшее потепление климата, не выявил ее роста в это время. Не было обнаружено и какой либо линейной составляющей у кривой, соответствующей росту СО2, что свидетельствует об отсутствии влияния «парникового» эффекта на температуру воздух в районе Якутска, а ее максимум возник вследствие совпадения фаз максимумов положительных амплитуд гармоник разного порядка.
Анализ показывает, что в период 2005-2017 гг. происходит завершение потепления, когда среднегодовая температура воздуха в Якутске достигнет -8,0 °С, после чего вплоть до 2054 г. предполагается интенсивное похолодание до -11 °С. Затем вероятен новый период потепления, который продлится до конца нашего века, когда температура может вновь подняться до -8,5 ^ -9,0 °С. Следующее столетие будет характеризоваться относительным постоянством температуры воздуха, но к его концу она может понизиться до -11,5 °С и это станет самым низким показателем, начиная с 1900 г.
Для составления прогноза изменения теплового состояния мерзлых пород в результате современного и последующего изменений климата необходимо перейти от температуры воздуха к температуре поверхности мерзлых пород. Разница между ними очень большая и зависит от многих природных факторов, основные из которых снежный покров, растительность, напочвенные покровы и свойства почвенно-грунтового слоя.
Рис. 3. Современные процессы деструкции берега арктического моря Лаптевых
(фото М.Н. Григорьева)
Рис. 4. Мощные повторно-жильные льды в береговом уступе моря Лаптевых с включениями бивней мамонтов (фото М.Н. Григорьева)
Рис. 5. Термоэрозионные последствия бессистемного движения гусеничной техники на участке трассы ж/д Томмот-Кердем, 2006 г. (фото Л.Г. Нерадовского [18])
Количественно оценить их изменение в будущем пока невозможно. В.Т. Балобаев с соавторами [16] сравнивали температуры воздуха и мерзлых горных пород на глубине 3,2 м по данным метеостанции Якутск за период 1963-2003 гг. (табл. 1). Установленная зависимость использована мерзлотоведами ИМЗ [16] для нахождения температуры поверхности мерзлых пород в предстоящее двухсотлетие (табл. 2).
Несмотря на колебания температуры дневной поверхности от нагревания к охлаждению и обратно, наблюдается неуклонное уменьшение мощности ММП. Колебания температуры влияют лишь на темп уменьшения данного параметра. Это объясняется тем, что в районе Якутска залегает мерзлая толща, имеющая нестационарный тепловой режим. Это нормальное явление, которое встречается в слабо сцементированных водонасыщенных породах верхней юры, мела и кайнозоя. Особенно широко оно развито на территории Западной Сибири и на низменностях Восточной Сибири. Измерения в районе г. Якутска
[16] показали, что за период с 1991 по 2003 гг. температура до глубины 70 м в основном слабо менялась в сторону повышения (табл. 3).
В.Т. Балобаев с соавторами особо подчеркивают, что криолитозона по своей физической сущности является чрезвычайно инерционной природной системой, различные колебания поверхностных условий вглубь которой распространяются медленно, неглубоко и быстро затухают. Опасаться следует только перехода температуры поверхности мерзлых пород в область положительных значений, что приводит к значительному увеличению слоя летнего оттаивания грунтов либо к началу про-таивания ММП сверху. Это приводит к кардинальной смене геосистем, потере устойчивости и надежности систем жизнеобеспечения и инженерной инфраструктуры, с их деформациями, а порой и полным разрушением. Прогнозы подобных событий на очень длительный срок мало достоверны, особенно учитывая значимость и непредсказуемость техногенного фактора [16].
Таблица 1
Соотношение температур воздуха и почвы на глубине 3,2 м в районе г. Якутска, 1963-2003 гг., °С
1963-1966 1967-1972 1973-1979 1980-1984 1985-1990 1991-1996 1997-2003
Т воздуха -11,5 -11,0 -10,5 -10,0 -9,5 -9,0 -8,5
Т почвы -2,6 -2,3 -2,0 -1,6 -1,2 -0,9 -0,5
Д Т -8,9 -8,7 -8,5 -8,4 -8,3 -8,1 -8,0
Таблица 2
Изменение мощности мерзлых пород, 1950-2200 гг.
1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100 2125 2150 2175 2200
Температура поверхности, °С Мощность мерзлоты, м -2,0 326 -1,5 324 -0,5 321 -0,9 321 -2,3 321 -1,1 317 -0,9 316 -1,6 316 -1,6 315 -2,2 314 -2,4 313
Таблица 3
Изменение температуры мерзлых пород на разных глубинах, 1991-2003 гг., °С
Глубина, м
5 10 20 30 40 50 60 70
1991 -1,5 -2,0 -2,1 -2,2 -2,2 -2,2 -2,2 -2,1
2003 -1,9 -2,3 -2,0 -2,1 -2,1 -2,2 -2,1 -2,1
ДТ -0,4 -0,3 0,1 0,1 0,1 0 0,1 0
Последствия техногенеза, особенно его «неразумного варианта», многообразны и отчетливы. На рисунке 5 наглядно представлено к чему привело неконтролируемое движение буровой техники на гусеничном ходу с марта 2005 г. на участке трассы ж/д Томмот-Кердём. Немедленно возникшие термоэрозионные процессы, когда в некоторых местах глубина оврагов достигала двух метров, за два сезона привели дорогу в полную негодность. Аналогичные негативные последствия безграмотного освоения территорий, сложенных льдонасыщенными грунтами, повсеместны в криолитозоне.
Заключение
Динамика современного климата и ее влияние на ММП, и состояние инженерных объектов в криолитозоне является принципиальной проблемой, мнения по которой существенно отличаются. Проблема стала перед специалистами практически с момента становления геокриологии как науки и не потеряла актуальности до сих пор и имеет несколько аспектов, в том числе и изменение свойств и морфологии мерзлых толщ при различных сценариях изменения климата. Ей успешно занимались еще на начальном этапе формирования представлений о динамике климата, не потеряла свою актуальность до сих пор.
Вся история климатического развития нашей планеты представляет постоянное чередование периодов потепления/похолодания приземных слоев атмосферы, обусловленных разными при-
Список литературы
1. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Росгидромет. 2014 г. С.1008 [Электронный ресурс]. - URL: http://downloads.igce.ru/publications/OD_2_2014/v2014/htm/Lhtm.
2. Шац М.М., Скачков Ю.Б. Климат Севера: Потепление или похолодание? // Климат и природа. - 2016. - № 2 (19). - С. 27-37.
3. Анисимов О.А., Лавров С.Н. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка рисков для производственных объектов [Электронный ресурс]. - URL: http://arti cles.excelion.ru/science/geografy/55448055.html.
4. Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза
чинами. Все эти периоды, в зависимости от активности и интенсивности источника теплового воздействия, имели различные продолжительность и амплитуду. Обсуждаемое потепление климата обусловлено тремя разнопериодными источниками, максимумы которых совпали по фазе и наложились друг на друга. За последние полвека в Центральной Якутии потеплело на 2,0-3,3 °С [17]. В настоящее время потепление достигло своего максимума и вскоре вероятно сменится похолоданием [16].
Анализ изменения температуры воздуха за последние 200 лет не выявил какого-либо влияния парниковых газов. Возможно, их влияние не превышает доли градуса, а ведь именно эти газы совсем недавно считались основной причиной потепления. В период потепления основной поставщик углекислого газа - океан. При его нагревании растворимость газа в воде уменьшается, и часть его возвращается в атмосферу. Антропогенный поток СО2 составляет всего около 0,007 % от его общего количества в атмосфере, поэтому заметно влиять на потепление не может.
В криолитозоне современное потепление пока слабо повлияло на тепловое состояние мерзлых пород и быть причиной катастрофических последствий не может. Что касается антропогенной составляющей, то ее роль, к сожалению, достаточно велика и многообразна и, безусловно, заслуживает специального изучения.
наблюдений и моделирования / О.А. Анисимов, М.А. Белолуцкая, М.Н. Григорьев, А. Инстанес, В.А. Кокорев, Н.Г. Оберман, С.А. Ренева, Ю.Г. Стрельченко, Д.А. Стрелецкий, Н.И. Шикломанов. - М.: ОМННО Гринпис России, 2010. - 44 с.
5. Клименко В.Н. Глобальные изменения климата: Что ждет Россию [Электронный ресурс]. - URL: http://www.polit.ru/analytics/2005/01/12/klim.html.
6. 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 // Geographical Review. - 2016. - October. - P. 125-142.
7. Стрелецкий Д.А., Шикломанов Н.И., Хатлеберг Е. 2012. Инфраструктура и меняющийся климат в российской Арктике: оценка географического воздействия // Матер. 10-й Междунар. конф. по вечной мерзлоте, 25-29 июня 2012 г. Т. 1. - Салехард, 2012. - 407-412.
8. Мельников В.П. Прогресс на вечной мерзлоте [Электронный ресурс]. - URL: http://www.expert.ru/printissues/ural/2005/17/17ur-unit/).
9. Балобаев В.Т., Шепелев В.В. Космопланетарные климатические циклы и их роль в развитии биосферы Земли // ДАН. - 2001. - Т. 379. - № 2. - С. 3-8.
10. Мельников В.П. Европу замело [Электронный ресурс]. - URL: http://rusoch.fr/guests/evropu-zamelo.html#more-7975.
11. Нигматулин Р.И. Глобальное потепление и глобальное похолодание [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=975854e9-8176-420e-8489-826cceee5084&print=1.
12. Израэль Ю.А., Павлов А.В., Анохин Ю.А. и др. Статистические оценки изменения элементов климата в районах вечной мерзлоты на территории Российской Федерации // Метеорология и гидрология. - 2009. - № 5. - С. 27-38.
13. Григорьев М.Н., Куницкий В.В., Чжан Р.В., Шепелев В.В. Об изменении геокриологических, ландшафтных и гидрологических условий в арктической зоне Восточной Сибири в связи с потеплением климата // География и природные ресурсы. - 2009. - № 2. - С. 5-11.
14. Разумов С.О. Оценка современных темпов деградации многолетнемерзлых пород, тенденций и последствий ее развития в XXI в. // Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия: матер. VIII междунар. науч. конф., 17-18 июня 2015 г. Ч. 1. Естественные и технические науки. - North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2015. - С. 39-43.
15. Разумов С.О. Катастрофическое разрушение береговых криогенных геосистем восточной Арктики в современных и прогнозируемых природно-техногенных условиях // Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире. ГЕОРИСК-2015: матер. IX междунар. конф. - М.: РУДН, 2015. - Т. 2. - С. 517-523.
16. Балобаев В.Т., Скачков Ю.Б., Шендер Н.И. Прогноз изменения климата и мощности мерзлых пород Центральной Якутии до 2200 г. // География и природные ресурсы. - 2009. - № 2. - С. 50-56.
17. Скачков Ю.Б. Динамика изменения среднегодовой температуры воздуха в республике Саха (Якутия) за последние 50 лет // Тр. Девятого междунар. симп. «Баланс углерода, воды и энергии и климат бореальных и арктических регионов с особым акцентом на Восточную Евразию», посвященного 25-летию начала совместных российско-японских исследований по изучению изменения климата в криолитозоне, 1 -4 ноября 2016 г. - Якутск (Россия), Нагоя (Япония): Изд-во Университета Нагоя, 2016. -С. 208-211.
18. Нерадовский Л.Г. Изучение ледового комплекса Лено-Амгинского междуречья /// Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2008. - № 5. -С. 460-467.
References
1. Vtoroy otsenochny doklad ob izmeneniyakh klimata i ikh posledstviyakh na territorii Rossyskoy Federatsii. Rosgidromet. 2014 g. S.1008 [Elektronny resurs]. - URL: http://downloads.igce.ru/publications/OD_2_2014/v2014/htm/Lhtm.
2. Shats M.M., Skachkov Yu.B. Klimat Severa: Potepleniye ili pokholodaniye? // Klimat i priroda. - 2016. - № 2 (19). - S. 27-37.
3. Anisimov O.A., Lavrov S.N. Globalnoye potepleniye i tayaniye vechnoy merzloty: otsenka riskov dlya proizvodstvennykh obyektov [Elektronny resurs]. - URL: http://arti cles.excelion.ru/science/geografy/55448055.html.
4. Osnovnye prirodnye i sotsialno-ekonomicheskiye posledstviya izmeneniya klimata v rayonakh rasprostraneniya mnogoletnemerzlykh porod: prognoz na osnove sinteza nablyude-ny i modelirovaniya / O.A. Anisimov, M.A. Belolutskaya, M.N. Grigoryev, A. Instanes, V.A. Kokorev, N.G. Oberman, S.A. Reneva, Yu.G. Strelchenko, D A. Streletsky, N.I. Shi-klomanov. - M.: OMNNO Grinpis Rossii, 2010. - 44 s.
5. Klimenko V.N. Globalnye izmeneniya klimata: Chto zhdet Rossiyu [Elektronny resurs]. - URL: http://www.polit.ru/analytics/2005/01/12/klim.html.
6. 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 // Geographical Review. - 2016. - October. - P. 125-142.
7. Streletsky D.A., Shiklomanov N.I., Khatleberg Ye. 2012. Infrastruktura i menyayushchy-sya klimat v rossyskoy Arktike: otsenka geograficheskogo vozdeystviya // Mater. 10-y Mezhdu-nar. konf. po vechnoy merzlote, 25-29 iyunya 2012 g. T. 1. - Salekhard, 2012. - 407-412.
8. Melnikov V.P. Progress na vechnoy merzlote [Elektronny resurs]. - URL: http://www.expert.ru/printissues/ural/2005/17/17ur-unit/).
9. Balobayev V.T., Shepelev V.V. Kosmoplanetarnye klimaticheskiye tsikly i ikh rol v razvitii biosfery Zemli // DAN. - 2001. - T. 379. - № 2. - S. 3-8.
10. Melnikov V.P. Yevropu zamelo [Elektronny resurs]. - URL: http://rusoch.fr/guests/evropu-zamelo.html#more-7975.
11. Nigmatulin R.I. Globalnoye potepleniye i globalnoye pokholodaniye [Elektronny resurs]. - URL: http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=975854e9-8176-420e-8489-826cceee5084&print=1.
12. Izrael Yu.A., Pavlov A.V., Anokhin Yu.A. i dr. Statisticheskiye otsenki izmeneniya elementov klimata v rayonakh vechnoy merzloty na territorii Rossyskoy Federatsii // Meteor-ologiya i gidrologiya. - 2009. - № 5. - S. 27-38.
13. Grigoryev M.N., Kunitsky V.V., Chzhan R.V., Shepelev V.V. Ob izmenenii geokrio-logicheskikh, landshaftnykh i gidrologicheskikh uslovy v arkticheskoy zone Vostochnoy Sibi-ri v svyazi s potepleniyem klimata // Geografiya i prirodnye resursy. - 2009. - № 2. - S. 5-11.
14. Razumov S.O. Otsenka sovremennykh tempov degradatsii mnogoletnemerzlykh porod, tendentsy i posledstvy eye razvitiya v XXI v. // Prioritety mirovoy nauki: eksperiment i nauchnaya diskussiya: mater. VIII mezhdunar. nauch. konf., 17-18 iyunya 2015 g. Ch. 1. Yestestvennye i tekhnicheskiye nauki. - North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2015. -S. 39-43.
15. Razumov S.O. Katastroficheskoye razrusheniye beregovykh kriogennykh geosistem vostochnoy Arktiki v sovremennykh i prognoziruyemykh prirodno-tekhnogennykh uslovi-yakh // Analiz, prognoz i upravleniye prirodnymi riskami v sovremennom mire. GEORISK-2015: mater. IX mezhdunar. konf. - M.: RUDN, 2015. - T. 2. - S. 517-523.
16. Balobayev V.T., Skachkov Yu.B., Shender N.I. Prognoz izmeneniya klimata i moshchnosti merzlykh porod Tsentralnoy Yakutii do 2200 g. // Geografiya i prirodnye resursy. - 2009. - № 2. - S. 50-56.
H3eecmun AO PW. 2017. № 3 (46)
17. Skachkov Yu.B. Dinamika izmeneniya srednegodovoy temperatury vozdukha v respublike Sakha (Yakutiya) za posledniye 50 let // Tr. Devyatogo mezhdunar. simp. «Balans ugleroda, vody i energii i klimat borealnykh i arkticheskikh regionov s osobym aktsentom na Vostochnuyu Yevraziyu», posvyashchennogo 25-letiyu nachala sovmestnykh rossysko-yaponskikh issledovany po izucheniyu izmeneniya klimata v kriolitozone, 1-4 noyabrya 2016 g. - Yakutsk (Rossiya), Nagoya (Yaponiya): Izd-vo Universiteta Nagoya, 2016. -S. 208-211.
18. Neradovsky L.G. Izucheniye ledovogo kompleksa Leno-Amginskogo mezhdurechya /// Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya. - 2008. - № 5. -S. 460-467.
CONSEQUENCES OF THE DYNAMICS OF THE CONTEMPORARY CLIMATE OF THE NORTH FOR PERMAFROST ROCKS
M M. Shatz, Yu.B. Skachkov
Permafrost Institute P.I. Melnikov SB RAS, Yakutsk, E-mail: [email protected], [email protected]
The article describes the temporal dynamics of the existing ideas on the basic trends of climate change and its consequences for the main components of geosystem in the North of Russian Federation. The main focus of the present article is focused on the study result of the effects of climate change for one of the most stable components of the environment - permafrost (MMP). The article shows that the history of the climate development of the Russian North is a constant alternation of periods of warming-cooling in the lower layers of the atmosphere due to various reasons. All these periods, depending on the activity and intensity of the thermal exposure source have had Influenced permafrost rock on a different level. It was noted that along with the natural, there's a less massive but a significant impact on permafrost by technogenic factors.
Keywords: main trends of climate change; the impact of climate change on permafrost; natural and technogenic factors.
Received May 3, 2017
