167534 (741200), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ключ к прогнозу мерзлотно-климатических изменений
Мерзлотоведы в состоянии количественно оценить грядущие изменения вечной мерзлоты на любой срок, но только в том случае, если достоверно известны исходные климатические параметры. Загвоздка в том, что долгосрочные метеорологические прогнозы далеки от совершенства, а их достоверность и оправдываемость оставляют желать лучшего. В итоге на основе разноречивых прогнозов климата получаются различные мерзлотные прогнозы.
Существуют сценарии значительного и умеренного потепления климата в области вечной мерзлоты в XXI в., имеется даже вариант похолодания. Так, по расчетам М.К.Гавриловой, к середине грядущего столетия среднегодовая температура воздуха в Сибири и на Дальнем Востоке повысится на 4— 10 С, вследствие чего вечная мерзлота будет оттаивать и со временем сохранится только в высоких горах и на равнинах севера Восточной Сибири и Дальнего Востока. О.А.Анисимов и Ф.Э.Нельсон считают, что увеличение глобальной температуры воздуха на 2 С приведет к полному оттаиванию мерзлых пород на 15 — 20% территории криолитозоны. Однако, как мы уже отмечали, метеорологические данные за последние 10—15 лет показывают, что экстремальные сценарии изменения климата не оправдываются, потепление идет, но более скромными темпами.
Прогнозы умеренного потепления климата в значительной мере основываются на анализе современных трендов метеорологических характеристик и их продлении на ближайшее будущее. Чем продолжительнее ряды и больше число пунктов наблюдений, тем больше уверенности в правильности прогноза. Если тенденция к потеплению сохранится в первой половине XXI в., можно ожидать повышения среднегодовой температуры воздуха к 2020 г. на 0.9— 1.5С и к 2050 г. на 2.5 — ЗС. Атмосферные осадки к этому времени возрастут на 5 и 10—15% соответственно.
Продолжительность метеорологических измерений в нашей стране превышает 180 лет. До недавнего времени сеть метеостанций в России, и в частности на ее севере, была достаточно разветвленной. Однако в 90-х годах она резко сократилась, что неизбежно ведет к ухудшению достоверности климатических прогнозов.
При обосновании сценариев умеренного потепления климата помимо данных метеостанций используют результаты наблюдений на геокриологических (мерзлотных) стационарах, где кроме метеорологических элементов измеряют характеристики теплового режима грунтов, и в частности глубину сезонного промерзания и протаивания. исследуют мерзлотные процессы. Такое сочетание повышает достоверность прогнозов, хотя в России, а тем более в зарубежных странах, продолжительность наблюдений на подобных стационарах — опорных пунктах мониторинга криолитозоны — намного меньше, чем на метеостанциях, и за редким исключением не превышает 25 — 30 лет. Стационарные геокриологические наблюдения проводились в наибольшем объеме на северо-востоке Европы, севере Западной Сибири, в Центральной Якутии и на юге Сибири. К началу 90-х годов сеть наблюдений за состоянием криолитозоны России насчитывала более 30 стационаров постоянного действия. К сожалению, в последние годы и их число резко сократилось.
Анализ полученных на таких стационарах данных свидетельствует о широко распространенной деградации верхних горизонтов криолитозоны (повышении температуры вечномерзлых пород, уменьшении их площади, возрастании глубины сезонного протаивания) за последние 15 — 25 лет. При этом повышение температуры мерзлоты может быть вызвано как потеплением климата, так и возрастанием снегоотложений.
В качестве наглядного примера происходящих термических изменений в криолитозоне воспользуемся данными наблюдений стационара Марре-Сале (Западный Ямал), расположенного на участке одноименной метеостанции. Здесь почти на всех экспериментальных площадках температура мерзлых пород на глубине 10 м за 19~9— 1998 гг. повысилась на 0.1 — ГС. Только в полосе поверхностного стока воды температура пород за это время практически не изменилась. Геотермические исследования в Сибири показали, что современное потепление пород достигает глубин в десятки метров. Прогнозируемые нами региональные повышения температуры поверхности пород не превысят здесь 1.4С к 2020 (2025) и 2.3С к 2050 г. (см. таблицу в Приложении 8).
По наблюдениям на том же стационаре, глубина сезонного протаивания в целом слабо возрастала за 1978—1998 гг., несмотря на ее большие междугодовые вариации. К 2020 г. она увеличится на Севере всего на 15 — 20 см в песках, а в супесях, глинах и торфах еще меньше.
Вечная мерзлота в 2025 и 2050 годах
Если оправдаются приведенные выше прогнозные оценки умеренного (а тем более резкого) потепления климата в северных районах, то к середине нового столетия облик вечной мерзлоты в России существенно изменится.
Сопоставление современных характеристик вечной мерзлоты с прогнозными проводилось путем составления последовательного ряда мелкомасштабных карт криолитозоны. Помимо сугубо мерзлотных характеристик(распространения вечномерзлых пород, их мощности, температуры, льдистости, глубины сезонного протаивания) для оценки возможных изменений вечной мерзлоты приходится учитывать состав горных пород, а также рельеф и весь комплекс ландшафтных условий.
Эта работа была начата во ВНИИ гидрогеологии и инженерной геологии и продолжена в Институте криосферы Земли СО РАН под руководством Е.С.Мельникова. На основе ландшафтной карты России была составлена карта криогенных геологических процессов", преобразованная в прогнозную. С использованием последней построена картографическая схема изменений вечной мерзлоты.
На схеме, приведенной в статье, показаны четыре зоны. Первую образуют территории, не входящие в состав современной области вечной мерзлоты. Здесь имеет место только ежегодное локальное или повсеместное сезонное промерзание почв до глубин не более 4 — 5 м. К середине XXI в. глубина и площади распространения сезонного промерзания сократятся.
Три остальные зоны охватывают современную область вечной мерзлоты и отличаются друг от друга разной степенью и сроками начала повсеместного глубокого оттаивания вечномерзлых пород сверху. За его начало принят момент, когда слой грунтов, оттаявший за лето, следующей зимой промерзает не полностью и кровля многолетне-мерзлых пород начинает прогрессивно понижаться. Временной интервал, за который такие породы оттают полностью, зависит не только от потепления климата, но и от состава и льдистости пород, их температуры и мощности, от притока тепла снизу — из глубин Земли. Это таяние может длиться годами, десятилетиями, сотнями и тысячами лет.
Вторая с юга зона — это территории, на которых вечная мерзлота к 2020 г. будет повсеместно оттаивать. Она сформируется только в пределах Западно-Сибирской низменности. В настоящее время здесь встречаются только редкие острова — линзы вечно-мерзлых пород с температурой выше -0.5С. приуроченные к торфяникам. После их оттаивания южная граница мерзлоты отступит к северу на 300 км и более, таяние вспученных льдом торфяников будет сопровождаться интенсивными просадками поверхности, но серьезных изменений в природную обстановку и деятельность человека это не внесет: вечномерзлые торфяники встречаются редко и в хозяйственное освоение практически не вовлечены.
Третья зона объединяет две подзоны, границы между которыми весьма прихотливы и на нашей схеме не показаны. В первую (с юга) входят территории, где вечномерзлые породы начнут таять повсеместно только к 2050 г. Здесь в настоящее время встречаются острова и небольшие массивы вечномерзлых пород, развитые в самых неудобных для человека урочищах — в торфяниках, на сильно замшелых участках тайги, в затененных узких и глубоких долинах, на горных склонах северной экспозиции. Температура этих пород не ниже -1С. Ширина подзоны на севере европейской части России достигает 50—100 км. в Западной Сибири — 100 — 250 км. а на юге Среднесибирского плоскогорья — даже 600 км. В горах сокращение площадей, занятых вечномерзлыми породами, будет минимальным: к 2050 г. повсеместно таять они будут только на Енисейском кряже и в небольшой части гор Южной Сибири и Юго-Восточного Забайкалья.
Во вторую подзону включены территории, где к 2050 г. глубокое оттаивание вечномерзлых пород будет происходить не везде. Современная температура вечномерзлых пород здесь меняется в основном в пределах от -1 до -5°С. Это преимущественно пески и скальные породы. Ширина подзоны локального оттаивания вечномерзлых пород на севере европейской части России достигнет 30—100 км. на севере Западной Сибири — 40—200 км, в Восточной Сибири — 240 — 820 км. Подзона включает в себя также часть низких гор Южной Сибири. Забайкалья, юга Дальнего Востока и Камчатки до 60—62°с.ш. В четвертую зону относительно стабильных вечномерзлых пород входит северная часть криолитозоны с самыми низкими температурами пород — от -3 до -1б°С. Мощность их измеряется сотнями метров. При прогнозных масштабах потепления климата глубокое протаивание вечномерзлых пород на этой территории исключается. Незначительно увеличится лишь площадь таликов.
Таким образом, к середине XXI в. (всего за 50 лет) температура поверхности грунтов в пределах криолитозоны России может повыситься на 0.9— 2.3 С, а глубина сезонного протаивания — на 15-33%. Из-за этого южная граница мерзлоты на равнинах и плоскогорьях отступит к северу и северо-востоку на 50—600 км. Если к зоне и подзоне повсеместного оттаивания вечно-мерзлых пород добавить подзону локального их таяния, то в целом мы получим полосу деградации вечной мерзлоты, ширина которой на севере европейской части России достигает 50—200 км. в Западной Сибири — 800 км и в Восточной Сибири — 1500 км. Сильно сократятся, но полностью не исчезнут острова и массивы вечномерзлых пород в горах Забайкалья, на юге Дальнего Востока и на Камчатке.
Ожидаемое к середине XXI в. потепление климата и криолитозоны сопоставимо с потеплением в период голо-ценового климатического оптимума 8—4.6 тыс. лет назад. На территориях, где вечная мерзлота сохранялась, возрастала глубина сезонного протаивания. Анализ строения верхнего горизонта вечно-мерзлых пород позволяет установить глубину сезонного протаивания в то время. В арктических и высокогорных районах она оказалась на 20 — 40% больше современной, т.е. сопоставимой с прогнозируемой величиной прироста мощности сезон неталого слоя к 2050 г. Такое совпадение лишний раз подтверждает реальность предложенного сценария.
Негативные последствия потепления климата, видимо, будут усугубляться одновременным увеличением количества осадков. Хотя тенденции изменения прослеживаются с трудом, отмечено, что за последнее тысячелетие в периоды потепления пути движения циклонов с запада на восток смещались к северу, что вызывало увеличение осадков в высоких широтах и уменьшение их в низких'. Многочисленные палеогеографические исследования также показывают, что в течение плейстоцена и голоцена потепления в высоких широтах сопровождались увеличением влажности климата. Можно предположить, что на большей части криолитозоны России ожидаемое потепление XXI в. будет также сопровождаться увеличением количества осадков. Это общее предположение подтверждается результатами анализа современных трендов метеорологических характеристик, которые свидетельствуют о 10-15-процентном увеличении атмосферных осадков к 2050 г.
Зимние осадки будут способствовать повышению температуры вечномерзлых пород, а летние — приводить к их разрушению из-за усиления термокарста, термоэрозии, термоабразии, а также со-лифлюкционно-оползневых процессов. Наиболее ярко они проявятся на аккумулятивных равнинах, сложенных высокольдистыми породами, т.е. там, где вечномерзлые толщи из-за своих низких температур и большой мощности останутся в целом стабильными. При разрушении верхнего льдистого горизонта поверхность деформируется существенно и, если своевременно не будут приняты защитные меры, нависнет угроза над инженерными сооружениями.
Итак, последствия потепления климата будут отмечаться на большей части территории криолитозоны России. К тому же возрастет антропогенное воздействие на мерзлоту. В результате усилится влагооборот грунтовых вод, сместятся границы ландшафтных зон, нарушится устойчивость поверхности, могут произойти массовые аварии на геотехнических комплексах. Необходима система защитных мероприятий, учитывающая климатические изменения и масштабы деградации криолитозоны. Еще в 80-х годах начались интенсивные разработки системы строительно-профилактических методов и инженерных мер, чтобы защитить геотехнические системы Севера от разрушения.
Традиционные способы обеспечения надежности строительства за счет усиления конструкций фундаментов и увеличения их заглубления в значительной мере себя исчерпали, особенно на высокотемпературных льдистых пластичных грунтах. При потеплении окажутся недостаточно эффективными и слишком дорогостоящими вентилируемые подполья.
Обеспечить устойчивость сооружений в условиях деградации криолитозоны можно, искусственно охлаждая грунтовое основание, предварительно глубоко оттаивая мерзлые грунты, используя принципиально новые конструкции фундаментов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
