С.Ю. Пармузин, Л.С. Гарагуля, Э.Д. Ершов, Л.Н. Хрусталев

ПРОБЛЕМЫ ГЕОКРИОЛОГИИ В СВЯЗИ С ГЛОБАЛЬНЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ КЛИМАТА

Московский государственный университет

Выявлены пространственно-временные изменения реакции криолитозоны на глобальные изменения климата в связи с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов. С использованием одного из сценариев глобального потепления получены количественные закономерности времени начала оттаивания многолетнемерзлых пород, динамики их температурного режима и глубины их многолетнего оттаивания на территории России. Проведены расчеты потенциальной осадки поверхности при оттаивании сильнольдистых пород ледового комплекса приморских низменностей Якутии. Показано, что глобальное потепление климата существенно скажется на устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне. Намечены пути решения задач геокриологических исследований в связи с прогнозируемым потеплением климата.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что глубокое промерзание верхних горизонтов литосферы и их оттаивание в истории Земли на протяжении последних 2,5 млрд. лет происходили неоднократно. Современная криолитозона сформировалась в четвертичный период. Она несет следы многих похолоданий и потеплений климата, структура которых обусловлена длинно-, средне- и короткопериодными колебаниями температур воздуха разной геофизической природы.

Инструментальные метеорологические наблюдения по многим пунктам криолитозоны России показывают, что с середины 60-х годов XX столетия до настоящего времени отмечается достаточно устойчивая тенденция повышения среднегодовой температуры воздуха. Потепление климата, по данным наблюдений на геокриологических стационарах [10 и др.] сопровождается отчетливо выраженным повышением среднегодовой температуры грунта, активизацией некоторых криогенных процессов.

Согласно существующим представлениям, современное потепление может быть объяснено естественной динамикой климата, связанной с общепланетарными геофизическими причинами. Вместе с тем, многие ведущие климатологи мира придерживаются мнения и о существенном вкладе в этот процесс антропогенного фактора - увеличения содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂), метана (CH₄), окислов азота, фреона и других малых примесей газов.

СЦЕНАРИИ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА

Сравнение большого числа моделей динамики климатических систем, обобщение которых дано в работах [2,10,11 и др.], показало, что прогнозируемые разными авторами тренды потепления климата лежат в пределах 0,013 - 0,075 ^o C/год. Наиболее вероятное ожидаемое при удвоении концентрации CO₂ повышение глобальной равновесной температуры воздуха лежит в диапазоне от 1,5 до 5,5°C. Согласно сценарию Вашингтона и Мичла [18], в пределах России повышение максимальных среднемесячных температур приземного слоя воздуха при удвоении концентрации CO₂ может составить 1-2°C, минимальных - от 4-6°C на большей части криолитозоны России до 8-10°С на Чукотке и Камчатке. По сценарию Хансена [16] повышение среднегодовой температуры воздуха в пределах России составит 4-6°C. Максимальное повышение температур воздуха ожидается на Арктическом побережье и островах Ледовитого Океана. Аналогичные результаты получены и другими исследователями [2, 11, 17 и др.].

ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ КРИОЛИТОЗОНЫ

Практически все перечисленные модели предполагают антропогенное повышение температур воздуха в будущем. Вместе с тем, прогнозируемое потепление климата "накладывается" на естественно-историчесую тенденцию изменения температур, связанную астрономическими и геолого-географическими причинами. Методика прогнозирования динамики температур воздуха основана на гармоническом анализе данных наблюдений на опорных метеостанциях в предположении существования разнопериодных ритмов, накладывающихся друг на друга с различными сдвигами фаз и амплитудами [8]. Гармоническое разложение временных температурных рядов позволяет получить аналитические зависимости и построить кривые динамики среднегодовой, максимальной и минимальной среднемесячных температур воздуха на исследуемом интервале времени и в будущем. Очевидно, что в отдельные годы повышение температур воздуха за счет парникового эффекта может компенсироваться ее понижением за счет естественно-исторической динамики климата.

Прогнозируемое повышение температур воздуха, приведет к существенным изменениям температурного режима сезонно- и многолетнемерзлых пород (ММП). В зависимости от масштаба этих изменений в различных регионах неизбежно возникнут проблемы как научного, так и прикладного характера, связанные с возможным оттаиванием толщ мерзлых пород, развитием деструктивных геокриологических процессов, оказывающих негативное влияние на инженерные сооружения. Поэтому в настоящее время весьма важно своевременно оценить все аспекты геокриологических последствий глобального потепления климата.

Существуют два основных подхода к оценке реакции мерзлоты на глобальное потепление климата: математическое моделирование и метод палеоаналогов. И тот и другой методы используются для прогноза изменения геокриологических условий в будущем [1, 3 - 5, 8, 9, 12, 14, 15 и др.]. Оба подхода имеют как положительные, так и отрицательные стороны. При использовании математического моделирования чаще всего применяются численные методы решения нестационарной задачи теплопроводности (задачи Стефана) с использованием современной вычислительной техники. Однако, есть попытки использования и приближенных аналитических методов [7], позволяющих определить вероятное положение южной границы многолетнемерзлых пород в будущем в соответствие с принятым сценарием. Использование численных методов прогноза дает возможность определить время вероятного начала многолетнего оттаивания пород, динамику температурного режима всей толщи многолетнемерзлых пород независимо от их начальной температуры, геологического строения и свойств. При математическом моделировании современные геокриологические условия, сформировавшиеся под влиянием комплекса природных факторов, рассматриваются как начальные. Конечные результаты прогноза зависят от принятого математического аппарата и во многом определяются выбором верхних граничных условий на весь прогнозируемый период - динамики температур воздуха, изменения условий снегонакопления, эволюции растительного покрова и т.д. Метод палеоаналогов предполагает использование палеоклиматических и палеомерзлотных реконструкций для тех интервалов геологического прошлого, во время которых уровни повышения средней глобальной температуры воздуха по сравнению с современными соответствуют уровням, ожидаемым в будущем в связи с парниковым эффектом.

Реакция криолитозоны России на глобальное потепление климата может быть рассмотрена на основе результатов геокриологического прогноза, выполненного при использовании сценария Института глобального климата и экологии РАН. Это один из экстремальных сценариев, позволяющий проследить пространственные закономерности повышения не только среднегодовой, но и среднемесячных температур приземного слоя воздуха на территории России. Согласно этому сценарию в зависимости от географического положения района прогнозируется повышение среднегодовой температуры воздуха на 4¸8°С, максимальной среднемесячной - на  2¸3°С, минимальной среднемесячной - на 6¸12°С.

На основе существующих представлений о закономерностях формирования температурного режима многолетнемерзлых толщ с использованием сценария потепления, предложенного Институтом глобального климата и экологии РАН, нами получена количественная оценка деградации криолитозоны и возможных последствий этого процесса. Использовались численные методы прогноза динамики температурного поля многолетнемерзлых пород.

В прогнозных расчетах приняты следующие допущения. В течение расчетного периода (110 лет) повышение среднегодовой температуры воздуха происходит по линейному закону, за начальное время, с которого фиксируется антропогенное повышение температуры воздуха, принят 1990 год. Теплофизические характеристики растительного и снежного покровов, а также теплофизические свойства верхнего слоя пород в течение расчетного периода остаются неизменными; не учитывались возможная осадка оттаивающих многолетнемерзлых пород и развитие криогенных процессов. Расчетная область задавалась на 30¸50 м глубже современного положения подошвы ММП. Результаты расчетов, выполненных при таких допущениях, позволили выявить некоторые пространственно-временные закономерности процесса деградации криолитозоны.

Эти закономерности могут быть представлены в виде изменчивости трех характеристик: среднегодовой температуры пород, времени начала оттаивания толщи многолетнемерзлых пород и глубины их многолетнего оттаивания. Расчеты проводились для большого числа пунктов, расположенных в различных мерзлотно-температурных условиях и характеризующих районы с различными среднегодовыми температурами, мощностями, составом и теплофизическими свойствами многолетнемерзлых пород. Выбранные пункты характеризуют области островного, массивно-островного, прерывистого и сплошного распространения многолетнемерзлых пород.

Анализ полученных данных показывает, что время, когда начинается многолетнее оттаивание, зависит от сформировавшейся к настоящему моменту среднегодовой температуры пород и от ожидаемой тенденции повышения температуры воздуха в каждом конкретном случае. Период времени (t), в течение которого среднегодовая температура на кровле многолетнемерзлых пород повысится до 0°C ощутимо не зависит от их состава и свойств и прямо пропорционален среднегодовой температуре ММП на момент начала потепления климата (t₀), взятой по модулю, и обратно пропорционален тренду потепления (Dt) и может быть рассчитан по уравнению t = A|t₀|/Dt, где A - коэффициент, зависящий от тренда повышения температуры воздуха. Результаты расчетов для пунктов, различающихся строением разреза (торф, суглинок, песок), ландшафтными и климатическими условиями (использованы климатические данные по пунктам Нум-То, Надым, Тазовский, Воркута, Амдерма и др.), но имеющих один тренд потепления, показали, что для Dt = 0,06°C/год  A =1,13, для  Dt = 0,045°C/год  A = 2,48 (в проведении расчетов принимал участие А.Н.Козлов).

В условиях неустановившегося температурного режима, когда из года в год происходит повышение температуры пород по глубине, не корректно говорить о среднегодовой температуре пород на глубине нулевых годовых амплитуд как о постоянной температуре в течение длительного отрезка времени. Тем более это не корректно, когда начинается многолетнее оттаивание пород с поверхности. Поэтому для оценки тенденции изменения температурного состояния пород в разрезе принята фиксированная глубина, приблизительно равная глубине нулевых годовых амплитуд в современных условиях -18¸20 м. Расчеты показали, что изменение температуры пород на этой глубине в будущем существенно зависит от их начальной температуры.  При относительно высоких начальных отрицательных температурах пород большая часть поступающего в грунт тепла идет на фазовые переходы при опускании кровли мерзлых пород и поэтому повышение температуры пород идет относительно медленно. В интервале низких среднегодовых температур интенсивность повышения температуры мерзлых пород увеличивается (до температуры начала активных фазовых переходов).

Скорость и глубина многолетнего оттаивания пород определяется не только их начальным температурным состоянием и прогнозируемым трендом повышения температуры воздуха, но и составом и теплофизическими свойствами отложений. Так, например, скорость многолетнего оттаивания мерзлого торфа при тренде потепления 0,06°C/год составит около 6 см/год, суглинка - около 13 см/год, песка - около 20 см/год. Выявленные закономерности позволяют установить количественные оценки интенсивности деградации ММП при их разной исходной среднегодовой температуре на любой момент времени от начала повышения температуры воздуха для разных пород. Результаты такой оценки на 50 и 110 год от начала потепления климата для некоторых типов грунтов представлены в таблице 1.

Повышение среднегодовой температуры пород при глобальном потеплении климата вызывает не только деградацию мерзлых пород с поверхности, но и их оттаивание снизу. Темп оттаивания определяется составом пород, среднегодовой температурой, мощностью и величиной теплопотока из недр земли. Например, в районах распространения суглинистых пород Европейского Севера при мощности криолитозоны 50 м величина оттаивания снизу к 2100 г. может составить около 2 м, при мощности 100 м - около 1 м.

Таблица 1. Прогноз геокриологических условий при глобальном потеплении климата с трендом 0,06°C/год