Одной из главных причин печально известной экологической катастрофы 2020 года, случившейся в Норильске, где в окружающую среду вылилось около 21 тысячи тонн дизельного топлива, была названа деградации вечной мерзлоты. Именно она вызвала критическую деформацию резервуара и экологический эксцесс мирового масштаба. По той же причине произошел и масштабный провал в Талнахе в июне этого года. Вечная мерзлота тает… Но может ли она растаять полностью? С какими последствиями таяния вечной мерзлоты уже столкнулись арктические регионы в разных странах мира? Разбираемся в нашем материале.
Что такое вечная мерзлота и где она распространена?
Вечная мерзлота, или многолетнемерзлые породы, — это горные породы на суше и под морским дном, температура которых держится ниже 0 °C на протяжении двух и более лет. Такие породы встречаются в северных регионах и в районах высокогорья, там, где среднегодовая температура воздуха не превышает минус 2–3 °C: в таких условиях мерзлота может сохраниться. В Северном полушарии это, прежде всего, Арктика и прилегающие к ней районы Северной Америки и Сибири, а также Тибет и соседствующие с ним высокогорные районы: около 24 % территории суши в Северном полушарии — это зона распространения вечной мерзлоты.
В России около 60–65% территории страны приходится на зоны распространения вечной мерзлоты, а в Канаде этот показатель составляет около 50%. В США мерзлота распространена в основном на Аляске, где она занимает 80% территории штата.
Как выглядит вечная мерзлота, и какая она бывает?
Вечную мерзлоту в Арктике можно наблюдать на склонах и обрывах, в тех местах, где идет эрозия грунтов, чаще всего на краю морского побережья или в долине крупных рек. В зоне тундр она обычно располагается неглубоко и выглядит как твердый глянцевый слой серого, реже белого цвета под слоем почвы. Это и есть та самая вечная мерзлота — лед, который активно тает от контакта с теплым воздухом в летний сезон.
На какой глубине начинается мерзлота? Сразу под слоем почвы расположен деятельный, или сезонно-мерзлотный слой, который оттаивает летом и замерзает зимой. В зоне арктических тундр его глубина редко достигает 1 метра, а южнее, в зоне тайги, этот активный слой простирается до 3–4 метров. Но настоящая вечная мерзлота, которая не тает на протяжении двух лет и более, расположена глубже, как раз под этим слоем.
Глубина залегания таких многолетнемерзлых пород зависит от климатических параметров региона и характера так называемых подстилающих горных пород. Например, в северных регионах России и Канады слой вечной мерзлоты имеет толщину 500–700 метров, а в таежной зоне Восточной Сибири обычно 100–500 метров. Под Восточно-Сибирским морем ученые предполагают наличие мерзлоты до глубины 500–600 метров. А максимальная зафиксированная глубина распространения многолетнемерзлых пород — 1500 метров. Этот колоссальный слой мерзлоты обнаружили на территории России в Восточной Сибири, в верховьях реки Вилюй. Такая глубина мерзлоты связана с характером горных пород в этом регионе и очень низкими температурами воздуха в зимний период. Кстати, почему в Восточной Сибири настолько холодно, можно узнать из нашего материала.
Наличие вечной мерзлоты сказывается на формировании северных ландшафтов. Например, в тундре она залегает почти у поверхности, неглубоко, поэтому является препятствием для просачивания воды. И там, где уклон рельефа небольшой, можно наблюдать ландшафты со множество озер и болот.
Но сплошные мерзлые породы распространены в основном в арктических тундрах и в центре Восточной Сибири. Южнее вечная мерзлота может быть прерывистой или островной и располагаться в виде изолированных линз. И даже бывают случаи, когда мерзлота залегает отдельными слоями разного возраста. Например, в Западной Сибири есть регион, где на глубине сохранилась реликтовая мерзлота, над ней располагается слой с положительной температурой, оттаявший во время климатического оптимума в период голоцена около 4–8 тысяч лет назад, а ближе к поверхности снова расположен слой вечной мерзлоты, но уже современной.
Только представьте, насколько сложно спроектировать в подобном регионе автодорогу, построить здание или пробурить скважину для добычи углеводородов. Слои и линзы мерзлоты имеют разную температуру и плотность в зависимости от сезона года и агрегатного состояния воды, которая то расширяется, то сжимается. И это сказывается на бюджете: стройка в условиях вечной мерзлоты обходится значительно дороже.
Когда возникла вечная мерзлота?
Многолетнемерзлые породы – это реликт позднего плейстоцена. Возраст самых древних слоев вечной мерзлоты, которые были обнаружены в канадской провинции Юкон, превышает 400 тысяч лет, а исследования мерзлоты в Якутии в районе Батагая показали, что в этом регионе она возникла около 650 тысяч лет назад. Получается, что эти многолетнемерзлые грунты пережили межледниковые периоды потепления на Земле: известно, что 130–116 тысяч лет назад температура в Арктике в летний период была выше на 4–5 °C, чем в доиндустриальную эпоху. Возможно, мерзлота переживет и новое глобальное потепление? Но пока мы фиксируем лишь процессы ее деградации.
Деградация вечной мерзлоты: в чем это проявляется?
На севере России и Канады, на Аляске и в Тибете – во всех этих регионах мы наблюдаем те или иные процессы, свидетельствующие о деградации вечной мерзлоты.
- Рост температуры в верхних слоях многолетнемерзлых пород. Ученые Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А. А. Трофимука СО РАН вместе с сотрудниками из Научного центра изучения Арктики провели замеры температуры вечной мерзлоты в скважинах на Гыданском полуострове в Ямало-Ненецком автономном округе. Было выявлено, что с конца 1980-х годов по 2018 год температура многолетнемерзлых пород на глубине 10 метров увеличилась на 2–3 °C. Похожие данные приводят специалисты из Арктического института в США, которые зафиксировали рост температуры вечной мерзлоты в Арктике на 1,5–2,5 °C за 30 лет в период с 1990 по 2020 годы.
- Деградация береговой линии на побережье Северного Ледовитого океана. Таяние мерзлоты на побережье Арктики идет вместе с сокращением площади морского льда, который выполняет роль волнорезов во время штормов. Отсутствие ледового покрова в морях Северного Ледовитого океана делает берег беззащитным перед ударами волн. По данным Арктического института США, побережье в Арктике отступает в среднем на 0,5 метра в год, но иногда можно наблюдать, как один шторм уносит в океан до 20 метров береговой линии.
- Эрозия речных долин из-за таяния вечной мерзлоты. Ученые географического факультета МГУ исследовали эрозионные процессы в долине реки Колыма и опубликовали итоги в журнале Nature. В результате полевых работ и анализа данных спутникового мониторинга было выявлено, что отступление берегов с вечной мерзлотой в период с 2001 по 2021 год ускорилось на 50 % по сравнению с аналогичными процессами, которые наблюдались в 1965–1980 годах.
- Образование провалов и обрывов. Таяние мерзлоты может активизироваться из-за масштабного пожара. В тех местах, где выгорела большая площадь леса или торфяников, исчезает термоизолирующая прослойка, поэтому мерзлые породы начинают прогреваться и таять. То же самое происходит и в местах сплошной вырубки леса, и Батагайский провал, длина которого уже достигла 1 километра – яркий тому пример.
Какие проблемы для деятельности людей возникают на фоне таяния вечной мерзлоты?
Ниже мы попытаемся перечислить некоторые наиболее острые проблемы, которые уже сегодня существуют в арктических регионах России, а также в Канаде и США.
- Угроза распространения опасных вирусов и бактерий. Из-за таяния вечной мерзлоты на поверхности оказываются опасные патогены из прошлого. В 2016 году в России на территории Ямало-Ненецкого округа произошла вспышка сибирской язвы: умерло более 2,5 тысячи животных, заболело 24 человека и 1 ребенок скончался. На территории округа распложено более 60 мест падежа северных оленей, умерших от сибирской язвы в прошлом, а из-за аномально жаркой погоды летом 2016 года захоронения, вероятно, растаяли, и возбудители попали в окружающую среду. Из-за таяния многолетнемерзлых пород в окружающую среду могут попасть вирусы и бактерии, которые даже не знакомы человечеству, но которые пролежали десятки тысяч лет в стадии консервации и сохранили жизнеспособность.
- Разрушение жилых зданий и инфраструктуры. Из-за таяния мерзлоты снижается несущая способность структурных оснований и растет риск деформация расположенных на них конструкций. По оценкам экспертов более 40% зданий в российской Арктике находятся в зоне риска из-за угрозы разрушения фундамента, в том числе таяние мерзлоты угрожает жилому фонду, в котором проживает около 800 тысяч человек.
- Экологические катастрофы на фоне разрушения промышленных объектов. Промышленные предприятия тоже под угрозой, и экологическая катастрофа в Норильске, с которой мы начали эту статью, показала, что необходимо срочно принимать меры по защите целостности промышленных объектов, расположенных в зоне вечной мерзлоты. По подсчетам специалистов, около 23% техногенных аварий в российской Арктике происходит из-за деградации вечной мерзлоты.
- Экономические потери из-за деформации промышленных объектов. Для России наибольшую опасность представляют аварийные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли, а также на таких крупных предприятиях, как «Норникель». По подсчетам специалистов, 23% всех происходящих в российской Арктике аварийных ситуаций на промышленных объектах происходит по причине деградации вечной мерзлоты.
- Переселение людей из аварийных поселков. Эта проблема актуальна для небольших поселков на побережье Канады и Аляски. В основном здесь проживают коренные народы, ведущие традиционный образ жизни, который подразумевает китовый промысел и рыболовство. Но люди вынуждены уходить вглубь континента, потому что из-за деградации вечной мерзлоты их дома разрушаются.
- Угроза для традиционного образа жизни народов Крайнего Севера. Это пока проблема будущего, но нет сомнений, что рано или поздно она заявит о себе и коснется в первую очередь оленеводов севера Евразии. Трансформация ландшафтов на фоне таяния вечной мерзлоты приведет к заболачиванию ряда равнинных участков тундры, где распространены лишайниковые сообщества. Это затруднит выпас оленей и вынудит людей искать новые пастбища и пути миграций для своих домашних животных.
- Увеличение выбросов парниковых газов. Если раньше Арктика была поглотителем парниковых газов и углерода, который входит в состав метана и углекислого газа, то современные научные исследования показывают, что северные регионы, наоборот, стали источником углерода: выделение углекислого газа в зимний период существенно выросло. Все дело в повышении температуры воздуха: глубина деятельного слоя увеличивается, микроорганизмы активизируются, и запускается процесс переработки органических остатков, в том числе и тех, что тысячелетиями копились в мерзлоте. В итоге наблюдается рост выброса метана и углекислого газа – продуктов переработки органики, а баланс углерода из отрицательного становится положительным.
Может ли вечная мерзлота растаять полностью?
Расчеты международной группы ученых показывают, что площади приповерхностной вечной мерзлоты к 2100 году сократятся на 93 процента, и немногочисленные регионы, где она сохранится, — это Гренландия, Канадский арктический архипелаг и Восточно-Сибирское нагорье. При этом мощные слои мерзлых пород глубиной до 300–500 и более метров вряд ли смогут растаять полностью, даже если глобальное потепление пойдет по самому пессимистичному сценарию и мы получим увеличение средней планетарной температуры воздуха к концу XXI века еще на 2–3 °C. Получается, что под угрозой именно верхние слои, близкие к динамичному активному слою. Но и этого достаточно для того, чтобы нарушить привычный ритм жизни в Арктике.
Какие работы проводят российские ученые для решения проблем с вечной мерзлоты?
Работы по исследованию вечной мерзлоты, направленные на адаптацию населения и экономики к текущим изменениям, ведутся в нескольких направлениях.
- Фоновый мониторинг и прогнозирование. В некоторых регионах, например, в Ямало-Ненецком округе и в Норильске, уже существуют свои локальные системы мониторинга динамики мерзлых пород. И сейчас на территории России создается масштабная система фонового мониторинга многолетней мерзлоты, которая будет состоять из 120 скважин, а оператором этого проекта выступает Арктический и антарктический научно-исследовательский институт в Санкт-Петербурге. Часть скважин с температурными датчиками уже функционирует, а полностью завершить формирование системы мониторинга планируется к концу 2025 года.
- Изучение палеоклимата. Исследование климатических параметров прошлого необходимо для прогнозирования будущего. Российские ученые из Института земной коры СО РАН и Иркутского национального исследовательского технического университета в составе международной группы специалистов изучили параметры климата в эпоху позднего миоцена. Тогда, около 8,68 млн. лет назад, средняя температура на Земле была выше современных показателей на 4,5 градуса. Изучив сталактиты в пещерах на севере Якутии, специалисты пришли к выводу, что в тот период в этом регионе не было вечной мерзлоты. Возможно, она исчезнет и в ближайшем будущем при аналогичном повышении температуры воздуха. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
- Разработка и внедрение инноваций для решения актуальных проблем в регионах с вечной мерзлотой. Как сохранить мерзлоту под объектами инфраструктуры, и какие технологии применить для строительства – такие задачи решают несколько ведущих научных центров страны. Например, ученые из Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета разработали технологию нового покрытия для создания фундаментов в условиях нестабильных мерзлых пород в Арктике. Разработчики успешно протестировали свое изобретение и выиграли грант Газпромнефти на развитие строительных технологий для криолитозоны. А специалисты из Тюменского научного центра СО РАН совместно с коллегами из Тюменского индустриального университета модернизировали систему по сохранению мерзлых пород, сделав ее более эффективной и удобной в использовании. Они заменили привычный аммиак на диоксид углерода: система стала более чувствительна к повышению температуры и активизируется быстрее, повышая эффективность охлаждения.
***
Состояние многолетнемерзлых грунтов зависит не только от повышения температуры воздуха, но и от множества других параметров, таких же сложнопрогнозируемых. Например, совершенно неясно, сколько углекислого газа смогут поглотить северные растения, ведь известно, что с увеличением его концентрации активизируется фотосинтез и рост биомассы. Не исключено, что повышение температуры будет способствовать росту продуктивности таежных и арктических экосистем, которые смогут стабилизировать уровень парниковых газов в атмосфере. А возможно, солнечная активность снизится, и мы к концу столетия окажемся в малой ледниковой эпохе: среди ученых существует и такая версия развития событий.
Автор текста Ольга Фролова
Изображение на обложке: Freepik
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
