Доля вічної мерзлоти: погляд з минулого в майбутнє
Зміни клімату, пов'язані з антропогенним зростанням концентрації парникових газів в атмосфері, в
першу чергу позначаються на найбільш вразливих компонентах природного середовища, чутливих до змін термічного режиму. До них відноситься і вічна
мерзлота - многолетнемерзлие породи, підстилають приблизно дві третини території Росії. Зміна стану грунтів під час можливої деградації вічного
мерзлоти відбивається на інженерно-технічних спорудах (будинках, магістральних нафто-і газопроводах, транспортній інфраструктурі, системах
життєзабезпечення) і в цілому на навколишньому середовищі.
Протягом історії Землі еволюція вічної мерзлоти була тісно пов'язана з глобальними потепління та похолодання клімату. У найближчу
теплу епоху минулого, приблизно 6тис. років тому, площа поширення суцільної вічної мерзлоти у Північній Євразії, за даними
палеокліматичні реконструкцій, зменшувалася в порівнянні з сучасною приблизно на чверть [1]. Ще великим було її скорочення близько 125-130 тис. років тому - у той час
площа суцільної вічної мерзлоти складала менше однієї п'ятої від нинішньої. При цьому середньоглобальної температура повітря в приповерхневому шарі повітря була
приблизно на два градуси вище. Приблизно таким має бути потепління на нашій планеті до середини XXIв., Якщо викиди в атмосферу парникових газів будуть
надходити нинішніми темпами [2].
Цей сценарій, умовно названий business as usual, передбачає зростання вмісту вуглекислого газу, метану, закису азоту і хлорфторуглеводородов,
еквівалентний збільшення концентрації вуглекислого газу на 1% на рік. При обліку антропогенних викидів сульфатних аерозолів, які збільшують відображення
сонячної радіації в космос і ефективно охолоджують поверхню, до середини XXIв. глобальна температура підвищиться на один градус.
Зміни середньої глобальної температури за даними спостережень (I) і по моделі загальної циркуляції атмосфери та океану Інституту
метеорології Макса Планка: при зростанні концентрації парникових газів за сценарієм business as usual без урахування емісії сульфатних аерозолів (II) і з
урахуванням цієї емісії (III).
Метод палеоаналогов був першим способом побудови просторових сценаріїв майбутніх станів клімату, геосистем та їх
компонентів у різних регіонах [3].
При цьому палеокліматичні реконструкції будуються для тих інтервалів геологічного минулого, під час яких рівні підвищення середньоглобальної
температури по відношенню до нинішніх відповідали очікуваним у близькому майбутньому. Ці побудови - важливе джерело інформації про многолетнемерзлих
породах в епохи тривалих потеплень, коли приповерхневих горизонти приходили у стійкий, рівноважний з кліматичними умовами, стан.
Проте темпи спостерігаються за останні 30 років і прогнозованих у XXIв. змін клімату не мають аналогів у минулому. При такому швидкому антропогенному
впливі окремі ланки кліматичної системи не встигають підлаштуватися до зовнішніх умов. Чи можна застосовувати метод палеоаналогов при моделюванні
що швидко змінюється клімату і доповнює чи він оцінки майбутніх змін компонент земної кліматичної системи (в тому числі - кріосфера) - на ці
питання ми спробували відповісти в нашій роботі.
Моделювання змін глобального клімату
Складність вивчення глобального клімату пов'язана з тим, що постановка фізичних експериментів з контролем що впливають на нього факторів
неможлива. Такі роботи можна проводити тільки з віртуальним (модельним) кліматом, що відображає взаємодію атмосфери, океану, кріосфера,
біосфери і поверхні суші на просторі змінних фізико-математичних моделей. Найбільш докладні з них, що називаються моделями глобального клімату
(загальної циркуляції) - складні динамічні системи з великою кількістю ступенів свободи і максимально докладним на даний момент описом основних
локальних кліматоутворюючими процесів. У світі налічується кілька десятків таких моделей, які в рамках багатьох міжнародних програм безперервно
порівнюються між собою та з даними спостережень. Оскільки вони успішно відтворюють еволюцію клімату ХХ ст., Їх вважають "розвідниками майбутнього",
і в цій якості цих моделей альтернативи поки що немає.
Перші спроби представити зміни клімату під дією антропогенних викидів парникових газів на моделях загальної циркуляції були
початі в середині 70-х років минулого століття. Одним із слабких місць цих робіт був опис океану - самого інерційного з ланок земної
кліматичної системи. Подвоєння еквівалентної концентрації вуглекислого газу в атмосфері при розвитку сценарію business as usual очікується вже в 70-х роках
XXIв. За такий короткий період океан не встигне повністю пристосуватися до зміни зовнішніх умов. Тому останнім часом у світі стартувало нове
покоління моделей загальної циркуляції атмосфери і океану, більш докладно враховує океанічні процеси [4].
Експерименти з моделями такого типу вимагають значних витрат обчислювальних ресурсів, особливо при розрахунках еволюції клімату до
кількох сотень років, і можуть проводитися тільки на самих сучасних ЕОМ. Тому розвиваються і моделі клімату проміжної складності [5], які потребують у сотні разів менше машинного часу і пам'яті: у них багато явищ,
такі як конденсація водяної пари або динаміка окремих циклонів і антициклонів, описуються через характеристики великомасштабних полів. Ці
моделі клімату також порівнюються з даними спостережень і результатами більш докладних моделей загальної циркуляції.
При відтворенні еволюції клімату останніх десятиліть на сучасних моделях було відмічено, що дані спостережень узгоджуються з ними
краще, якщо крім парникових газів враховувати і ефект антропогенних викидів сульфатних аерозолів. Зосереджені в основному в нижніх шарах атмосфери, вони
призводять до вихолажіванію цих верств внаслідок ефективного відображення сонячного випромінювання. При прогнозуванні клімату охолоджувальне дію
аерозолів стає ще помітніше. Розрахунки змін середньої глобальної температури приземного повітря до кінця XXIв. на одній із самих
сучасних моделей загальної циркуляції атмосфери та океану [4]
показали, що антропогенне емісія парникових газів призведе до збільшення середньої глобальної температури на 1.8 ° С до середини століття в порівнянні з періодом
1960-1990рр., Що близько до оцінки її підвищення 125-130тис. років тому, в період МіКулінсьКого Інтергляціал (за даними палеореконструкції). Облік
аерозольної емісії знижує цю величину до 1.3 ° С, що ближче до умов, що існували 10тис. років тому - у оптимум голоцену. Які ж
сучасні уявлення про многолетнемерзлих грунтах в ці епохи?
Поширення мерзлоти в теплі епохи
В історії становлення області багаторічної мерзлоти можна виділити кілька вельми нерівноцінних за часом етапів. Сезонна, а потім і
багаторічна кріолітозона виникла в результаті похолодання 10-1.8 млн років тому. Другий період (1.8-0.13 млн років тому) характеризувався розростанням
багаторічної мерзлоти в холодні епохи і майже повним її зникненням в теплі Інтергляціал. Третій етап включає в себе останній кліматичний макроциклі
Інтергляціал-заледеніння і відповідає пізнього плейстоцену (130-10.3тис. років тому). Тут параметри кріолітозони змінювалися
особливо різко - від кліматичного оптимуму вже згаданого МіКулінсьКого Інтергляціал (125тис. років тому) до максимального останнього похолодання
(20-15тыс. Років тому).
Індекс відносної суворості і межі сучасної кріолітозони.
Під час ще не завершеного четвертого етапу останнього Інтергляціал особливе місце займає оптимум голоцену (близько 6тис. років
тому) Саме його вважають палеоаналогом найближчих очікуваних змін клімату в результаті антропогенного збільшення вмісту парникових газів в атмосфері.
У цей час глобальна температура вище сучасної на 0.8-1.0 ° С. Область багаторічної мерзлоти значно скоротилася. Так, у
європейської частини Росії, на захід від низин Печори, з поверхні вона повністю протаяла, в західному секторі Західного Сибіру південний кордон
кріолітозони проходила у Полярного кола, але на схід від 80 ° с.д. опускалася до 64-63 ° пн.ш. На півдні Східного Сибіру, на всьому лівобережжі Ангари, її практично
не було, а на схід від Байкалу південний кордон мерзлоти не піднімалася на північ від 52-53 ° пн.ш., на півночі Західного Сибіру порушувався на північ на 300-400км,
на заході Середньої Сибіру на 150-200км. Менш значними були зміни зони многолетнемерзлих порід у Східному Сибіру і на північному сході Азії.
Через деградації з поверхні західного сегменту кріолітозони виник шар глибокозалягаючих многолетнемерзлих порід, які не встигли
протаять в кліматичний оптимум голоцену. Такі породи збереглися і до цих пір на великих глибинах (сотні метрів), наприклад, в басейні Печори або в
середній смузі Західного Сибіру.
У оптимум останнього МіКулінсьКого Інтергляціал (палеоаналога глобального потепління на 2 ° С) відбулося ще більш радикальне
скорочення кріолітозони в порівнянні з попереднім часом. У цей час на території Східно-Європейської рівнини на поверхні вона практично
розтанула, на півночі Західного Сибіру південний кордон кріолітозони проходила у Полярного кола, в Середній Сибіру - біля 63 ° пн.ш., і тільки в Північному
Забайкаллі вона могла опускатися до 55-54 ° пн.ш. Суцільна кріолітозона (з температурами мерзлих грунтів не нижче -2-3 ° С) могла зберігатися тільки уздовж
північній кромки Сибіру на схід від 90-100 ° с.д. Таким чином, великі райони Сибіру були зайняті острівцями мерзлоти, що мало вести до активної
деградації суцільних многолетнемерзлих товщ, що сформувалися в кінці середнього плейстоцену. Тільки у Східному Сибіру, на північ від 68-70 ° пн.ш., існували
сприятливі умови для збереження кріолітосфери.
При відновленні динаміки її різних підзон протягом цікавлять нас двох теплих епох було застосовано індекс відносної суворості
I, що представляє собою відношення мінімальної (як правило, січня) і максимальної (як правило, липня) середньомісячної температури повітря (в ° С).
Цей показник, розроблений на основі емпіричних даних одним з авторів статті, В. П. Нечаєвим, характеризує локальні кліматичні умови,
сприятливі для утворення мерзлих грунтів [6]. З
його допомогою можна відтворити сучасний стан межі вічної мерзлоти: для суцільної багаторічної значення індексу виявилося менше -2, а для
розповсюдження мерзлоти взагалі - менше -1.
Той же індекс ми використовували для зіставлення положення меж зон вічної мерзлоти двох уже згаданих теплих епох минулого з розрахунками
на моделі загальної циркуляції атмосфери та океану Інституту метеорології Макса Планка (м. Гамбург) у середині XXIв.: з урахуванням впливу сульфатного
аерозолю і без його обліку. Виявилося, що парникове вплив при розвитку сценарію business as usual наближає положення кордонів мерзлотно-кліматичних
зон до Мікулінський Інтергляціал, охолоджувальне дію аерозолів - до оптимуму голоцену. Вище вже зазначалося, що це справедливо і для розрахунків рівня
підвищення середньої глобальної температури. Таким чином підтверджуються можливості методу палеокліматичні реконструкцій, і зокрема
палеоаналогов.
Індекс відносної суворості за розрахунками кліматичної моделі на 2040-2050гг. і даними палеореконструкції. Вгорі - отриманий у
експерименті з урахуванням викидів аерозолю (кольорова лінія) і для кліматичного оптимуму голоцену (6тис. років тому); внизу - без обліку викидів аерозолю
(кольорова лінія) і для кліматичного оптимуму МіКулінсьКого Інтергляціал (125тис. років тому).
Глобальна температурна чутливість мерзлотно-кліматичних умов
Метод палеоаналогов розвивався для діагностики просторового розподілу кліматичних аномалій при заданому рівні
зміни середньої глобальної температури. Зручність його застосування було багато в чому пов'язано з тим, що така температура прогнозується більш надійно за
порівняно з деталями регіонального розподілу цієї кліматичної характеристики, розкид в оцінках зміни середньоглобальної температури по
окремих моделей не надто великий. При цьому найчастіше залучаються спрощені моделі клімату з малим числом добре контрольованих параметрів. При швидких
зміни клімату, коли його стан у кожний момент часу далеко від рівноважного, досяжного тільки у віддаленому майбутньому, виникає питання про саме
існування взаємозв'язків між середньою глобальної температурою і досліджуваним кліматичними параметрами.
На моделі загальної циркуляції атмосфери та океану і моделі клімату проміжної складності, створеної в Інституті фізики атмосфери, ми
простежили за найбільш простий характеристикою мерзлотних умов - площею континентальних територій Північної півкулі (Si), із значенням
індексу суворості менша -2, характерним для суцільного мерзлоти, - змінюється в залежності від середньоглобальної температури. Іншими словами, була оцінена
глобальна температурна чутливість мерзлотно-кліматичних умов. Результати моделювання показали тісний лінійну зв'язок досліджуваних
характеристик. При цьому чутливість мерзлотно-кліматичних умов (на графіку нахил прямих площа-температура) практично однакова для сценаріїв
з урахуванням впливу сульфатних аерозолів і без них і лежить в інтервалі від 0.4 до 0.25 К-1.
У середньому збільшення середньоглобальної температури на один градус відповідає зменшення площі суцільний вічної мерзлоти на одну третину.
За даними палеореконструкції для Північної Євразії, при збільшенні середньої глобальної температури на 1 ° С (оптимум голоцену) площа Si (-2)
зменшується на 25% у порівнянні з сучасною, що відповідає чутливості 0.25 К-1; при збільшенні на 2 ° С (Мікулінський
Інтергляціал) зменшення цієї площі сягає 80%, а чутливість - 0.4 К-1. Іншими словами, модельні та палеогеографічні значення цих
характеристик збігаються. Слід, щоправда, мати на увазі, що модельні експерименти проводилися тільки з урахуванням зміни вмісту парникових газів
і сульфатного аерозолю і не враховували можливий вплив інших впливів на клімат.
Наскільки ми близькі до минулого?
Як вже зазначалося вище, глобальні потепління минулого протікали на набагато більш тривалих відрізках геологічного часу в
порівнянні з сучасними швидкими темпами змін кліматоутворюючими процесів. Тому їх слід розглядати як можливі палеоаналогі граничних
квазіравновесних станів кліматичної системи, що відповідають поточному розрахункового рівня глобального потепління в майбутньому. З іншого боку,
власна інерційність багаторічних мерзлих грунтів, яка може досягати декількох десятків років на рівні нульових річних коливань, не дозволяє
проводити прямі аналогії між поточним рівнем потепління на поверхні та станом вічної мерзлоти. Однак при моделюванні нестаціонарного відгуку
клімату на сучасних моделях загальної циркуляції атмосфери та океану зв'язок мерзлотно-кліматичних умов з рівнем глобального потепління виявляється
тісною.
Були проведені розрахунки Si (-2) (ковзних десятирічних середніх значень) за такими моделями для періоду 1900-2100гг.
при сценарії викидів парникових газів business as usual і з додатковим урахуванням охолоджуючого дії аерозолю (до 2050г.). Умовна площа
суцільний вічної мерзлоти для кінця ХХ ст. співпадала з результатами спостережень. Виявилися близькими до реальних сучасним кордонів відповідних
підзон вічної мерзлоти і основні риси географічного розподілу ізоліній індексів I (-1) і I (-2) на території Північної Євразії для цього періоду. З
початку XXIв. обидві моделі показують початок різкого скорочення Si (-2), так що до середини століття ця площа зменшиться приблизно на 65% (близько 5-7
млнкм2) без урахування аерозольної емісії і дещо менш, приблизно на 35-40%, з урахуванням сульфатного аерозолю [2].
Залежність площі вічної мерзлоти, обмеженої індексом суворості -2 і нормованої на сучасне значення, у Північному
півкулі для різних десятиліть від зміни середньорічної глобальної температури приповерхневої для моделі загальної циркуляції (вгорі) і
кліматичної моделі проміжної складності ІФА РАН (внизу). Суцільні гуртки - експеримент з урахуванням аерозолів, порожні - без них. Суцільний і пунктирною
лініями позначені відповідні лінійні регресії. Для порівняння на малюнках нанесені хрестики, відповідні даними палеореконструкції для
оптимуму голоцену (сірі) і МіКулінсьКого Інтергляціал для Північної Євразії (чорні).
Зміна площі вічної мерзлоти, обмеженої індексом суворості -2, у Північній півкулі при десятирічному ковзному
усередненні в чисельних експериментах: 1 - по моделі загальної циркуляції без урахування аерозолю, 2 - з урахуванням аерозолю, 3 - за моделлю проміжної складності
ІФА РАН без урахування аерозолю; 4 - сучасне значення площі, покритої суцільний вічною мерзлотою.
Відзначимо на закінчення, що ми не розглядали ні дрібномасштабні характеристики ландшафту і рослинності, ні властивості грунту,
важливі для еволюції багаторічної мерзлоти, ні вертикальні особливості геокріологіческіх процесів, у тому числі в сніговому покриві і в шарі сезонного
протаіванія. А саме вони визначають інерційний запізнювання реакції мерзлоти на зміну поверхневих умов. Багато мерзлотоведи пов'язують сучасне
підвищення температур мерзлих грунтів із збільшенням товщини сніжного покриву. Деякі риси цих процесів дозволяють відтворити сучасні одномірні
геокріологіческіе моделі, які безперервно удосконалюються, і вже в доступному для огляду майбутньому їх можна буде включати в моделі майбутніх змін клімату в
як окремих блоків, пристосованих для опису процесів в холодних грунтах.
Для нас принципово важливо те, що оцінки мерзлотно-кліматичних умов XXIв., отримані за моделями клімату
нового покоління, узгоджуються з аналогічними оцінками для теплих епох минулого, не дивлячись на те, що палеоаналогі глобального потепління до середини століття
відносяться до квазістаціонарних умов. Рівні глобального потепління для цих епох - оптимуму голоцену і МіКулінсьКого Інтергляціал, за даними моделювання,
досяжні вже до середини століття почався. Хоча ці розрахунки не враховують тимчасове запізнювання процесів у всій товщі мерзлих грунтів, яке може
досягати десятка-сотень років, модельні оцінки зміни мерзлотно-кліматичних умов у бік теплих епох означають, що вже в найближчі десятиліття можна
очікувати інтенсифікації процесів деградації вічної мерзлоти.
Література
1. Величко А.А., Нечаєв В.П.// ДАН. 1992. ? 3. C.667-671.
2. Intergovernmental Panel on Climate Change/Eds JTHoughton, LGMeira Filho, BACallander et al. Cambridge, 1996.
3. Будико М.І. Еволюція біосфери. Л., 1984.
4. Roeckner E., Bengtsson L, Feichter J. et al.// J. Climate. 1999. V.12. P.3004-3032.
5. Handorf D., Petoukhov V.K., Dethloff K. et al.// J. Geophys. Res. 1999. V.104. ? .22. P.27253-27275.
6. Нечаєв В.П. Про деякі співвідношеннях між мерзлотнимі і кліматичними параметрами та їх
палеогеографічне значення// Вопр. палеогеогр. плейстоцену льодовик. і перігляц. областей
/ Под ред. А. А. Величко, В. П. Гричук. М., 1981. С.211-220.
