Глобальное изменение климата и деградация вечной мерзлоты

Мир становится теплее и человечество в значительной мере ответственно за это. В программе международного Арктического форума «Арктика – территория диалога», который будет работать в Архангельске 29-30 марта 2017, обсуждение данной глобальной проблемы занимает ключевое место.

В июне 2001 года в поселке Черский, что в верхнем течение реки Колымы, произошла мерзлотная авария – обрушился жилой дом и погибли люди. Причина трагедии более чем прозаична – в результате тепловой протечки проржавевшей системы водо- и теплоснабжения дома под фундаментом здания оттаяла вечная мерзлота.

Однако в протоколах обследования доброхотные специалисты делают иной вывод: главная причина обрушения – глобальное повышение среднегодовых температур, вызвавших деградацию вечной мерзлоты.

О глобальном изменение климата в наши дни говорят и дискутируют все – от политиков и ученых, до бомжей и около подъездных старушек. Ключевые вопросы влияния климата на природную среду, развитие экономики, благосостояние, здоровье и безопасность жизни населения, не раз обсуждались на различных научных и политических форумах, и по многим из них были выработаны согласованные позиции. Увы, это не затронуло проблем деградации вечной мерзлоты (криолитозоны) под влиянием климатических условий.

К настоящему времени опубликовано множество статей, монографий, проведен ряд международных и российских конференций, специально посвященных изменению криолитозоны в связи с глобальными изменениями климата.

Более 20 лет осуществляются Международная программа по циркумполярному мониторингу деятельного слоя (CALM) и Международный проект по термическому состоянию вечной мерзлоты (TSP). В них участвуют практически все страны, на территориях которых наблюдаются явления многолетнего, сезонного и даже кратковременного промерзания почвы и верхних слоев литосферы.

Но однозначной оценки «вечный вопрос» деградации вечной мерзлоты так и так и не получил. Ученые мужи и солидные государственные деятели «ломают копья» в поисках ответа – с какого конца разбить проклятое яйцо деградации криолитозоны: с тупого или острого? Неотвратима ли деградация вечной мерзлоты под влиянием глобального изменения климата? Или же это очередная «страшилка» выброшенная для массового обсуждения с целью получения научных, политических и финансовых дивидендов?

А нам какое до всего этого дело?

Да самое прямое. Ибо зона многолетней мерзлоты занимает более 65 % территории России или около 10,7 млн кв.км. и охватывает значительную часть Сибири и Дальнего Востока. В пределах криолитозоны России сосредоточено более 30 % разведанных запасов всей нефти страны, около 60 % природного газа.

Здесь создана дорогостоящая и очень уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров. Усилиями строителей на вечной мерзлоте возведены десятки тысяч жилых зданий, создана инфраструктура тысячи городов и поселков. В конце концов, сложились устойчивые подходы к технологиям работ на вечной мерзлоте.

А изменение состояния грунтов и литосферы безусловно влияет на инженерно-технические сооружения, окружающую среду и хозяйственную деятельность человека.

Глобальная проблема изменения климата на земле

Жизнь процветает на планете около четырех миллиардов лет. В течение этого времени колебания климата были радикальными, от ледникового периода – длившегося 10 000 лет – до эпохи стремительного потепления.

Сейчас многие эксперты считают, что человечество подвергает опасности мировую экологическую систему в связи с глобальным потеплением, вызванное так называемым парниковым эффектом. Испарение продуктов цивилизации в форме парниковых газов, таких как диоксид углерода (СО2), задержали достаточно отраженного от земной поверхности тепла, чтоб средняя температура у поверхности Земли повысилась на пол градуса Цельсия в течение ХХ столетия.

Большинство специалистов, изучая комплексность климатической системы Земли, связывают повышение глобальной температуры и грядущие изменения климата с увеличение уровня СО2 в атмосферном воздухе.

Добыча угля распространена по всей планете. И в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа (СО2), образующегося при сжигании угля. Ожидается, что объем СО2 удвоится в течение XXI века. Но этого может и не быть – твердят другие «ученые мужи».

Климат на планете зависит от комбинации многих факторов, взаимодействующих по отдельности друг с другом и в комплексных путях, которые еще не до конца изучены. Возможно, что потепление, наблюдавшееся в течение прошлого столетия, произошло вследствие естественных колебаний, несмотря на то, что его скорости значительно превышали тех, что наблюдались в течение последних десяти веков.

Ученые климатологи уклончиво заверяют, что с начала XXI века глобальное потепление климата замедлилось В их публикация отмечается, что преобладающее в Северном полушарии потепление климата 1976 – 1998 годов сменилось тенденцией к похолоданию. Отрицательные тренды температуры -1,0 и -2,0 °С в течении последних 10 лет наблюдаются в Сибири и на Дальнем Востоке.

«Метановая бомба» в вечной мерзлоте

Очевидно, что при резком потеплении были бы неизбежны резкий подъем уровня Мирового океана, сопровождаемый затоплением обширных низменных участков, таяние наземных и подземных льдов, освобождение газов (особенно метана), захороненных в вечной мерзлоте и их допол­нительное поступление в атмосферу.

В результате масштабной деградации вечной мерзлоты произойдет вовлечение оттаивающих органических отложений в углеродный цикл, что будет способствовать увеличению эмиссии парниковых газов в атмосферу и может привести к усилению глобального потепления. Большие неопределенности связаны с оценкой запасов углерода в многолетнемерзлых грунтах. От их величины, в конечном счете, зависит потенциальное воздействие названного механизма на глобальный климат.

Эмиссия углерода при таянии вечной мерзлоты может осуществляться в форме двуокиси углерода (CO2) или, при анаэробных условиях, в форме метана (CH4). В болотах углерод высвобождается преимущественно в форме метана. Болота и переувлажненные земли бореальной зоны, являясь источником метана, в то же время являются стоком для атмосферного CO2. Метан оказывает приблизительно в 20 раз более сильное парниковое воздействие, чем эквивалентное количество CO2.

Модельные расчеты показывают, что к середине 21-го века эмиссия метана из болот криолитозоны России может возрасти на 25% -30% или на 6-10 Мт в год. Такое увеличение эмиссии, согласно полученным оценкам, окажет заметного воздействия на глобальный климат. К счастью для северян, предсказания значительных изменений климата в высоких широтах пока не оправдываются.

Вечная мерзлота в определениях и фактах

Горные породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся при температурах ниже 0°С и сцементированные льдом, получили название многолетней или вечной мерзлоты.

По определению М.И. Сумгина, вечномерзлой почвой, или вечной мерзлотой, называется слой почвы или породы, находящейся на некоторой глубине от дневной поверхности и имеющей отрицательную или нулевую температуру, длящуюся непрерывно неопределенно долгое время — от двух лет до десятков тысячелетий. Слой почвы, лежащий над вечной мерзлотой и ежегодно летом оттаивающий, а зимой замерзающий, называется слоем летнего оттаивания, или слоем зимнего промерзания, или деятельным слоем.

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.

Многолетняя мерзлота — необычный природный феномен, на который обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. Скопления льда в многолетнемерзлых породах образуют линзы, клинья, прослои и прожилки (шлиры) льда, т. н. подземные льды.

Термин вечная мерзлота следует представлять во временном периоде порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии со временем существования мерзлоты, следует рассматривать следующие структуры:

1. Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет

2. Многолетнемёрзлые, существующие годы или десятки лет

3. Сезонная мерзлота

Зоны вечной мерзлоты распространены на севере Евразии, Северной Америки, в Антарктиде, на островах Северного Ледовитого океана. Вечная мерзлота – явление глобального масштаба, её общая площадь оценивается примерно в 35 млн км² и составляет около 25 % поверхности материков. Вечная мерзлота встречается не только в Арктике и Суб- Арктике, но и за их пределами в высокогорных районах с холодным климатом.

Практический интерес, особенно при строительстве сооружений, представляет «льдистость» мерзлых пород, от которой в наибольшей степени зависит величина их просадки при оттаивании.

Так называемая льдистость многолетней мерзлоты, может быть весьма значительной и достигать 90% общего объема породы. На равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в отложениях северных районов Западной и Северо-Восточной Сибири.

Мимоходом об истории изучения и освоения вечной мерзлоты

Всё началось с колодца. Точнее, с идеи его вырыть, которая пришла в голову управляющему конторой Российско-Американской компании – Фёдору Шергину. Шахта Шергина, находится во дворе деревянного здания бывшей школы на пересечении улицы Ярославского с улицей Кулаковского в центре столицы Якутии. Здесь впервые в мире была измерена отрицательная температура горных пород на многометровой глубине.

С небольшими поправками, касающимися точности показателей термометра, был доказан факт, что температура в шахте соответствует температуре мёрзлых толщ. Имя Ф. Шергина было увековечено. По представлению Академии наук в 1837 году Министерством народного просвещения он был награждён золотой медалью и перстнем с бриллиантом за заслуги перед наукой.

Впервые в мире измерена температура мерзлотных пород и установлено, что её мощность превышает сто метров. Температурные измерения в шахте проводили: 1829г. А. Эрман, 1831г. М. Злобин ,1832г. Н. Щукин, Р. Крузе. , 1830–1837гг. Ф. Шергин, 1844–1846гг. А. Миддендорф, 1846–1849гг. Т. Бранд, Г. Шергин, Д. Давыдов. 1850г. К. Бэр. Учитывая опыт исследований в этой шахте, английские и американские учёные начали измерения температур вечной мерзлоты в Канаде и Аляске.

В конце 19 начале 20 века началось масштабное освоение восточных территорий России – строится Транссиб, многие участки которого прошли по вечной мерзлоте.

Вторая половина 20 столетия – время активной разведки и освоения крупнейших месторождений нефти, газа, алмазов, золота по всей территории Сибири, Якутии и Чукотки. В ходе промышленного освоения Севера воздвигались не только индустриальные гиганты, но и жилые и административные здания, учреждения соцкультбыта.

На вечной мерзлоте появились новые города и поселки, построенные с использованием уникальных технологий: Норильск, Воркута, Магадан, Анадырь.

Одним из первых проблемой строительства в условиях вечной мерзлоты занимался известный русский философ-богослов и ученый Павел Флоренский. Результаты его исследований были воплощены в градостроительной политике Норильска и Салехарда.

Геокриология (мерзлотоведение) – наука относительно молодая. Ее рождение связывают с выходом в 1927 году первой монографии «Мерзлые почвы в пределах СССР» основоположника российского мерзлотоведения Михаила Сумгина. В то же время в Москве был создан Институт мерзлотоведения, позже получивший имя его директора Владимира Обручева. Институт развивал по России сеть станций: в 1935 году создана мерзлотная станция на Игарке, в 1940 году – в Якутске.

В 1961 году в связи с хрущевскими реформами институт закрыли. Хрущев считал, что наука должна быть ближе к объекту изучения и предложил организовать институт в Красноярске. Идея провалилась из-за отсутствия там специалистов. Зато к этому времени уже созрел коллектив в Якутске, где было образовано Северо-Восточное отделение Института мерзлотоведения. С 1961 года это самостоятельный институт в составе Сибирского отделения РАН.

Вечная мерзлота: коварный враг или надежный союзник?

Вечная мерзлота — главная и характернейшая особенность природы Севера. Венная мерзлота еще далеко не изучена, многие ее проявления неожиданны и непонятны. Осваивая территории, занятые вечной мерзлотой, человек сталкивается с огромными трудностями и проблемами.

Освоение территорий всегда связано со строительством. Современные строители получили в наследство от предшественников, убедившихся в коварстве вечной мерзлоты, не один печальный пример из опыта.

Две неприятности ожидают строителей в зоне вечной мерзлоты:

• Первая — это просадка при оттаивании мерзлых, насыщенных льдом оснований под фундаментами зданий, насыпями железных и шоссейных дорог, покрытиями аэродромов.
• Вторая — это выпучивание свай, фундаментов, опор мостов, оснований линий электропередач и т.д.

Особенно опасны для сооружений неравномерные осадки и пучение мерзлого основания. Легко представить себе, каковы бывают убытки от деформаций и разрушений домов и промышленных сооружений. Основная причина разрушений — нестабильность свойств мерзлой толщи. Прочность и устойчивость мерзлых грунтов зависят от температуры и состава льда.

Знакомые всем рыхлый влажный песок и пластичная глина при замерзании цементируются льдом и становятся крепкими, как скала. Они выдерживают большие нагрузки и служат надежным основанием для различных фундаментов, но при условии, что температура мерзлого песка не выше —5°С, а мерзлой глины — 7-8°С. При температурах более высоких, близких к 0°, мерзлые фунты становятся пластичными и не выдерживают тяжести сооружений.

Это объясняется тем, что в мерзлых глинах, суглинках и песках в небольшом количестве присутствует незамерзшая вода. Она сохраняется в мерзлых фунтах даже при очень низких отрицательных температурах благодаря молекулярным силам минеральных частиц фунта. С понижением температуры содержание незамерзшей воды быстро уменьшается.

Явление это получило наименования деградации вечной мерзлоты. Строители знают, что это обычный процесс в условиях непрерывного отепляющего воздействия на них при различных мероприятиях. Создание при добыче полезных ископаемых наземных и подземных сооружений, их обогрев и вентиляция, а также откачка подземных вод – все это приводит к протаиванию пород.

На Крайнем Севере России строительство рудников и сопутствующих им комплексов наземных и подземных сооружений вызвало изменение мерзлотных и геологических условий. В пределах поселков с отапливаемыми зданиями происходит оттаивание пород. Глубины оттаивания под зданиями изменяются от 14 до 50 м в зависимости от габаритов здания и температуры внутри помещения.

Только ли потепление оказывает деструктивные воздействия на вечную вечной мерзлоты?

За последние 2 десятилетия значительно возросло число аварий и повреждений объектов инфраструктуры в криолитозоне.

В Западной Сибири ежегодно происходит около 35 тысяч аварий на нефте- и газопроводах, около 21 % из них вызваны механическими воздействиями и деформациями. Причиной аварий являются неравномерная осадка грунта при таянии вечной мерзлоты, или же выдавливание опор и фундаментов при промерзании. Так вблизи Уренгоя был отмечен подъем секции трубопровода на 1.5 м в течение одного года.

Установлено, что естественные неравномерные термокарстовые осадки земной поверхности по- служили одной из причин крупнейшей в мире наземной аварии на нефтепроводе Возей–Головные сооружения (республика Коми) в 1994 г. В результате множественных разрывов трубы произошел разлив около 160 тысяч тонн нефтесодержащей жидкости.

На поддержание работоспособности трубопроводов и ликвидацию их деформаций, связанных с изменениями вечной мерзлоты, ежегодно тратится до 55 млрд. рублей. Все они потом входят в себестоимость нефтепродуктов, того бензина и дизеля, на котором работает наши автомобили.

Деструктивному воздействию при таянии вечной мерзлоты подвергаются не только трубопроводы, но и другие сооружения.

Обследование показало, что в Норильском промышленном районе около 250 сооружений имели существенные деформации, связанные с ухудшением мерзлотных условий в последнее десятилетие; около 40 жилых домов были снесены или планируются к сносу.

Анализ владельцев и эксплуатантов проведенный с привлечением научных институтов, показал, что проблемы устойчивости инженерных сооружений на территории циркумполярной зоны России связаны главным образом с их неудовлетворительным проектированием, строительством и эксплуатацией, и лишь в малой степени обусловлены климатическим потеплением.

Иные мерзлотные аварии на примере города Якутска

В районе г. Якутска вертикальная толща вечной мерзлоты достигает 250–350 м. В естественных условиях глубина сезонно-талого слоя (СТС) составляет в среднем 1,5-1,7 м для суглинков, 1,6–2,0 м для супесей и 2,0-2,5 м для песков.

Но не только в связи с этим г. Якутск выбран в качестве примера. Дело в том, что здесь базируется Институт мерзлотоведения СО Академии наук РФ имени П.И. Мельникова. Там подтвердили, что только в период с 1990 по 1999 г. число зданий, получивших различного рода повреждения из-за неравномерных просадок фундаментов, увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием на 42 % в Норильске, на 61 % в Якутске и на 90% в Амдерме.

В Якутске за период с начала 1970-х годов число таких зданий превысило 1 300.

Основными криогенными процессами на территории Якутска являются просадки из-за термокарста, морозобойное растрескивание, морозное пучение, заболачивание и подтопление. Активизация этих процессов неблагоприятно сказывается на функционировании городской инфраструктуры.

В последние десятилетия отмечается расширение площадей распространения деструктивных криогенных процессов. Это выражается в разрушении дорожных покрытий и коммуникаций, деформациях насыпей, фундаментов сооружений, увеличении зон заболачивания. Именно обводнение является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на потерю устойчивости грунтов оснований и несущих конструкций. Причем происходит обводнение как пресными, так и минерализированными подземными водами – криопэгами. В результате этого в середине 1990-х годов аэропорт Якутска пришел в аварийное состояние, поскольку значительная часть окружающей его территории, в том числе в непосредственной близости от взлетно-посадочной полосы, оказалась в зоне подтопления (Алексеева и др., 2007).

Начиная с 1970 г. в городе произошло более 50 случаев крупных обрушений каменных зданий постройки 1950-1960 гг. Так, в 1999 г. произошло обрушение здания на площади Ярославского. Подобные обрушения частей зданий происходили и в последующие годы. Как ни странно обрушился ни один из корпусов института Мерзлотоведения.

Причиной обрушения зданий в большинстве случаев является ослабление несущей способности вечной мерзлоты. Но преждевременным было бы делать вывод, что виной тому – только глобальное потепление, хотя несомненно, что и оно сыграло определенную роль, усилив имевшие место деструктивные процессы.

Множество неклиматических факторов, среди которых можно указать на ошибки проектирования фундаментов, засоление и минерализация грунтов из-за утечек сточных вод, отсутствие сети ливневой канализации, сами по себе вызывают деградацию мерзлых оснований, фундаментов зданий и сооружений, а климатическое потепление лишь усиливает эти процессы. Подобное происходит не только в Якутске, но и во всех регионах Крайнего Севера России. Крайне ошибочным было бы объяснять все наблюдаемые разрушения зданий и сооружений на вечной мерзлоте только лишь изменением климата.

Вместо заключения. Не так все и страшно.

Изменение климата и связанные с этим проблемы стали одним из любимых и удобных поводов для раздувания сенсаций. Профессиональному строительному сообществу необходимо подходить к этому вопросу более чем беспристрастно. Важно понимать, что климат – очень сложная система взаимодействия различных процессов, в конечном итоге затрагивающих не только природную среду и строительный комплекс, но также политику, экономику и общество.

Надо иметь в виду, что не только социально-экономическим системам присуща изменчивость. В равной мере это относится и к природно-климатическим системам и состояние их время от времени меняется, что не подлежит сомнению. Актуальными вопросами для нас являются следующие:

• как велико изменение в системе вечной мерзлоты (криолитозоне) за данный промежуток времени (с 1995 года по 2017 год) ;
• с какой определенностью оно известно;
• какая его часть может быть связана с изменением климата, а какая – с другими факторами;
• в какой степени изменения можно предсказать.

По мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата, широкое разнообразие климатических условий на территории России является фактором роста комплексных рисков, включая сочетание повышенной сейсмичности, карстовых, паводковых, селе- и лавиноопасных рисков, а также протаивание, сдвиг границ вечной мерзлоты и разрушение вечномерзлых пород.

Естественно, изменения климата, произошедшие на территории России в ХХ веке, заметно затронули природные и хозяйственные системы. Характерны как позитивные, так и негативные последствия данного глобального явления. Экспертное и научное сообщество установило: «При этом катастрофических последствий, обусловленных изменением климатических факторов, до настоящего времени отмечено не было».

В первой половине XXI века также ожидается, что изменения климата не будут лимитирующим фактором для устойчивого экономического развития России в целом. Однако, разработка ответных стратегий для ряда регионов, систем и секторов необходима и должна стать приоритетной государственной задачей.

Насущной задачей для строительного комплекса России, строительной науки и всего профессионального строительного сообщества, является выбор мер адаптации технологий работ в условиях вечной мерзлоты в связи с реальной возможностью глобального потепления климата.

Весьма затруднительна и однозначная оценка процессов деградации вечной мерзлоты, учитывая сложность взаимодействия различных факторов на огромной территории России, технологическую сторону проблемы, с одной стороны и новые экономические возможности, с другой.

А пока остается надеяться, что старинная примета «кто предупрежден, тот вооружен», останется действенной даже для этого случая и профессиональное строительное сообщество сможет эффективно приспособиться к новым условиям своей деятельности.

Борис Скупов