Как климат влияет на вечную мерзлоту и усложняет жизнь в Арктике
12 Ноября 2021

В условиях глобального потепления наиболее динамичные изменения климата фиксируют в Сибири, в первую очередь – в Арктической зоне РФ. На трансформацию климата откликаются все экосистемы – лес, водоёмы, растения, но одной из наиболее чувствительно реагирующих экосистем является вечная мерзлота. Её таяние – предмет многочисленных споров и предположений, связанных с экологическими катастрофами, угрожающими Земле. Что на самом деле происходит с вечной мерзлотой в Арктике, насколько это может усложнить жизнь её жителям и что необходимо для эффективного и безопасного строительства в Арктической зоне РФ, в интервью Alma Mater рассказал директор Института мерзлотоведения СО РАН (Якутск) Михаил Железняк, посетивший Томский государственный университет в рамках форума U-NOVUS.

ТГУ выступил инициатором формирования консорциума «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни». В него войдут около 15 ведущих научных центров страны, занимающихся исследованием климатических изменений и их влиянием на трансформацию окружающей среды. Глобальной задачей консорциума является разработка механизмов адаптации человека и экосистем к климатическим изменениям и их последствия. Одним из первых в состав нового объединения вошёл Института мерзлотоведения СО РАН (Якутск). Подписание соглашения о сотрудничестве состоялось на форуме U-NOVUS 2021.

DSC_4653_подписание соглашения_Железняк.jpg

Климат менялся и будет меняться

– Михаил Николаевич, климат планеты довольно ощутимо меняется, и становится понятно, что вечная мерзлота не такая уж вечная. Насколько интенсивно она тает и где это наиболее заметно?

– На самом деле, если говорить о формулировках, то когда один из основоположников направления «геокриология» Петр Филимонович Швецов использовал словосочетание «вечная мерзлота», он имел ввиду вовсе не вечность, а век. И она действительно существует более ста лет. Что касается таяния многолетнемёрзлых пород, то такие процессы, действительно, наблюдаются, но интенсивность их очень разная – от активного разрушения до полной стабильности.

Мы видим, что последние 50 лет идёт интенсивное потепление. Один из важных факторов влияния – повышение среднегодовой температуры. Сейчас много об этом говорят, как и о грядущих катастрофах. На самом деле климат всегда менялся и будет меняться. Точно так же будет трансформироваться и окружающая среда. Наша задача – оценить, какие изменения происходят, насколько они интенсивны, прогнозировать временной период, на который они распространятся, и подготовить технические решения, позволяющие эти изменения преодолевать.

Например, в Якутске среднегодовая температура за последние 50 лет повысилась на три градуса. Мы себя нормально чувствуем, где-то человеку это даже на руку, но при этом трансформируется и окружающая среда. Это становится отправной точкой для других изменений.

– Каких например?

– К примеру, в центральной Якутии в некоторых местах – на безлесных территориях – отмечаются довольно динамичные процессы термокарста, то есть вытаивания подземных льдов и образования пониженных форм рельефа, заполнения их водой. В результате возникают термокарствые озера. Помимо этого меняется береговая зона, идут термоабразионные процессы. Абразия это – механическое разрушение под воздействием энергии волны, в данном случае энергия волны передаёт мёрзлым породам ещё и энергию тепла. Конечно, это связано с потеплением климата, которое влечёт за собой изменение глубины сезонного протаивания, температуры пород, термовлажностного режима.

DSC_4691_Железняк.jpg

Нужно знать характер мерзлоты

– Михаил Николаевич, как изменение климата влияет на состояние зданий и дорог в Арктике?

– Влияет напрямую. Например, грунты, на которые ранее можно было опираться инженерным сооружениям, переходят в слабоустойчивое состояние (глины становятся вязкими), для дорог это плохо. На самом деле, всё зависит от того, насколько при строительстве учитываются параметры и состояние многолетнемерзлых пород. У нас с этим всё не так хорошо, как хотелось бы.

– То есть нужно разрабатывать адаптационные технологии, учитывающие новые реалии?

– В том-то и дело, что ряд нужных технических решений уже есть. Их просто необходимо правильно использовать при строительстве и эксплуатации. Каждое инженерное сооружение должно эксплуатироваться (работать) определенное количество лет: например, в Якутске срок службы каменных домов до 70 лет. Значит, мы должны их так запроектировать и построить, чтобы они весь этот срок нормально стояли и служили.

Перед проектированием необходимо проводить соответствующие изыскания, чтобы понимать, каковы особенности грунта в том месте, где будет возводиться здание или дорога. Но полноценных изысканий в настоящее время проводится крайне мало. Сейчас при проектировании активно используют новые инструменты – IT-программы, но они не учитывают особенности вечной мерзлоты, получается какое-то усреднённое значение. Когда вы, к примеру, строите автомобильную или железную дорогу, очень часто (в зависимости от условий формирования грунтов) они имеют различные физико-механические свойства. Более того, на формирование свойств мерзлых грунтов влияет и микроклимат, в том числе особенности выпадения и перераспределения атмосферных осадков, которые выпадают в этом месте в течение года.

Другой определяющий фактор, от которого зависит состояние инженерных конструкций, – грамотная эксплуатация. Порой достаточно самых простых мер. К примеру, в некоторых местах, чтобы сохранить мерзлые грунты, достаточно вовремя убирать снег c обочины дороги. В зимний период при низких температурах он оказывает значительное отепляющее воздействие, работает как теплоизолирующий слой, препятствуя охлаждению пород.

yRu5rcCYvHw_таяние вечной мерзлоты.jpg

Человек – не главный фактор

– Сейчас одна из активно обсуждаемых тем – это высвобождение углерода, которое происходит при таянии вечной мерзлоты. Некоторые учёные утверждают, что масштабы эмиссии при этом могут быть катастрофичными и провоцировать еще большее потепление. Что вы об этом думаете?

– Действительно, об этом очень много говорят и спорят, я отношусь к этому спокойно. Да, встречаются аномалии, где наблюдается повышенная эмиссия углерода, но они локальные и выделение там не может идти с одной и той же интенсивностью на протяжении всего года. Я не специалист в теме эмиссии углерода, но я совершенно чётко знаю, что на Земле были эпохи, например, когда при интенсивном развитии кораллов в море выделение углекислого газа было в десятки раз выше, но живой мир существовал и развивался.

Если бы выделились метан и углекислый газ, содержащийся в вечной мерзлоте, одновременно – несомненно, была бы катастрофа. Но это крайне маловероятно. При изменении климата в северных регионах увеличивается деятельный слой, находящийся на поверхности вечной мерзлоты (который протаивает летом и замерзает зимой), – а это 10-30 сантиметров в год. Высвобождающиеся в этом слое газы не могут оказать глобального значительного влияния на жизненные циклы. Исключение могут составлять защемлённые в мерзлоте газовые скопления.

Пятнадцать лет назад мы с коллегами из трёх институтов СО РАН и трёх европейских исследовательских лабораторий (Бельгия, Италия, Франция) в рамках проекта ЮНЕСКО работали над проектом «Возможности хранения СО2 в русской вечной мерзлоте». Когда начали анализировать количество углерода, выбрасываемого нашей промышленностью в Сибири, установили, что это количество ничтожно по сравнению с одной только Францией. Поэтому если говорить о том, можно ли нынешнюю тенденцию с эмиссией углерода считать катастрофой, я бы воздержался.

– А если говорить о масштабах таяния вечной мерзлоты и изменении почв? Выступая на круглом столе в ТГУ, вы сказали, что по этой причине Россия ежегодно теряет около 11 квадратных километров побережья. Это много или мало в масштабах нашей страны?

– Эти процессы связаны с термо-абразионно-эрозионными процессами на побережье. С одной стороны – это немного. Но уже сейчас результаты таяния приводят к определённым трудностям: берег разрушается, образуется мелководье. Например, в Тикси находится порт. Под воздействием выноса дисперсного материала реки Лены и разрушения берегов образуется мелководная зона (до 20 км), которая затрудняет судам заход в порт. С другой стороны, если тенденция будет нарастать, изменение береговой линии станет более ощутимой проблемой.

Барьеры для науки

– Михаил Николаевич, чтобы строить надёжные конструкции в Арктике, нужно исследовать вечную мерзлоту. А что сейчас наиболее актуально? На чём важно сконцентрироваться?

– Важно, в первую очередь, получить доступ к объекту изучения. У нас с этим дела сейчас обстоят из рук вон плохо. С 90-х годов науку «отодвинули» от геологоразведочных, горнодобывающих и производственных организаций. Раньше мы имели доступ к горным выработкам (скважинам, штольням, шахтам, изыскательским работам), которые дают материал для познания грунтовых условий, в том числе мерзлоты.

Когда открывали месторождения Лодочное, Сузун и прочие на севере Красноярского края и бурили первые скважины, у мерзлотоведов был открытый и доброжелательный, со стороны геологов, доступ на эти участки. Нас просто с руками забирали, поскольку для производственников наши исследования давали возможность получить дополнительную информацию, важную для их области. Сейчас всё, что связано с производством, окружено коммерческой тайной.

Даже те скважины, которые они бросают, закрыты для доступа. А нам они очень нужны, поскольку институты не могут себе позволить (по финансовым затратам) бурение скважин глубиной 500–700 метров, чтобы взять пробы грунта, проанализировать, что в них есть, в каком состоянии там вечная мерзлота. Наука потеряла и ежедневно теряет колоссальное количество информации. Если бы не 70-80 годы, не знаю, где бы мы были с точки зрения понимания строения и состояния вечной мерзлоты. Ситуацию нужно менять. Мы обращались и говорим об этой проблеме и нашим министерствам, и парламенту РФ, и Минобрнауки, но пока подвижек нет.

Впрочем, это не единственный сдерживающий фактор. Колоссальная проблема – создание систем научно-испытательных полигонов. Мы имеем разные типы многолетнемёрзлых пород – сплошная мерзлота, прерывистая мерзлота и прочее. Необходимо иметь оборудованные исследовательские лаборатории и комплексные полигоны, где можно испытывать инженерные конструкции в различных природных условиях.

Ситуации, связанные с выходом из строя или значительными нарушениями работы инженерных сооружений, возникают сплошь и рядом. Наличие полигона помогло бы уменьшить количество таких случаев и снизить экономические потери. Когда делали последний проект по созданию системы мониторинга Арктической зоны РФ, посчитали, что стоимость системы комплексного мониторинга обойдется в 12 миллиардов рублей. Сумма немалая, однако к 2050 году при сохранившейся тенденции изменения климата ущерб от потерь несущей способности оснований фундаментов существующих инженерных сооружений составит около 5-7 триллионов рублей в общем и 700 млрд рублей для жилищного фонда городских и муниципальных образований.

Расчеты не учитывают строительство по прежним технологиям новых объектов в Арктической зоне РФ за счет планируемых многомиллиардных инвестиций. В таких условиях убытки могут возрасти кратно. Если мы хотим на Севере строить надёжные здания и дороги, нужна система мониторинга и научно-испытательные полигоны. Без этого безопасно осваивать Север неэффективно, крайне сложно, почти нереально.

JeIpFe_7sto_разрушение берега в результате таяния ВМ.jpg

– Как решают эту проблему другие арктические страны? У них есть такие полигоны?

– Такие полигоны, о которых мы, будучи главной арктической державой, только мечтаем, есть даже у стран, не имеющих выхода к Арктике. Я сейчас говорю про Китай. У них тоже есть вечная мерзлота – на северо-западе страны, где она имеет прерывистое распространение, мощностью до 130 метров. Там деградирующая мерзлая толща, территория интенсивно освоена и осваивается. Китайские коллеги в последнее время много занимаются это проблемой.

Вторая зона – это Тибет. Туда китайцы провели скоростную железную дорогу. Они изучают те же проблемы, что и мы, но в других условиях. В КНР создают полигоны, испытывают там новые технологии и благодаря этому очень хорошо научились строить на мёрзлых грунтах. При этом 80 процентов используемых ими технологий – это то, что создали советские исследователи.

Китайцы до сих пор очень ценят наших мерзлотоведов, потому что когда-то советские учёные помогли им в становлении этого направления. В своё время в Харбинский политехнический университет приехали 15 профессоров из России. Два года они читали лекции на русском языке, и китайцы старательно учились, потому что им это было очень нужно. Теперь они используют наши технологии, что-то меняют, дорабатывают и очень хотят попасть в Арктику. Сейчас с Северо-Западным институтом экологии и природных ресурсов КАН (Ланчжоу) мы планируем совместные исследования в Саскылахе (административный центр Анабарского улуса Якутии). Для нас эта территория – белое пятно с точки зрения геокриологической изученности. Несомненно, будут интересные и значимые для науки результаты.

– Получается, что Россия, которая была первопроходцем в изучении вечной мерзлоты, теперь утратила своё исследовательское первенство?

– Я не могу сказать, что утратила своего первенства, но в некоторых позициях сдала. Его можно вернуть – и нужно это делать. В нашей стране 65 процентов суши покрыты вечной мерзлотой. Если мы хотим развивать Север, эффективно и безопасно осваивать ресурсы Арктики, необходимо строить полигоны для испытания новых технологий, восстанавливать мерзлотные станции. В своё время именно они были преимуществом нашей страны, поскольку там проводились исследования, результаты которых используются и являются актуальными до сих пор. Если взять регион Дальнего Востока и Чукотки, то такая профильная станция (научно-производственная) осталась только одна – в Тынде (у РЖД). Понимание того, что мерзлоту нужно изучать, за ней нужно наблюдать, приходит, но медленно.

YaET8bYipu4_дома проседают из-за таяния.jpg

Фото пресс-службы ТГУ и Александра Федорова, Институт мерзлотоведения СО РАН (Якутск)