Таяние «вечной» мерзлоты

Какую территорию России занимает «вечная мерзлота»?

Барановым и многими другими учеными.

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км2, что составляет почти 65% территории страны.

Южная ее граница проходит по центральной части Кольского полуострова, пересекает Восточно-Европейскую равнину близ полярного круга, по Уралу отклоняется к югу почти до 60° с.ш., а вдоль Оби — к северу до устья Северной Сосьвы, далее проходит по южному склону Сибирских Увалов к Енисею в районе Подкаменной Тунгуски. Здесь граница круто поворачивает к югу, проходит вдоль Енисея, идет по склонам Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке граница мерзлоты идет от Амура к устью Селемджи (левого притока Зеи), затем по подножию гор левобережья Амура к его устью. Мерзлота отсутствует на Сахалине и в прибрежных районах южной половины Камчатки. Пятна мерзлоты встречаются южнее границы ее распространения в горах Сихотэ-Алиня и в высокогорьях Кавказа.

В пределах этой обширной территории условия развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные районы Сибири, острова азиатского сектора Арктики и северный остров Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой. Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет -6…-12°С, а его мощность достигает 300-600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (-2…-6°С), а мощность уменьшается до 50-300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25-50 м. Это — островная мерзлота.

В мерзлой толще концентрируются большие запасы воды в виде подземных льдов. Часть их образовалась одновременно с вмещающими породами (сингенетические льды), другая — при замерзании воды в ранее накопившихся толщах (эпигенетические).

На приморских низменностях от устья Хатанги до Колымы, на Новосибирских островах и на Вилюйской низменности в рыхлых отложениях распространены полигонально-жильные льды. Мощность их достигает 40-50 м, а на Большом Ляховском острове даже 70-80 м. Эти льды могут считаться «ископаемыми», так как формирование их происходило в среднечетвертичное время (в период оледенения). Жильный лед в трещинах кристаллических и метаморфических пород широко представлен в горных системах Северо-Востока и в северной части Средней Сибири. Для Западной Сибири и Печорской низменности типичны ледяные ядра торфяных бугров пучения. Ледяные интрузии — гидролакколиты (булгунняхи в Якутии) образуются в озерно-аллювиальных, делювиальных и солифлюкционных отложениях котловин Забайкалья и Северо-Востока, в Центральной Якутии и северных районах Западной Сибири.

Миграционные льды, заполняющие морозобойные трещины, распространены практически во всех районах, где встречается мерзлота.

Большая мощность многолетней мерзлоты, находки в ней хорошо сохранившихся мамонтов свидетельствуют о том, что многолетняя мерзлота — продукт весьма продолжительного накопления холода в толщах горных пород. Подавляющее большинство исследователей считает ее реликтом ледниковых эпох. Современный климат на большей части территории распространения мерзлоты лишь способствует ее сохранению, поэтому малейшее нарушение природного равновесия ведет к ее деградации. Это необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории, в пределах которой распространена мерзлота.

Многолетняя мерзлота оказывает влияние не только на подземные воды, режим и питание рек, распространение озер и болот, но и на многие другие компоненты природы (рельеф, почвы, растительность), а также на хозяйственную деятельность человека. При разработке полезных ископаемых, прокладке дорог, строительстве, при проведении сельскохозяйственных работ необходимо тщательно изучать мерзлый грунт и не допускать его деградации.

Природный морозильник

Местные жители вообще давно научились приспосабливать холод для своих нужд. В Якутии, например, в частных домах специально роют погреба-лЕдники. Там отрицательная температура, и можно круглый год хранить продукты. Правда, чтобы выкопать такой погреб, нужно чуть больше времени, чем в южных широтах, потому что кроме лопаты, понадобится… огонь. То есть на участке разводят костер, чтобы грунт оттаял, затем копают дальше.

На Ямале, в поселке Новый Порт, находится самый большой в мире такой природный морозильник. В 1950-х годах под землей прорубили около 200 пещер, связанных между собой ходами, для хранения рыбы. Здесь постоянно естественным образом поддерживается температура в районе минус 12-15 градусов.

Морозильник в поселке Новый Порт

Кстати, в каждой регионе у вечной мерзлоты свой запах. «Если вы зайдете в подземный тоннель Института мерзлоты в Якутске, то почувствуете очень сильный запах органики, которая была в почве и теперь начала оттаивать и разлагаться, – рассказывает Тананаев. – А вот в тоннеле Музея вечной мерзлоты в Игарке в Красноярском крае особого запаха нет, просто пахнет сырой землей, потому что там совсем другая почва».

Музей вечной мерзлоты в Игарке

Вечная мерзлота в истории

Первые письменные свидетельства о существовании необычного состояния почвы, позже обозначенного как “вечная мерзлота”, остались от русских землепроходцев XVII века, покорявших Сибирь. Первооткрывателем стал казак Я. Святогоров, а члены экспедиций И. Реброва и С. Дежнёва уже изучили вопрос более детально. В своих депешах ко двору они описали особенность отдельных зон в тайге, в которых даже летом земля сохраняет зимнюю мерзлость. В 1640 г. воеводы М. Глебов и П. Головин в послании русскому царю не скрывали своего искреннего недоумения:

Окончательно утвердились в существовании районов «вечной мерзлоты» во время начала промышленного освоения Севера. В 1828 г. проходчик Ф. Шергин прорубил первый метр ледяного грунта в Якутске, за 9 лет достигнув отметки чуть менее 116 с половиной метра и не встретив на пути ни одного водоносного горизонта. А. Миддендорф, измерив температуру на всем протяжении  шахты Шеригина, подвел черту под ответ. Таким образом, невероятное стало очевидным фактом географии и геологии страны.

Вечная мерзлота полуострова Ямал на севере Западной Сибири, на территории Ямало-Ненецкого автономного округа России.

Понятие «вечная мерзлота» впервые появилось в научной среде в 1927 году. Автором термина стал советский ученый М.И. Сумгин, один из основателей отечественной науки по  изучению этого явления.

Изучение вечной мерзлоты

Южная граница вечной мерзлоты Евразии по Карлу Эрнсту фон Бэру (1843) и другим авторам.

В отличие от сравнительно небольшого количества сообщений о мерзлых грунтах в Северной Америке до Второй мировой войны, обширная литература по фундаментальным наукам о вечной мерзлоте и инженерным аспектам вечной мерзлоты была доступна на русском языке. Некоторые российские авторы связывают исследования вечной мерзлоты с именем Александра фон Миддендорфа (1815–1894). Однако российские ученые также осознали, что Карлу Эрнсту фон Бэру необходимо присвоить атрибут «основоположник научных исследований вечной мерзлоты». В 1843 году первоначальное исследование Бэра «Материалы для изучения многолетнего грунтового льда» было готово к печати. Подробное исследование Бэра состоит из 218 страниц и было написано на немецком языке, поскольку он был ученым из балтийских немцев. Он преподавал в университетах Калининграда и стал членом Петербургской Академии наук . Этот первый в мире учебник по вечной мерзлоте был задуман как законченное произведение и был готов к печати в 1843 году. Но он оставался утерянным около 150 лет. Однако с 1838 года Баер опубликовал несколько отдельных публикаций о вечной мерзлоте. Россия Академия наук заслуженного Бэр с публикацией предварительного перевода на русском языке его исследования в 1942 году.

Эти факты были полностью забыты после Второй мировой войны . Таким образом , в 2001 году открытие машинописи с 1843 в библиотеке архива в университете Гессена и его аннотированный публикации была научной сенсацией. Полный текст оригинальной работы Бэра доступен в Интернете (234 страницы). Редактор добавил к факсимильному репринту предисловие на английском языке, две цветные карты вечной мерзлоты Евразии и несколько рисунков особенностей вечной мерзлоты. Текст Бэра представлен с подробными комментариями и ссылками на дополнительных 66 страницах, написанными эстонским историком Эрки Таммиксааром . Работу интересно читать, потому что как наблюдения Бэра о распространении вечной мерзлоты, так и его морфологические описания перигляциальных отложений в значительной степени верны и сегодня. Собрав и проанализировав все доступные данные о грунтовых льдах и вечной мерзлоте, Баер заложил основы современной терминологии, связанной с вечной мерзлотой. Южная граница Бэра мерзлоты в Евразии втягивается 1843 соответствует хорошо с фактической южной границы на КБЖД-Арктическом Карта мерзлотоведения и наземных ледовых условий в Международной ассоциации мерзлотоведения ( под редакцией Дж Браун и др.).

Начиная с 1942 года Симон Уильям Мюллер изучал соответствующую русскую литературу, хранящуюся в Библиотеке Конгресса и Библиотеке геологической службы США, чтобы к 1943 году он смог предоставить правительству руководство по инженерным работам и технический отчет о вечной мерзлоте. в котором он ввел термин как сжатие постоянно мерзлого грунта. Первоначально он был классифицирован (как Армия США. Управление начальника инженеров, Стратегическое инженерное исследование , № 62, 1943 г.), но в 1947 г. был опубликован пересмотренный отчет, который считается первым североамериканским трактатом по этому вопросу.

Михаил Сумгин и рождение советского мерзлотоведения

В истории вечной мерзлоты как эпистемического объекта есть главный герой — советский ученый Михаил Сумгин (1873–1942). На рубеже 1920–1930-х годов он стал одним из основателей советского мерзлотоведения как институционального и интеллектуального проекта. Выходец из нижегородских крестьян, Сумгин блестяще учился и, несмотря на сложные обстоятельства, сумел поступить на физико-математический факультет Петербургского университета, однако политическая деятельность и последовавшие за ней арест и ссылка помешали его научной карьере. В 1902 году, находясь в самарской ссылке, Сумгин вступил в партию эсеров; в 1905 году за участие в революционной мобилизации снова был осужден и сослан в Тобольскую губернию, где познакомился с почвоведом Николаем Прохоровым (1877–1930), сотрудником царского Переселенческого управления, который проводил там полевые исследования. После окончания ссылки, Прохоров взял Сумгина на работу в Метеорологическое бюро Переселенческого управления в Благовещенске, где тот проработал шесть лет и впервые заинтересовался исследованиями вечной мерзлоты. В 1927 году Сумгин посвятит свою первую книгу именно Прохорову:

Во время революции Сумгин ненадолго возвращается в политику: он работает в ЦК партии эсеров, представляет Нижегородскую губернию в Учредительном собрании, а затем возглавляет ее в должности губернского комиссара. Однако уже в 1918 году он выходит из партии, чтобы посвятить себя научной работе.

Октябрьская революция открыла для Сумгина новые возможности, поскольку советская власть была заинтересована в достижениях прикладной науки, а также в лояльности научно-технической интеллигенции старого режима. В 1927–1930 годах Сумгин работает заведующим Геофизическим отделом исследовательского дорожного бюро Центрального управления местного транспорта Наркомата путей сообщения в Ленинграде, где впервые в СССР начинает изучение проблем строительства в условиях вечной мерзлоты. При поддержке академиков Владимира Вернадского (1863–1945) и Владимира Обручева (1863–1945), он успешно лоббирует создание Комиссии по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) в 1929 году, председателем которой становится Обручев, а его заместителем — сам Сумгин. Его усилиями в 1930-е годы КИВМ постепенно трансформировалась в самостоятельную институциональную единицу: в 1934 она была включена в структуру Почвенного института, в 1935 — вошла в состав Геологической ассоциации, в 1936 — преобразована в Комитет вечной мерзлоты (КОВМ); наконец, в 1939 году Президиум АН СССР реорганизовал КОВМ в Институт мерзлотоведения. В 1950-е годы Институт предложит понятие геокриологии в качестве альтернативного название области своей экспертизы.

Свои лоббистские усилия Сумгин и его коллеги аргументировали необходимостью специализированной экспертизы в области изучения вечной мерзлоты для реализации экономических проектов по “завоеванию Севера”. Интеллектуальной основой этой концепции стала работа Сумгина Вечная мерзлота почвы в пределах СССР, опубликованная в 1927 году. В этой книге Сумгин предложил ставшее общепринятым определение:

Что будет, если мерзлота растает?

Правда, ученые отмечают, что в последние годы во многих районах мира мерзлота оттаивает на большую глубину, чем раньше. «Пока мы теряем не очень много мерзлоты в год – 10 сантиметров за 20 лет примерно (да и то не везде, а только в некоторых районах Норильска или на юге Забайкалья), а в Якутии мерзлота уходит на сотни метров в глубину, даже до полутора километров», — говорит Тананаев. Но какими могут быть последствия?

«Возьмите вот пачку зеленого горошка, положите в морозильник – и она будет там лежать и выглядеть хорошо что через 10 лет, что через тысячу, – объясняет Тананаев. – Мерзлота – это такой же морозильник, в который вместо зеленого горошка положили кучу травы, листьев и торфа. Вся эта органика тает и разлагается микроорганизмами, которые в процессе жизнедеятельности выделяют метан, а под действием других процессов еще и CO2, это два основных парниковых газа».

«И чем больше мерзлоты тает, чем выше температура и еще больше мерзлоты тает. Замкнутый круг», – говорит гидролог. А в итоге среднегодовая температура понемногу увеличивается.

Электронное табло на улице Кирова в Якутске показывает минус 50 градусов

Он помнит зиму в Якутске 10 лет назад, когда целую неделю стояли 60-градусные морозы. А в последние годы – только минус 35-45. Отчасти в этом виновата урбанизация: несмотря на то, что все постройки в северных городах стоят на сваях, тепловое излучение от многоквартирных домов все равно так или иначе нагревает воздух. Грунт тает также и от любых протечек горячей воды: из-за этого дома оседают, и можно видеть трещины на фасадах, прежде всего, по оконным проемам

В конечном итоге, дом теряет теплоизоляцию (а на севере это важно), а его фундамент — несущую способность. «В Норильске в свое время из-за таких протечек снесли почти целую улицу Лауреатов», – говорит Тананаев

Ареалы распространения

Вечная мерзлота имеет глобальные масштабы распространения. Она захватила не менее ¼ части суши земли, в том числе высокогорные районы Африки. Австралия является единственным материком, где это явление отсутствует вообще.

Обширные просторы России представляют собой средоточие вечной мерзлоты. Более половины территории самой большой страны мира приходится на криотозону. Наиболее широкое распространение она получила в Забайкалье и Восточной Сибири, где в верхней части реки Вилюй на глубине 1370 метров залегает нижайшая точка вечной мерзлоты. Рекорд зафиксирован в 1982 году.

Описание

Внутренние воды России представлены не только скоплениями жидкой воды, но и воды в твердом состоянии, образующей современное покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин «вечная мерзлота»).

Распространение многолетней мерзлоты по территории России

Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000…-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

Горные породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Скопления воды в многолетнемерзлых породах образуют линзы, клинья, прослои и прожилки льда, т.е. в состав вечной мерзлоты входят и подземные льды. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта.

Многолетняя мерзлота — необычное явление природы, на которое обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. О ней упоминал в своих работах В.Н

Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я.

Проявления

Базовая глубина

Вечная мерзлота простирается до базовой глубины, где геотермальное тепло от Земли и средняя годовая температура на поверхности достигают равновесной температуры 0 ° C. Глубина основания вечной мерзлоты достигает 1493 м (4898 футов) в северных бассейнах рек Лена и Яна в Сибири . Геотермальный градиент является скоростью повышения температуры относительно увеличения глубины в земном интерьере «ы. Вдали от границ тектонических плит она составляет около 25–30 ° C / км (124–139 ​​° F / миль) у поверхности в большей части мира. Он варьируется в зависимости от теплопроводности геологического материала и меньше для вечной мерзлоты в почве, чем в коренных породах.

Расчеты показывают, что время, необходимое для образования глубокой вечной мерзлоты под заливом Прудо-Бей, Аляска, составило более полумиллиона лет. Это растянулось на несколько ледниковых и межледниковых циклов плейстоцена и предполагает, что нынешний климат Прудо-Бей, вероятно, значительно теплее, чем в среднем за тот период. Такое потепление за последние 15 000 лет является общепринятым. Таблица справа показывает, что первые сто метров вечной мерзлоты формируются относительно быстро, но более глубокие уровни занимают все больше времени.

Массивный грунтовый лед

Обширная поверхность голубого грунтового льда на северном берегу острова Гершель, Юкон, Канада.

Когда содержание льда в вечной мерзлоте превышает 250 процентов (от льда до сухой почвы по массе), она классифицируется как массивный лед. Массивные ледяные тела могут различаться по составу во всех мыслимых градациях от ледяной грязи до чистого льда. Массивные ледяные пласты имеют минимальную толщину не менее 2 м и короткий диаметр не менее 10 м. Первые зарегистрированные североамериканские наблюдения были сделаны европейскими учеными в Каннинг Ривер, Аляска, в 1919 году. Русская литература указывает более раннюю дату 1735 и 1739 годов во время Великой Северной экспедиции П. Лассиниуса и Х. П. Лаптев соответственно. Две категории массивных грунтовых льдов — это погребенный поверхностный лед и внутриосадочный лед (также называемый конституционным льдом ).

Погребенный поверхностный лед может образовываться из снега, замерзшего озера или морского льда, наледи (выброшенного на берег речного льда) и — вероятно, наиболее распространенного — погребенного ледникового льда.

Внутриседиментный лед образуется в результате замерзания грунтовых вод на месте, и в нем преобладает сегрегационный лед, который является результатом кристаллизационной дифференциации, происходящей во время замерзания влажных отложений, сопровождаемой миграцией воды к фронту замерзания.

Внутриседиментарный или конституционный лед широко наблюдался и изучался по всей Канаде, а также включает интрузивный и нагнетательный лед.

Кроме того, клинья льда — отдельный тип грунтового льда — образуют узнаваемые узорчатые полигоны земли или тундры. Ледяные клинья образуются в ранее существовавшем геологическом субстрате и впервые были описаны в 1919 году.

Несколько типов массивного грунтового льда, в том числе ледяные клинья и внутриосадочный лед в стене утеса в результате регрессивного оттаивания, расположенного на южном побережье острова Гершель в пределах приблизительно 22 метров (72 футов) на 1300 метров (4300 футов) передней стенки.

Формы рельефа

Мерзлота процессы проявляется в крупномасштабных наземных формах, такие как Palsas и pingos и мелких явления, такие как узорная земля найдена в арктических, перигляциальных и высокогорных районах.

Углеродный цикл в вечной мерзлоте

Мерзлота углеродный цикл (цикл углерода в Арктике) имеет дело с передачей углерода из многолетнемерзлых грунтов в наземной растительности и микроорганизмов, в атмосферу, обратно к растительности, и , наконец , обратно в вечномерзлых грунтах путем захоронения и осаждения из — за криогенных процессов. Часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара через глобальный углеродный цикл. Цикл включает в себя обмен углекислого газа и метана между наземными компонентами и атмосферой, а также перенос углерода между сушей и водой как метан, растворенный органический углерод , растворенного неорганического углерода , в виде частиц неорганического углерода и частиц органического углерода .

Хозяйственная деятельность на многолетней мерзлоте

К основным видам хозяйственной деятельности в условиях многолетней мерзлоты можно считать оленеводство, пушной промысел, рыболовство, чуть менее распространено коневодство. Равнинная и горная тундра – это отличные пастбища для оленей, а для крупного рогатого скота подходят луга в долинах рек. Это отличная кормовая база.

С точки зрения добычи природных ископаемых, это своеобразная кладовая природы. Здесь присутствуют уголь, алмазы, газ, никель, золото, медь, олово. К тому же добыча упрощается тем, что мерзлота является прекрасным крепежным материалом при организации шахт.

Вечная мерзлота используется людьми как природный холодильник. В ней сохраняются ягоды, рыба, мясо, фрукты.

Земледелие на вечномерзлом грунте затруднительно, но возможно, оно несет с собой массу трудностей. Распаханная земля более темная, она притягивает тепло, грунт оттаивает, местность покрывается болотами, которые приходится осушать. Но люди постепенно осваивают земли Восточной Сибири, хотя грунт никогда не прогревается, корневая система растений слабая, но при этом людям удается выращивать некоторые овощи и даже овес. С точки зрения плодородия тоже не все гладко. Из-за низких температур почвенный покров образуется очень медленно, гумус практически отсутствует.