CC BY
20STORM EROSION OF ARCTIC COASTS UNDER THE COMBINED ACTION OF THERMAL AND
MECHANICAL FACTORS
Marakhtanov V.
Candidate of geographical Sciences, senior researcher at the laboratory of Genecology of the North, faculty of geography, Lomonosov Moscow state University, Moscow
ШТОРМОВОЙ РАЗМЫВ АРКТИЧЕСКИХ ПОБЕРЕЖИЙ ПРИ СОВМЕСТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
ТЕПЛОВОГО И МЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРОВ
Марахтанов В.П.
К.геогр.н., старший научный сотрудник лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва
Abstract
The method of account of the joint effect of the sum of positive air temperatures and periodic storms on the rate of retreat of coastal slopes, composed of loose permafrost rocks. The basis of this technique is the notion of a "thermo mechanical thawing soil". The effect of thermal and mechanical factors is determined by the value of the special index calculated from the data of meteorological observations. In the Marre-Sale region on the Yamal Peninsula this figure correlates closely with the magnitude of retreat of the coast during 1979 - 2009.
Аннотация
Предложена методика учета совместного воздействия суммы положительных температур воздуха и периодических штормов на скорость отступания береговых откосов, сложенных рыхлыми мерзлыми породами. В основе методики лежит понятие «термомеханическое оттаивание грунта». Степень воздействия теплового и механического факторов определяется через величину специального показателя, рассчитываемого по метеоданным. В районе Марре-Сале на полуострове Ямал этот показатель имеет тесную корреляцию с величиной отступания берега за 1979 - 2009 г.г.
Keywords: Arctic coast, storm erosion, thermomechanical thawing of soil, entropy
Ключевые слова: арктическое побережье, штормовой размыв, термомеханическое оттаивание грунта, энтропия
Тепловой и механический фактор играют главную роль в развитии деструктивных природных процессов на арктических побережьях, сложенных рыхлыми многолетнемерзлыми породами (ММП) или льдом. Это находит отражение даже в самом названии указанных процессов - термоабразия, термоденудация, термоэрозия. Важно отметить, что воздействие тепловой энергии во всех этих процессах опережает воздействие механической, поскольку «Размыв ММП в естественных условиях происходит только по мере их оттаивания» [1, стр. 37] . Другими словами, деструкция породы происходит по схеме «оттаивание-снос», причем процесс может иметь циклический характер [2].
Считается, что при штормовом размыве берегов арктических морей основным процессом является термоабразия, при которой «механическое и тепловое воздействия водных масс на ММП береговой зоны неразрывно связаны» [1, стр. 6]. В ряде работ, содержащих определение понятия термоабразии [1,3,4,5], говорится, что при этом процессе морская вода непосредственно контактирует с размываемой ей толщей ММП. Исходя из такого подхода, «не следует также тепло воздушных масс и солнечную радиацию считать агентами термоабразии» [1, стр. 6]. а размыв и отступание берега должны обусловливаться образованием абразионных ниш в ММП под воздействием волнения и вдольбереговых течений с последующим обрушением мерзлых блоков и размывом их морской водой. О возможном эффекте такого процесса можно, например, судить по данным из [6], согласно которым шторм продолжительностью 156 часов выработал в песчано-алевритовых ММП термоабрази-
онные нищи глубиной до 10 - 12 м, а на 2-километровом участке берега обрушились блоки грунта длиной до 25 - 30 м и шириной до 8 - 10 м.
«Однако реальный механизм разрушения берегов далеко не всегда ограничивается процессом термоабразии. Для побережья Карского моря, скорее наоборот, термоабразия является всего лишь одним из механизмов разрушения берегов» [7, стр. 60]. Так, в летний период, в промежутках между штормами, происходит оттаивание ММП, слагающих склон, под воздействием тепла воздушных масс и солнечной радиации. Часть оттаявшего грунта сносится вниз под действием гравитации (термоденудация), а большая часть (особенно на склонах с малольдистыми ММП), формирует относительно устойчивый сезонно талый слой (СТС). При каждом шторме «Динамическое воздействие вод на оттаявшие породы приводят к размыву СТС и продуктов денудации в основании берега. Вследствие этого лежащие выше по склону отложения СТС лишаются опоры, сплывают вниз к подножию берегового уступа» [8, стр. 78]. Поскольку при этом склон отступает только под динамическим воздействием моря, Л.А. Жигарев считает такой процесс абразионным, а не термоабразионным [8]. По нашему мнению, в данном случае мы имеем дело с термоабразией, так как отступание склона происходит под совокупным (хотя и разделенным во времени) воздействием термического (тепло воздуха, формирующее СТС) и механического (морская абразия, размывающая СТС) факторов. Таким образом, мы вслед за Т.П. Кузнецовой и Т.Н. Каплиной считаем термоабразией разрушение берегов, сложенных ММП, в результате механического и термического воздействия морской воды, а также под действием тепла воздушных масс [1, стр. 5].
Периодический штормовой размыв СТС береговых откосов как основной фактор их отступания широко распространен на участках побережий арктических морей, сложенных эпигенетически промерзшими песчано-глинистыми грунтами сравнительно небольшой (порядка 20 - 40 %) льдистости. Подобные берега, например, характерны для Карского моря [7]. На морях восточного сектора российской Арктики общая протяженность таких берегов составляет, более 3000 км [9].
С целью изучения последствий штормового размыва берегового откоса крутизной 40 - 50°, сложенного с поверхности песчано-алевритовыми
грунтами СТС, на юго-западном берегу Байдарац-кой губы нами были проведены экспериментальные работы в октябре 1993 г. На трех профилях до начала осеннего штормового периода через каждые 1,5 м была измерена мощность СТС. Сильный шторм при скорости ветра до 20 м/с наблюдался 3 - 5 октября 1993 г. Он сопровождался нагоном воды, достигавшим подножия береговых откосов. В результате воздействия штормовых волн продукты денудации были унесены в море, а на склоне обнажились мерзлые породы. В табл. 1 показана мощность СТС до и после шторма.
Табл. 1
Мощность слоя оттаявших отложений береговых откосов
№№ точек Мощность сезонноталого слоя, см
Про< )иль № 1 Профиль № 2 Профиль № 3
до шторма после шторма до шторма после шторма до шторма после шторма
1 65 25 130 30 >0 50
2 105 0 >150 0 145 0
3 >150 0 >150 0 150 35
4 135 0 >150 0 150 75
5 110 0 >150 0 155 65
6 75 0 >150 0 135 60
7 45 60 85 70 65 46
8 55 55 - - - -
В основании берега были размыты мерзлые породы с формированием термоабразионных ниш. На профиле № 1 глубина ниш составила 1,0 -1,5 м, на профиле № 2 глубина 2,5 - 4,0 м, высота по краю откоса 2,0 м, на профиле № 3 глубина 2 м, высота 1,1 м. К западу от профиля № 3 глубина ниш не превышала 0,5 м.
Расчеты количества материала, унесенного в море с берега, показали, что его основная часть (70 - 75 %) уносится уже в рыхлом состоянии под воздействием гидродинамических факторов (штормового волнения и волнового прибойного потока) и только 25 - 30 % размывается под воздействием термического (температура воды) и гидродинамического факторов. При этом над термоабразионными нишами впоследствии не происходило блоковых обрушений мерзлого грунта, т.е. термоабразия «в чистом виде» на скорость отступания берегового откоса не влияла. Унесенный морем рыхлый материал представлен грунтами СТС, из которых меньшая часть образована продуктами термоденудации, скопившимися у подножия откоса до начала шторма, а большая - грунтами СТС, смытыми со склона во время шторма.
Таким образом, значительный вклад в отступание арктических берегов, сложенных ММП пес-чано-глинистого состава, в большинстве случаев вносят:
- тепловая энергия воздушных масс;
- механическая энергия моря.
Для конструктивного исследования воздействия этих факторов на динамику арктических побережий необходимо использовать их количественные показатели, значения которых можно сопоставлять с величиной отступания берега в тех или иных условиях. Тепловой фактор можно оценить
количественно через сумму положительных температур воздуха Этот параметр выражается через произведение температуры
(°С) на время (секунды, часы, сутки и т.д.). Мы в дальнейшем будем использовать в качестве времени сутки, т.е. выражать тепловой фактор через сумму положительных температур °Ссут. Для оценки механического фактора разные исследователи применяли различные показатели: ветровол-новая энергия [10], условная волновая энергия [11], повторяемость штормов [12]. Важную роль играют параметры ветра (скорость и направление), определяющие возможность возникновения волнения, способного вызывать размыв береговых откосов. Согласно [9], процесс эрозии берегов реализуется при штормовых ветрах морских румбов скоростью более 10 м/с, которые генерируют волнение, направленное к побережью. Особую ценность для исследований представляют работы, в которых изложены результаты многолетних измерений скорости отступания берега в совокупности со значениями (в том же временном интервале) обозначенных выше показателей теплового и механического факторов, например, [7, 11, 13].
Там представлены многолетние (1979 - 2010 г.г.) данные, полученные на специально оборудованном стационаре на западном побережье Ямала в районе полярной станции Марре-Сале. На участке берега протяженностью 4,5 км было оборудовано более 60 створов. Начиная с 1979 г., ежегодно в конце теплого сезона по каждому створу проводились измерения расстояния от кромки берегового обрыва до ближайшего пикета на створе [11]. Было изучено геологическое и геокриологическое строение клифа, содержание льда, морфология клифа и прилегающего участка морского дна, механизм и скорость разрушения берега [7, 11]. Размыву под-
вергаются отложения марресальской свиты, представленные глинами с прослоями алевритов и тонкозернистых песков, со льдистостью глин преимущественно 0,1 - 0,2, местами с пластовыми льдами двух генераций - нижней (2 - 5 м над уровнем моря) с мощностью льда 1 - 2 м и верхней (на высоте около 20 м над уровнем моря, на контакте с вышележащей толщей песков ненецкой свиты) мощностью 2,5 - 3,5 м [11].
В табл. 2 представлены многолетние (осред-ненные по створам) данные по скорости отступания
берегового откоса Н, сумме положительных температур воздуха У; и величине ветроволновой энергии E на Марре-Сале. Скорость отступания заимствована из [11] (данные за 1979 - 2000 г. г.) и [13] (данные за 2001 - 2009 г. г.). Сумма положительных температур получена на сервере «Погода России», ветроволновая энергия определена по графику [14, рис. 7]. Для интервалов в несколько лет в табл. 2 приведены осредненные данные за соответствующий интервал.
Табл. 2
Многолетние данные по Марре-Сале за период 1979 - 2009 гг.
Годы 1979 1980 1981 1982-1984 1985-1986 1987-1988 1989-1990 1991 1992-1993 1994-1995 1996 1997
Н, м 1 1,5 1 2,2 1,7 2 3,3 1,9 1,7 1,9 1,2 0,8
у;., 0Осут 663 365 657 719 586 681 825 744 672 820 544 -
Е *105 10,1 9,0 3,5 8,5 8,8 10,5 10,3 11,6 9,8 17,2 9,2 10,7
Годы 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Н, м 1,3 0,5 0,8 1,1 1,4 0,9 1,3 1,45 2,8 2,1 2,8 1,5
у;., °С-сут 603 393 773 708 627 784 808 849 718 827 795 802
Е *105 6,0 8,0 5,3 5,0 5,1 4,0 4,3 18,4 8,3 11,4 12,0 15,8
По данным табл. 2 автором были определены коэффициенты корреляции г между скоростью отступания берега H и суммой положительных температур воздуха У;, а также между H и величиной E *105. В первом случае г = 0,40, во втором г = 0,35. Результаты эти свидетельствуют об отсутствии значимой связи скорости отступания берега с используемыми показателями теплового и механического фактора. Несущественная роль показателя ^ в динамике берегов Карского моря отмечается в [7, 13]. В [9] термические характеристики атмосферы причисляются к основным природным факторами, определяющими динамику береговой криолито-зоны. Там предложена методика оценки влияния средней температуры воздуха безледного периода на предложенный С.О. Разумовым параметр неустойчивости, который «... характеризует потенциальную способность криогенных берегов разрушаться с той или иной интенсивностью под воздействием активных внешних факторов в данных климатических и геокриологических условиях» [9, стр. 87]. В то же время напрямую определить зависимость скорости отступания берега от суммы положительных температур воздуха в рамках предложенной методики не представляется возможным.
В свете существующих представлений, главную роль в эрозии морских арктических берегов играет волновая деятельности моря, причем характер этой деятельности различными исследователями оценивается по-разному. Так, в [7, 11] говорится об основном вкладе невысоких волн, поскольку повторяемость штормов с высотой волны 1 м и более не превышает 5 %. В этих работах приведены графики зависимости скорости отступания берега на Марре-Сале (см. табл. 2) от суммарной энергии волн. Корреляция между этими показателями составляет 0,7 - 0,8. Корреляция между энергией штормов и скоростью отступания берега равна всего лишь 0,1 [7]. В то же время в [9] считается, что «Наиболее весомое влияние оказывают дрейфующие льды и повторяемость разрушительных штормов. Их совместный вклад в динамику берегов составляет приблизительно 70 % от общего влияния всех основных факторов» (стр. 86).
Установленный ранее факт большего вклада в штормовой размыв арктических побережий механического (энергия морского волнения) фактора по сравнению с тепловым (сумма положительных температур воздуха) был предопределен методическими особенностями предшествующих исследований, а именно рассмотрением воздействия каждого фактора изолированно от другого. Подобная односторонность может быть преодолена в рамках концепции термомеханического оттаивания грунта, когда тепловой и механический фактор учитываются совместно [2].
Термомеханическое оттаивание - «циклический процесс послойного оттаивания и удаления грунта при совокупном воздействии тепловой энергии воздушных или водных масс и механической энергии земного тяготения или движущейся воды» [2]. Примером проявления термомеханического оттаивания служит периодический размыв штормами береговых откосов, сложенных дисперсными мерзлыми породами.
Данный процесс может подразделяться на несколько циклов «оттаивание берегового откоса -размыв оттаявшего слоя грунта морскими волнами при шторме». Суммарная толщина оттаявшего и удаленного слоя (величина термомеханического оттаивания) может в несколько раз превосходить толщину слоя сезонного оттаивания грунта при отсутствии размыва [2]. Это различие зависит от степени неоднородности распределения суммы положительных температур между циклами - энтропии I, которую можно рассчитать по известной в информатике формуле Шеннона: .V
^ = -УР; Р:
=: (1). где N - количество циклов «оттаивание - штормовой размыв», pi = Х; /£/, Х; - сумма положительных температур воздуха в течение данного цикла, Х - сумма положительных температур воздуха за время оттаивания берегового откоса. Для учета не только неоднородности распределения тепла, но и
его количества, можно использовать произведение
В этом произведении совместно учитываются воздействие механического (через I) и теплового (через X) факторов на штормовой размыв берега.
Возможность использования подобного подхода для совместного учета теплового и механического факторов при прогнозе величины штормовом размыве берегового откоса, сложенного ММП, лучше всего пояснить на следующем примере. Допустим, мы располагаем данными о среднесуточных температурах воздуха в летний период в районе берегового откоса, сложенного глинистой толщей со следующими характеристиками:
среднегодовая температура грунта ^ = -5 °С, теплота фазовых переходов при оттаивании грунта Q = 84000 кДж/м3, теплоемкость С = 2100 кдЖ/м3-°С, 1 = 1,5 Вт/м-°С. Необходимо определить величину штормового размыва при двух вариантах. В обоих случаях число штормов равно трем, но распределены они во времени неодинаково. При варианте I штормы происходят в конце июня, в конце июля и в конце второй декады сентября, при варианте II -в конце августа и по окончании первой и второй декад сентября. Сумма положительных температур за теплый сезон X равна 1100 °Ссут. Исходные данные и результаты расчетов представлены в табл. 3.
Табл. 3
Прогноз величины штормового размыва берегового откоса при различных вариантах взаимодей-
Месяц Декада Среднесуточная температура воздуха, °С Сумма температур, °С-сут Величина оттаивания и сноса, м
за декаду накопленная на конец декады I вариант II вариант
Июнь I 5 50 50 0,19 0,19
II 8 80 130 0,41 0,41
III 12 120 250 0,63 0,63
Июль I 12 120 370 0,79 0,79
II 15 150 520 0,45 0,93
III 15 150 670 0,71 1,03
Август I 13 130 800 0,85 1,09
II 10 100 900 0,34 1,12
III 8 80 980 0,52 1,15
Сентябрь I 6 60 1040 0,62 0,23
II 4 40 1080 0,68 0,34
III 2 20 1100 0,71 0,09
Суммарная величина размыва Н, м 2,35 1,58
Термомеханический коэффициент О = Н'/£, (£ = 1,18 м) 2 1,34
Энтропия I 1,57 0,57
т. 1757 625
Расчет величины оттаивания грунта в зависимости от суммы положительных температур, приведенной в табл. 3, выполнялся по формуле В.А. Кудрявцева [15, формула (4.1.9)]. Для возможности расчете величины оттаивания грунта в зависимости от суммы положительных температур эта формула была модифицирована [2]. В ней вместо параметра Ао использовался параметр Щ + и, в котором и вычислялось по эмпирической формуле [2]:
и = 2,59-10-9Х3 - 9,48^10"6Х?2 + 0,01356Х?. (2)
В табл. 3 в клетках с темным фоном представлена толщина оттаявшего слоя, который был смыт под воздействием шторма. Величина термомеханического коэффициента О показывает, во сколько
раз толщина смытого слоя больше мощности СТС (£) при отсутствии размыва [2].
Для оценки влияния параметра IX на интенсивность штормового размыва была выполнена соответствующая обработка климатических данных метеостанции Марре-Сале за период 1979 - 2009 г.г. По каждому году было вычислено значение энтропии I на основе использования ежедневных данных по положительной температуре воздуха и датах штормовых ветров морских румбов со скоростью более 10 м/сек, с продолжительностью не менее суток. Величина X бралась из табл. 2. На рис. 1 показана зависимость годового отступания берега Н (табл. 2) от величины
Рис. 1. Зависимость скорости отступания берега H от параметра I^t
Коэффициент корреляция между Г£}-и H равен 0,9 Аппроксимирующая формула:
H, м ~ 0,38(10-301)2 + 0,39(10-301) + 1 (3).
На рис. 2 представлена рассчитанная по изложенной выше методике динамика оттаивания ММП и отступания берегового откоса на Марре-Сале в 2006 г. Число циклов «оттаивание - штормовой размыв» (по метеоданным) равнялось 9, X = 718 (табл. 2), I = 2,416, IX = 1735.
Рис. 2. Расчетная динамика берегового откоса на Марре-Сале в 2006 г
Величина отступания откоса после каждого шторма рассчитывалась как частное от деления толщины размытого (оттаявшего) слоя на синус угла склона, принятого равным 500. По расчету берег отступил на 2,65 м. Фактическое отступание в 2006 г. составило 2,8 м (см. табл. 2). Подобные графики можно построить по каждому году, для которого имеются соответствующие исходные данные для расчета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Арэ Ф.Э. Основы прогноза термоабразии берегов. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1985. 172с.
2. Марахтанов В.П. Термомеханическое оттаивание грунтов (понятие и методика расчета) // Криосфера Земли. 2006. Том X. № 4. С. 59 - 67.
3. Романовский Н.Н. К вопросу о формах разрушения берегов о. Большого Ляховского. - В кн. Новосибирские острова. Л.: Морской транспорт, 1963. С. 54 - 66.
4. Арэ Ф.Э. Развитие рельефа термоабразионных берегов // Известия АН СССР. Серия география. 1968. № 1. С. 92 - 100.
5. Сафьянов Г.А. Динамика береговой зоны морей. М.: МГУ,1973. 175 с.
6. Жигарев Л.А., Новиков В.Н., Попов Б.А., Совершаев В.А. Исследование береговой зоны Арктических морей // Вестник МГУ. Серия 5, география. 1984. № 3. С. 45 - 50.
7. Васильев А.А., Стрелецкая И.Д., Черкашев Г.А., Ванштейн Б.Г. Динамика берегов Карского моря // Криосфера Земли. 2006. Том X. № 2. С. 56 -67.
8. Жигарев Л.А. Роль термоабразии и термоденудации в разрушении берегов // Береговые процессы в криолитозоне. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1984. С. 77 - 81.
9. Григорьев М.Н., Разумов С.О., Куницкий
B.В., Спектор В.Б. Динамика берегов восточных арктических морей России: Основные факторы, закономерности и тенденции // Криосфера Земли. 2006. Том X. № 4. С. 74 - 94.
10. Попов Б.А., Совершаев В.А. Принципы выбора исходных данных для расчета потоков волновой энергии // Береговая зона моря. М.: Наука, 1981.
C. 47 -52.
11. Васильев А.А., Покровский С.И., Шур Ю.Л. Динамика термоабразионных берегов Западного Ямала // Криосфера Земли. 2001. Том V. № 1. С. 44 - 52.
12. Разумов С.О. Модель эрозии льдистых морских берегов в условиях многолетних колебаний средней летней температуры воздуха и стационарной повторяемости штормов // Криосфера Земли 2003. Том VII. № 4. С. 39 - 50.
13. Васильев А.А., Широков Р.С., Облогов Г.Е., Стрелецкая И.Д. Динамика морских берегов западного Ямала // Криосфера Земли. 2011. Том XV. № 4. С. 72 - 75.
14. 8РБ 166927 Алексей Вергун, Алиса Баранская, Наталия Белова, Анатолий Камалов, Осип Ко-кин, Дмитрий Кузнецов, Наталья Шабанова, Станислав Огородов. Мониторинг динамики берегов Баренцева и Карского морей // Конференция SPE по разработке месторождений в осложненных условиях и Арктике 15 - 17 октября 2013 года в Москве, Россия.
15. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М.: МГУ, 1974. 431с.
