Как климатические изменения влияют на состояние вечной мерзлоты

   Вечная мерзлота сплошного распространения занимает около 85% территории Арктической зоны России. Мощность мерзлых толщ изменяется от нескольких десятков метров до полутора километров. В среднем температура вечной мерзлоты составляет от отрицательных, около нулевых значений до минус 16 градусов по Цельсию. Узнать, что такое вечная мерзлота, вы можете на странице "О мерзлоте. ".

Экологи говорят о глобальном изменении климата, которое заключается в увеличении средней приповерхностной температуры воздуха на планете. По данным Рабочей группы по объединенным моделям (WGCM) Всемирной Программы исследования климата (WCRP) потепление на земном шаре происходит со скоростью 0,166 градусов/10 лет (за период 1976-2019 г.) и 0,075 градусов/10 лет (за период 1901-2019 г.). Одним из последствий этого явления специалисты выделяют оттаивание вечной мерзлоты. Действительно ли эти процессы связаны между собой и каким образом?

Тренды изменения среднегодовой температуры воздуха за период с 1960 по 2019 год. Арктические территории показаны красным в связи с тем, что тренд за этот 60-летний период заключается в повышении температуры воздуха почти на 4°C, что больше, чем в других частях земного шара. Источник: NASA

Ведущие российские ученые-мерзлотоведы утверждают, что современное состояние многолетнемерзлых пород определяется глобальными климатическими изменениями и условиями теплообмена на поверхности. Но связь температуры воздуха и температуры горных пород не прямая. Повышение температуры многолетнемерзлых пород (ММП) будет меньшим, если повышается только температура воздуха или высота снегового покрова. В отдельных случаях эти факторы действуют разнонаправлено. Так даже при потеплении приземной атмосферы, если преобладают малоснежные зимы, может происходить понижение температуры приземных слоев многолетнемерзлых пород. Важным индикатором климатических изменений является изменение режима и количества осадков. В зимний период увеличение мощности снежного покрова оказывает отепляющее влияние на мерзлоту. Хотя специалисты отмечают, что в Арктике наблюдается тенденция к уменьшению продолжительности залегания снежного покрова (в среднем 2,03 дней/10 лет). В летний период повышение температуры воздуха и увеличение осадков приводит к изменению видового состава растительности, появлению кустарничков и древесных растений на юге тундр. Это явление влечет за собой изменения условий теплообмена на поверхности: растительные покровы охлаждают вечную мерзлоту, но иногда и оказывают отепляющее воздействие. Таким образом, температурный режим верхних горизонтов мерзлоты определяется радиационным и тепловым балансом земной поверхности, тепловым влиянием наземных покровов (снег, растительность, поверхностные воды), тепловым потоком из недр, а также процессами тепломассопереноса в массиве пород. Именно температурный режим горных пород влияет на физико-химические свойства вечной мерзлоты и развитие криогенных процессов.

Прогнозные модели глобального климата подтверждают развитие тенденции климатических изменений на протяжении большей части 21 века, что говорит о востребованности геокриологических исследований. Анализируя состояние многолетнемерзлых пород, специалисты, в первую очередь, изучают параметры среднегодовой температуры по всей глубине мерзлых толще. Основными параметрами являются среднегодовая температура пород сезонно-талого слоя (СТС), амплитуда колебания температуры на различных глубинах в течение года, глубина нулевых годовых амплитуд (глубина проникновения колебаний в мерзлый массив). Так, процесс потепления отслеживается учеными при изучении стационарности температурного режима, иными словами - изменения среднегодовой температуры пород по глубине. Результаты длительных наблюдений за температурами вечной мерзлоты в различных районах мира показывают, что наблюдается их постепенный рост.

Распределение температуры грунтов в верхних горизонтах вечной мерзлоты в зависимости от глубины z на для различных моментов времени (римские цифры – месяцы года): θср.в. – среднегодовая температура воздуха, θср.п. - среднегодовая температура поверхности Земли, θср.г. - среднегодовая температура на подошве слоя сезонного оттаивания, Az - амплитуда колебаний температур, ξ0 глубина протаивания, h0 - глубина нулевых годовых амплитуд, (Основы мерзлотного прогноза..., 2016)

Для территории России характерны более низкие современные тренды повышения среднегодовой температуры пород по сравнению с трендами потепления климата. Термическая устойчивость ММП при потеплении климата выражается соотношением между трендами температуры воздуха и температуры мерзлых пород. В разных регионах России этот показатель колеблется от 0.49 до 0.81, а в среднем для всей криолитозоны России составляет 0.66.

Линейные тренды температуры мерзлых толщ на территории криолитозоны России с 1975 по 2010 гг. Авторы: Малкова, Павлов, 2012

Фактическое изменение геокриологических условий на территории РФ проявляется в повышении температуры ММП на глубине годовых нулевых амплитуд со средним трендом 0,03°С/год и ожидаемой тенденцией к увеличению глубины сезонного протаивания. Установлено, что наибольшие тренды повышения среднегодовой температуры характерны для низкотемпературных криогенных ландшафтов, а наименьшие – для высокотемпературных. На Европейском Севере, где среднегодовая температура ММП составляет –0.5...–2°С, ее тренды в естественных ландшафтных условиях составляют 0,01–0,03°С/год, в то время как в Западной и Восточной Сибири с более низкой (до –6°С) среднегодовой температурой ММП – от 0,02 до 0,05°С/год в зависимости от ландшафтных условий.

Абсолютные изменения температурного режима различных ландшафтов происходит крайне неоднородно: максимальное потепление отмечается в пределах приморских низменностей Западной Сибири и Европейского Севера, а минимальное потепление характерно для пойменных ландшафтов приморских низменностей и ландшафтов лесной зоны в пределах Восточной Сибири и Центральной Якутии.

Какие еще изменения в криолитозоне отмечаются в связи с изменением климата? Например, в южных районах, в зоне распространения прерывистой и островной мерзлоты синхронное с потеплением климата увеличение мощности снега приводит к образованию новых таликов и сокращению площади островов мерзлых пород. Наблюдаются и существенные изменения границы криолитозоны. Так, южная граница распространения островной мерзлоты за период наблюдений сместилась к северу на 30–40 км в Печорской низменности, и до 80 км – на равнинах Приуралья. За тот же период на водоразделах лесотундр Западной Сибири, с прерывистым распространением мерзлоты, протаяла кровля ММП до глубины 3–8 м от дневной поверхности.Изменения отмечены в полосе шириной около 100 км.

Таким образом, некорректно утверждать о повсеместном единовременном протаивании мерзлых пород. Как и многие природные процессы, изменение мерзлоты во времени и пространстве на территории России не несет унифицированный характер. Специалисты подтверждают практически повсеместное повышение среднегодовой температуры ММП, но синхронное увеличение глубины сезонного протаивания не происходит. Непосредственными измерениями на специализированных площадках мониторинга сезонно талого слоя в рамках проекта CALM (https://www2.gwu.edu/~calm/) установлено: север европейской части России характеризуется наибольшим приростом СТС за период наблюдений (от 2 до 6 см/год), а по мере продвижения в восточные районы тренд изменения мощности СТС уменьшается и составляет от 0 до 2 см/год. На ряде площадок тренд изменения глубины протаивания за более, чем 30-ти летний период практически равен нулю.

Автор: Иванов И.И.

Список литературы

1. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации / Г.В. Алексеев и др.; М.: Росгидромет, 2014. 1007 с. ISBN 978-5-9631-0322-7.
2. Дроздов Д.С., Васильев А.А. Д.С., Малкова Г.В., Москаленко Н.Г., Орехов П.Т., Украинцева Н.Г.. Изменения температуры многолетнемерзлых пород западного сектора Российской Арктики в связи с изменениями климата // раздел коллективной монографии «Полярная криосфера и воды суши» – М.:Paulsen, 2011. c. 153-170.
   
3. Климатический центр Росгидромета, «Изменение климата России в 21-м веке» URL: https://cc.voeikovmgo.ru/ru/klimat/izmenenie-klimata-rossii-v-21-veke
4. Малкова Г.В., Павлов А.В. Геоинформационное картографирование современных изменений климата и криолитозоны на севере России. Труды Десятой Международной конференции по мерзлотоведению Салехард, Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО), Россия 25-29 июня 2012 г.
5. Мельников В.П., Осипов В.И., Брушков А.В., Бадина С.В., Дроздов Д.С., Дубровин В.А., Железняк М.Н., Садуртдинов М.Р., Сергеев Д.О., Остарков Н.А., Фалалеева А.А., Шелков Я.Ю. Оценка ущерба жилым и промышленным зданиям и сооружениям при изменении температур и оттаивании многолетнемерзлых грунтов а Арктической зоне Российской Федерации к середине 21 века.
6. Осокин А.Б. Многолетние изменения среднегодовой температуры ММП на Севере Западной Сибири под воздействием потепления климата. Материалы четвертой конференции геокриологов России. Том. 3. Части 7-12. Издательство Московского университета. М., 2011, с. 69-77.