Вічна мерзлота і сучасний клімат

А. В. Павлов, Г. Ф. Гравіс

На кінець XX століття проблема змін клімату в бік глобального потепління стала однією з центральних, що хвилюють світову громадськість. Підвищення температури повітря більша частина вчених-кліматологів пов'язує з усе зростаючими промисловими викидами в атмосферу двоокису вуглецю, метану, і інших газів, що викликають парниковий ефект. Ще недавно, лише кілька років тому, ряд великих кліматологів прогнозував підвищення температури повітря на Півночі на початку XXI століття на 10-15 градусів Цельсія. Вчений-уфолог А. К. Прийма навіть передбачав, що при такому різкому потеплінні клімату третина людства може загинути від посух і катастроф.

Аналіз метеорологічних даних по ряду країн Північної півкулі (Росія, Канада, США-Аляска, Китай) підтверджує, що в останні 25-30 років дійсно відбувається потепління клімату, хоча і більш помірне. Підвищення температури повітря за цей період у більшості регіонів Росії становить 1-1,2 градуса Цельсія. За даними Американського геофізичного союзу, за 1991-1997 роки глобальна температура повітря підвищилася на 0,62 градуса Цельсія. В останні 3-4 року потепління клімату міг відчути кожен росіянин середньої смуги нашої країни: тут жаркі та сухі літні сезони і м'які зими слідували один за одним. Нашим сучасникам особливо запам'ятається літо 1999 року, сценарій якого розвивався за М.Е.Салтикову-Щедріна, точно як у місті Глупові во час правління градоначальника Фердищенкі, коли "з самого весняного Ніколи, з того часу, як почала входити вода в межень, і аж до Ільїна дня не випало ні краплі дощу ... небо розжарений ... пахло гаром ... трави і сходи городніх овочів зблякнули ..."

Люди задалися питанням - чому це відбувається і що буде далі? Глуповці бачили причину виник нещастя в розпусті Фердищенковой коханки Оленки. До жаль, у наші дні високоосвічені фахівці, що володіють арсеналом сучасних математичних методів і швидкодіючої комп'ютерною технікою, також поки не можуть впевнено пояснити, що сталося з кліматом Землі, буде Чи він набагато тепліше в XXI столітті в порівнянні з XX, в чому причини глобальних кліматичних змін? У наші дні заговорили про зміщення полюсів і навіть про натовських бомбардування Югославії, мовляв, винні вони. Потепління клімату призводить, свою чергу, до відтаванню вічної мерзлоти і звільненню газів (особливо метану), похованих у мерзлоті, і їх додатковому надходженню в атмосферу. Не випадково в газетних повідомленнях останніх років з'явилися застережні заголовки: "метанова бомба у вічній мерзлоті". Що це - реалії або фантазії? Численні дослідження з проблеми глобального потепління клімату проводились і проводяться в рамках тематичних планів інститутів, державних і міжнародних програм.

Росіян проблема очікуваних змін клімату цікавить або повинна цікавити особливо: як ніяк більше 65% її величезній території зайнято вічною мерзлотою, яка залежить від клімату, чутливо реагує на найменші його зміни і тому аж ніяк не є вічною.

Сковані льодом гірські породи розвинені на півночі Європейської Росії, Уралу, півночі Західного Сибіру (приблизно до широтного відрізка Обі), на більшій частині Східної Сибіру, Забайкалля і Далекого Сходу. Негативні температури проникають в земну кору до глибини 1300-1500 м, мінімальні їх середньорічні значення досягають -15 ...- 16 градусів Цельсія. Вічній покрив літосфери в плані нагадує добряче потерті ковдру: вздовж верхнього (північного) краю карти Росії він майже суцільний, з рідкими дірками і прорізами у вигляді Талік під великими озерами та річками, потужність мерзлоти тут максимальна, а температури мінімальні. На південь талікових дірок стає все більше, товща мерзлоти зменшується, температура її підвищується і у нижнього, південного краю області вічної мерзлоти від суцільного покриву залишаються одні клаптики - острови мерзлих порід потужністю в декілька метрів або десятків метрів з температурою, близькою до нулю.

Господарське значення області вічної мерзлоти, або кріолітозони , як її називають мерзлотоведи, важко переоцінити. Це - стратегічний тил економіки Росії, її паливно-енергетична база та валютний цех. Північний край країни населений вкрай бідно. На величезних просторах арктичних холодних пустель, тундри, лісотундри, тайги і гірських степів, на рівнинах, плато і в горах на один квадратний кілометр припадає менше однієї людини. У Ямало-Ненецькому національному окрузі цей показник дорівнює 0,6 чол. на кв. км, в Коряки і на Чукотці - 0,1-0,2, а в Евенкії і на Таймирі і зовсім 0, 03-0,06

Тим не менше не можна забувати, що в межах кріолітозони Росії зосереджено понад 30% розвіданих запасів всієї нафти країни, близько 60% природного газу, незліченні поклади кам'яного вугілля і торфу, більша частина гідроенергоресурсов, запасів кольорових металів, золота і алмазів, величезні запаси деревини і прісної води. Значна частина цих природних багатств вже залучена до господарського оборот. Створено дорога і вразлива інфраструктура: нафтогазопромислові об'єкти, магістральні нафто-і газопроводи протяжністю в тисячі кілометрів, шахти і кар'єри, гідроелектростанції, зведено міста та селища, побудовані автомобільні і залізні дороги, аеродроми і порти. На вічній мерзлоті стоять Магадан, Анадир, Якутськ, Мирний, Норильськ, Ігарка, Надим, Воркута, навіть у межах Чити є острови вічної мерзлоти. В даний час добре розроблені методи прогнозування наслідків будівництва будівель і споруд на вічній мерзлоті. Проте не тільки діяльність людини змінює мерзлотние умови. В значно більших масштабах впливають на мерзлі товщі важкопередбачувані зміни клімату.

Прогресивне оттаивание мерзлих порід може обернутися катастрофічними наслідками. Справа в тому, що верхні горизонти вічній порід потужністю від 2-5 до 30-50 м і більше містять лід у вигляді дрібних лінзочек і жилок, а також великих покладів в вигляді клиноподібної решітки (полігональної в плані) або пластових покладів потужністю до 30-40 м. На деяких ділянках північних рівнин лід складає до 90% обсягу мерзлих порід (мал. 1). Б. І. Втюрін оцінює запаси підземних льодів кріолітозони Росії в 19 тис. куб. км, що дає право іноді називати вічне мерзлоти підземним заледенінням.

Ріс.1.Крупние крижані жили у вічній породах.Хребет Кулар, Північна Якутія

Відтавання льдонасищенних порід буде супроводжуватися осіданням земної поверхні і розвитком небезпечних мерзлотних (кріогенних) геологічних процесів: термокарст, термоерозіі, соліфлюкціі та ін Цілі регіони з низькими абсолютними відмітками поверхні виявляться затопленими морем. Виникне загроза руйнування будівель і інженерних споруд, зведених з збереженням мерзлого підстави. Такі наслідки потепління клімату стануть руйнівною для економіки.

Мерзлотоведи в стані кількісно оцінити прийдешні зміни вічної мерзлоти на будь-який термін часу і запобігти шкідливі їх наслідки, звести до мінімуму витрати на стабілізацію мерзлотной обстановки, але тільки в тому випадку, якщо достовірно відомі вихідні кліматичні параметри. Заковика в тому, що кліматичні прогнози ще далекі від досконалості, що пояснюється складною природою змін погоди і клімату. Клімат постійно зазнає природні зміни. У 1625 р. сер Френсіс Бекон звернув увагу на те, що крім добових і сезонних змін метеорологічних елементів є ще численні багаторічні цикли їх зміни. У 1957 р. Дж.К.Чарлсуерт вже налічував близько 150 циклів коливань клімату різної тривалості. А. С. Монин і Ю. О. Шишков виділяють мілліардолетніе цикли, цикли тривалістю в сотні й десятки мільйонів років і більш дрібні (в історико-геологічному розумінні) коливання з періодом від десятків тисяч до десятків років. Добре відомі короткоперіодние коливання метеорологічних елементів: 9-14-літні, 5-6-літні та ін Всі разноперіодние цикли зміни клімату і погоди накладаються один на одного і створюють складний інтегральний хід зміни метеорологічних елементів. В останні два-три десятиліття на природні кліматичні цикли все помітніше стали накладатися спрямовані зміни, пов'язані з техногенезу.

До жаль, достовірність та оправдиваемость довгострокових метеорологічних прогнозів поки що залишають бажати кращого. У підсумку результати прогнозів клімату виходять суперечливі, що, у свою чергу, викликає неоднозначність в мерзлотних прогнозах. Розрізняються сценарії значного потепління клімату області вічної мерзлоти в XXI столітті (М. І. Будико, О. А. Анісімов, М. К. Гаврилова, Ф. Е. Нельсон) і помірного потепління (Е. П. Борисенков, А. В. Павлов), є навіть сценарій похолодання (Н. А. Шполянська). Сценарії значного потепління клімату поширюються на територію вічної мерзлоти лише з урахуванням самих загальних її властивостей. За М. К. Гаврилової, до середини майбутнього століття середньорічна температура повітря в Сибіру і на Далекому Сході підвищиться на 4-10 градусів Цельсія, внаслідок чого вічна мерзлота буде відтавати і з часом збережеться тільки у високих горах і на рівнинах півночі Східної Сибіру і Далекого Сходу. О. А. Анісімов і Ф. Е. Нельсон вважають, що збільшення глобальної температури повітря на 2 градуси Цельсія призведе до повного відтаванню мерзлих порід на 15-20% території кріолітозони. Метеорологічні дані за останні 10-15 років показують, що екстремальні сценарії зміни клімату не виправдовуються, потепління йде, але більш скромними темпами.

При обгрунтуванні сценаріїв помірного потепління клімату, крім даних метеостанцій, використовуються також результати спостережень на геокріологіческіх (мерзлотних) стаціонарах, де одночасно з метеорологічними вимірами досліджуються тепловий режим грунтів, сезонне промерзання - протаіваніе і мерзлотние процеси (А. В. Павлов). Таке поєднання підвищує достовірність мерзлотно-кліматичних прогнозів. Зупинимося на цій проблемі детальніше.

До недавнього часу мережа метеостанцій на півночі Росії була досить разветветвленной; тривалість метеорологічних вимірювань в нашій країні досягає 180 років. Крім того, до початку 1990 р. тут існувало близько 25 геокріологіческіх стаціонарів - опорних пунктів моніторингу кріолітозони.

При вивченні багаторічних коливань сучасного клімату необхідно осреднять метеорологічні дані за ряд сусідніх років, щоб виключити випадкові варіації. Найбільш часто вибирають період осредненія в 10 років. Аналіз середніх ковзних 10-річних значень температури повітря, виконаний з ряду регіонів півночі Росії, показав, що в більшості континентальних районах Півночі за метеорологічний період спостережень в цілому відзначається помітне підвищення температури повітря (до 2,4 градуси Цельсія в Якутську за 1830-1995 роки). Навпаки, в районах, що примикають до північних морів, приріст температури повітря за весь час метеорологічних вимірювань, незважаючи на існування її коливань в окремі роки, практично відсутня. Це дає підставу вважати, що в Арктиці і деяких суміжних регіонах внаслідок близькості морів і слабкого техногенного впливу сучасні потепління і похолодання не виходять за межі природної вікової циклічності клімату. Тут "маятник" погоди знаходиться в стані стійкої рівноваги.        

Можна виділити два періоди з виразно   вираженим підвищенням температури повітря на Півночі: з кінця XIX століття за   1940-і роки XX століття (цей період називається "потеплінням Арктики")   і з середини-кінця 1960-х років до теперішнього часу (рис. 2). Остання   (сучасне) потепління поки не досягає розмірів "потепління   Арктики ". Більш того, на початку 1990-х років на низці арктичних   метеостанцій спостерігалося помітне похолодання. Однак наступні роки   виявилися досить теплими, що стало причиною збереження загальної тенденції   потепління клімату в наші дні.             

Рис. 2. Відхилення середніх ковзних 10-річних значень середньорічний (1), среднелетней (2) і среднезімней (3) температур повітря від норми в Салехарді (північ Західного Сибіру)

Темп підвищень середньорічної температури повітря за останні 25-30 років становить 0,02-0,03 градуса Цельсія на рік в умовах Європейського Півночі, 0,03-0,07 - на півночі Західного Сибіру і 0,01-0,08 градуса Цельсія на рік - в Якутії. Само підвищення температури повітря за цей період змінюється від 0,4 до 1,8 градуса Цельсія. Потепління клімату обумовлена головним чином підвищенням зимової температури повітря.

Якщо тенденція до кліматичному потепління збережеться в першій половині XXI століття, можна очікувати підвищення середньорічної температури повітря до 2020 року на 0,9-1,5 градуса Цельсія і до 2050 року на 2,5-3 градуси Цельсія. Атмосферні опади до цих же років зростуть на 5 і 10-15%, відповідно.

Аналіз даних моніторингових спостережень і геотермічних досліджень свідчить про широко поширеною деградації верхніх горизонтів кріолітозони (підвищення температури вічній порід, зменшення їх площі, зростання глибини сезонного протаіванія) за останні 15-25 років. Підвищення температури мерзлоти може бути викликано як потеплінням клімату, так і зростанням снегоотложеній.

Рис. 3. Зміна температури вічній порід на глибині 10 м на стаціонарі Марр-Салі (Західний Ямал )...

В Як наочний приклад відбуваються термічних змін до кріолітозоне використовуємо дані спостережень стаціонару Марр-Салі (Західний Ямал), розташованого на ділянці однойменної метеостанції. Тут майже на всіх експериментальних майданчиках зафіксовано підвищення температури мерзлих порід на глибині 10 м за 1979-1998 роки (рис. 3).

Воно змінювалося від 0,1 до 1 градуса Цельсія. Тільки в смузі поверхневого стоку води (майданчик 34) багаторічні зміни температури порід практично не відзначалися. За результатами геотермічних досліджень виявлено, що сучасне потепління порід досягає глибин у десятки метрів. Розгляд матеріалів спостережень того ж стаціонару Марр-Салі показує, що незважаючи на великі междугодовие варіації глибини сезонного протаіванія, в цілому виявляється слабка тенденція до її зростання за 1978-1998 роки (рис. 4). Прогнозована глибина сезонного протаіванія на 2020 рік зросте на Півночі всього на 15-20 см в пісках, а в супісках, глинах і торфу ще менше. Прогнозовані регіональні підвищення температури поверхні порід не перевищать 1,4 градуси Цельсія на 2020 (2025) і 2,3 градуси Цельсія на 2050 (таблиця).

Рис. 4. Зміна глибини сезонного протаіванія порід на стаціонарі Марр-Салі (Західний Ямал) за 1978-1998 рр. ...

На рис. 5 показана еволюція вічної мерзлоти в Росії в тому випадку, якщо виправдаються наведені вище прогнозні оцінки потепління клімату на Півночі в XXI столітті. Виділено 4 зони, що відрізняються різним ступенем і неоднаковими термінами початку повсюдного глибокого відтавання вічній порід згори.

За початок глибокого відтавання мерзлих порід прийнятий момент, коли шар грунтів, відтанули за літо, взимку промерзне не повністю і покрівля вічній порід почне прогресивно знижуватися. Часовий інтервал, за який вічній породи Отта повністю, залежить не тільки від потепління клімату, але також від складу і льдістості порід, їх температури і потужності, від теплопритоків знизу (із земних надр). Танення може тривати роками, десятиліттями, сотнями і тисячами років.

Рис. 5. Імовірні зміни вічної мерзлоти в Росії при потеплінні клімату до 2020 і 2050 рр. ...

При складанні карти-схеми (див. рис. 5) враховувалося, що на однакові зміни глобального клімату вічна мерзлота в різних ландшафтних умовах буде реагувати по-різному. Найбільший внесок у різноманітність реакції мерзлоти на атмосферні дії вносить рельєф земної поверхні. На карті показані три категорії?? рельєфу: рівнини, плоскогір'я і гори.

Перша з півдня зона - це території, на яких вічна мерзлота до 2020 року буде відтавати зверху повсюдно, де вона розвинена. Ця зона сформується тільки в межах Західно-Сибірської низовини, на південному межі сучасної кріолітозони. Тут в даний час зустрічаються рідкісні острови-лінзи вічній порід з температурою вище -0,5 градуси Цельсія, приурочені до торфовищах. Після їх відтавання південний кордон кріолітозони відступить на північ на 300 км і більше, танення спучені льодом торфовищ супроводжуватиметься інтенсивними осіданням їх поверхні, але серйозних змін у природне обстановку і діяльність людини це не внесе: вічній торфовища зустрічаються рідко і в господарську діяльність практично не залучені.

Друга зона - території, де вічній породи будуть повсюдно танути до 2050 року. На півночі європейської частини Росії кріолітозона до цього часу відступить в північній або північно-східному напрямку на 50-100 км, в Західному Сибіру - на 100 - 250 км, на півдні Середньосибірського плоскогір'я - на 600 км. У горах зміни кріолітозони будуть мінімальними: острови вічній порід будуть відтавати повсюдно тільки на Енисейской кряжі і в невеликій частині гір Південного Сибіру і південно-східного Забайкалля. Як і в попередній зоні, наслідки відтавання мерзлих порід виявляться незначними: зникнуть острови і невеликі масиви мерзлих порід в самих незручних для людини урочищах - торфовищах, на сильно замшілих ділянках тайги, на затінених днищах вузьких, глибоких долин, на схилах північної експозиції. Сучасна температура цих порід не нижче -1 градуса Цельсія.

Третя зона об'єднує території, де до 2050 року глибоке оттаивание вічній порід почнеться не повсюдно. Сучасна температура вічній порід тут змінюється в основному в межах від -1 до -5 градусів Цельсія. Відтавати будуть тільки малольдістие породи з температурами не нижче -1 ...- 1,5 градуси Цельсія. Це переважно піски та скельні породи. Ширина зони часткового відтавання вічній порід на півночі європейської частини Росії досягне 30-100 км, на півночі Західного Сибіру - 40-200 км, у Східному Сибіру - 240-820 км.

Зона включає в себе також частину низьких гір Південного Сибіру, Забайкалля, півдня Далекого Сходу і Камчатки до 60-62 градусів північної широти.

В четверту зону, зону відносно стабільних вічній порід, входить північна частина кріолітозони з самими низькими температурами порід - від -3 до -16 градусів Цельсія. Потужність їх вимірюється сотнями метрів. При прогнозних масштабах потепління клімату глибоке протаіваніе мерзлих порід на цій території виключається. Незначно збільшиться лише площа Талік.

Таким чином, на основі вищенаведених даних можна зробити висновок про зміни кріолітозони Росії до середини XXI століття. Через 50 років температура поверхні грунтів підвищиться на 0,9-2,3 градусів Цельсія, а глибина сезонного протаіванія збільшиться на 15-33%. В результаті цього південна границя кріолітозони на рівнинах і плоскогір'ях відступить на північ і північний схід на 50-600 км. Якщо до зон повного відтавання вічній порід додати зону часткового їх танення, то в цілому утворюється смуга деградації вічної мерзлоти, ширина якої на півночі європейської частини Росії досягне 50-200 км, в Західному Сибіру - 800 км і в Східного Сибіру - 1500 км. Сильно скоротяться, але повністю не зникнуть острови і масиви вічній порід у горах Забайкалля, півдня Далекого Сходу і на Камчатці.

Негативні наслідки кліматичного потепління будуть відзначатися на всій території кріолітозони: посилення деградації мерзлих товщ як по вертикалі, так і в плані; порушення функціонування природно-технічних систем, при проектуванні яких не була врахована можливість глобального потепління клімату та деградації мерзлоти. На території, де вічній породи відносно стабільні (третій і четверта зони на рис. 5) через високу льдістості верхнього горизонту мерзлих порід навіть невелике збільшення глибини сезонного протаіванія призведе до активізації таких руйнівних мерзлотних процесів, як термокарст, термоерозія і соліфлюкція. Посиляться процеси руйнування берегових уступів арктичних морів. Економіка Півночі вимагатиме додаткових витрат для забезпечення збереження мерзлого підстави будівель та інженерних споруд.

Неприйняття своєчасних захисних заходів може обернутися катастрофою.

Очікуване до середини XXI століття потепління клімату і кріолітозони можна порівняти з потеплінням в період голоценових кліматичного оптимуму 4600-8000 років тому, коли південна межа кріолітозони відступила на північ і зайняла положення, близьке до прогнозованого її положенню в 2050 р. На територіях, де вічна мерзлота зберігалася, збільшувалася глибина сезонного протаіванія. Аналіз будови верхнього горизонту вічній порід дозволяє встановити глибину сезонного протаіванія в цей час. В арктичних та високогірних районах вона опинилася на 20-40% більше сучасної глибини, тобто порівнянної з прогнозованою величиною приросту потужності сезонноталого шару до 2050 року. Подібне збіг зайвий раз підтверджує реальність запропонованого сценарію потепління клімату і кріолітозони.

Список літератури

Анісімов О.А., Нельсон Ф.Е. Прогноз зміни мерзлотних умов у північній півкулі: застосування результатів балансових і транзитивних розрахунків за моделями загальної циркуляції атмосфери// Кріосфера Землі, 1998, 2. С. 53-57.

Борисенков Є.П. Зміна клімату і людина. М.: Знание, 1990.

Будико М.І. та ін Майбутні зміни клімату// Изв. АН СРСР. Сер. геогр., 1992, 4. С. 36-52.

Мельников Е.С., Гравіс Г.Ф., Конченко Л.А., Молчанова Л.С. Карта кріогенних геологічних процесів кріолітозони Росії (м-б 1:7500000)// Підсумки фундаментальних досліджень Землі в Арктиці і Субарктіке. Новосибирск: Наука, 1997. С. 279-286.

Монин А.С., Шишков Ю.А. Історія клімату. Л., Гидрометеоиздат, 1979. 408 с.

Загальна мерзлотоведеніе (геокріологія)/Под ред. В.А.Кудрявцева.М.: Изд-во МГУ, 1978. 464 с.

Павлов А.В. Закономірності формування кріолітозони за сучасних зміни клімату// Известия РАН, серія геогр., 1997, N 4, c. 61-73.