Специалисты разработали новую вычислительную модель таяния вечной мерзлоты
Фото: Колотилин Андриан / GeoPhoto
В Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ НЭТИ) при участии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН) оценили состояние геологических сред российской Арктики и Сибири и провели исследование, которое позволило определить – как именно мерзлые грунты реагируют на изменения температуры, в том числе под влиянием техногенных факторов, информировали в пресс-службе университета. Чтобы оценить поведение грунта в условиях многолетней мерзлоты, исследователи создали математические модели, которые показали состояние почв при изменении температуры и под влиянием внешних нагрузок.
По словам руководителей исследования, разработка ученых НГТУ НЭТИ на данный момент имеет особенные отличия от аналогов: их методика учитывает сразу несколько взаимосвязанных процессов – теплопередачу, механическую деформацию и фазовые переходы воды в грунт, что дает более точные результаты, чем другие модели, которые чаще всего сосредотачиваются лишь на одной из этих задач. Кроме этого, созданные алгоритмы оптимизированы для параллельных вычислений, что позволяет проводить расчеты быстрее и в более высоком разрешении: чем выше детализация, тем лучше прогноз, «а в таких вопросах, как устойчивость зданий или безопасность трубопроводов, точность решает все», говорят авторы работы.
В процессе исследования выяснилось, что «вечной» мерзлоту на территории Арктики и Сибири можно назвать только условно – на самом деле она чутко реагирует на каждый природный сезон и тепло от созданных людьми построек и трубопроводов. Особенно любопытные результаты были получены именно при изучении техногенных факторов, – например, влияния на мерзлоту свайных конструкций. Специалисты обнаружили, что теплая бетонная свая буквально «прожигает» грунт вокруг себя, создавая область постоянного оттаивания, что делает породу менее прочной и создает серьезные риски для строительства, инфраструктуры и экологии. Кроме того, даже без учета подвижности грунтовых вод при оттаивании грунта, а просто под действием гравитации за сезон порода проседает на два сантиметра.
Также исследователи зафиксировали последовательное таяние и замерзание породы до четырех метров в глубину, что приводит к деградации структуры породы: летом почва может растаять до глубины четырех метров, но зимой вновь промерзнуть метров на пять. По данным моделирования, большое значение имеет не только температура воздуха, но и снежный покров, который работает как естественный утеплитель.
Для проверки процессов таяния вечной мерзлоты были использованы специальные вычислительные методы, которые позволяют следить за изменениями мерзлоты с шагом в 10 минут для суточных процессов и в 24 часа – для сезонных. Эти методы помогут спрогнозировать, как будет вести себя грунт, и учесть различные факторы при строительстве дорог, зданий и трубопроводов в районах вечной мерзлоты. В будущем планируется адаптировать разработанные модели к новым климатическим условиям, расширить возможности программного комплекса, провести дополнительные вычислительные эксперименты и проанализировать, как изменяющийся климат повлияет на многолетнемёрзлые породы.