Главная – Журналы – Криосфера Земли 2022 номер 4

За последние 30 лет отмечено существенное повышение температуры верхних горизонтов вечной (многолетней) мерзлоты: в среднем на 2.5 °C в Российской Федерации. С этим связаны деградационные тенденции в мерзлоте, отрицательно сказывающиеся и на природных ландшафтах, и на инженерной инфраструктуре. Хозяйствующие субъекты пытаются защитить свои предприятия, вкладываясь в инженерные мероприятия и наблюдения за изменением параметров мерзлых оснований сооружений. Одно из лидирующих мест здесь занимает топливно-энергетический комплекс, на предприятиях которого начинает внедряться система автоматизированного геотехнического мониторинга многолетнемерзлых грунтов. В ближайшей перспективе (5-10 лет) система станет обязательной для каждого объекта, расположенного в зоне вечной мерзлоты. Но пока в разных регионах и организациях геотехнический мониторинг мерзлоты ведется по различным методикам, нередко в урезанном объеме, без учета природных тенденций и при отсутствии соответствующего анализа и прогнозирования. При этом практически всеми игнорируются фоновые изменения, происходящие независимо от хозяйственной деятельности. Это резко снижает эффективность мониторинга. Причина состоит, с одной стороны, в недостатках регламента наблюдений и обработки данных, а с другой - в том, что в Российской Федерации фоновый геокриологический мониторинг природных условий ведется в крайне недостаточном объеме. В результате возможность достоверного прогноза на средне- и долгосрочную перспективу изменения состояния многолетнемерзлых грунтов весьма ограничена. С точки зрения развития топливно-энергетического комплекса проблема усугубляется отсутствием обмена данными между отдельными его компаниями как в рамках регионов, так и на федеральном уровне. Предложена схема организации федерального мониторинга мерзлоты на основе создания системы федеральных геокриологических полигонов, где сочетаются два вида мониторинга: фоновый природный государственный мониторинг и геотехнический мониторинг земле- и недропользователей (в первую очередь топливно-энергетического комплекса).

На шести площадках вдоль 25-километрового профиля от г. Якутска исследован изотопный (¹⁸O, D) и химический состав атмосферных осадков (1-2 мм слой снега на поверхности снежного покрова и кристаллическая изморозь), выпавших в декабре 2020-январе 2021 г. в период экстремально низких температур (от -47 до -52 °С) в условиях антициклональной погоды и плотных ледяных туманов. Пробы с поверхности снежного покрова характеризуются наиболее легкими составами (d¹⁸O = -41.04 ± 5.11 ‰, dD = -326.43 ± 34.16 ‰, d_exc = 1.91 ± 7.72 ‰) и заметно истощены по дейтерию. От окраин к центру Якутска установлено значительное утяжеление составов (на 10 ‰ по d¹⁸O, на 80 ‰ по dD), снижение дейтериевого эксцесса от +10 до -6 ‰, 4-кратное увеличение минерализации из-за примесей карбоната кальция. Для проб кристаллической изморози установлены изотопные составы (d¹⁸O = -30.89 ± 5.62 ‰, dD = -285.88 ± 12.82 ‰, d_exc = -28.79 ± 32.53 ‰), которые не характерны для атмосферных осадков, льдов и вод региона. Они испытывают наибольшие вариации по величине d¹⁸O - от -24 ‰ в г. Якутске до -37 ‰ на расстоянии 25 км от его центра; величина dD изменяется от -255.4 до -285.9 ‰, d_exc возрастает от -80 до +11.5 ‰. Изотопные и химические составы исследованных осадков указывают на значительную долю техногенного водяного пара, поступающего в атмосферу при сжигании углеводородного топлива. На основе модели гауссовской смеси и дейтериевого эксцесса исследованных проб установлено, что в кристаллической изморози доля техногенной воды вблизи теплогенерирующих станций составляет 26-32 %, в центральной части города 13-18 %, на окраинах 6.5-8.8 %; в поверхностном слое снежного покрова составляет 5-6 % в центральной части Якутска и уменьшается к окраинам до 1 % и менее.

Дано обоснование выбора способов и устройств для физического лабораторного моделирования процесса промерзания и пучения грунтов с целью исследования их пучинистых свойств, а также параметров процесса промерзания для верификации разрабатываемых математических методов моделирования процесса. Рассматриваемые методы позволяют в промерзающих грунтах задавать и контролировать в автоматизированном режиме динамику температурного состояния, потоков тепла и воды, деформаций пучения и усадки, влажности и плотности, порового гидравлического давления и сегрегационного льдовыделения путем применения цейтраферной видеосъемки, моделирования внешних механической и гидравлической нагрузок.

Наледи широко распространены на Северо-Востоке России и оказывают существенное влияние на многие компоненты ландшафтов. Появление в открытом доступе спутниковых данных Landsat и Sentinel-2 создало новые возможности для их картографирования. По спутниковым снимкам собран актуальный каталог наледей Северо-Востока России, а также проанализирована многолетняя и сезонная изменчивость наиболее крупных ледяных массивов. На основе обобщения исторических (полученных в середине XX в. с помощью аэрофотосъемки) и современных данных о наледях подготовлено новое картографическое произведение - Атлас гигантских наледей-тарынов Северо-Востока России, который был издан в конце 2021 г. В настоящей работе рассмотрены подходы к картографированию наледей, которые использовались при создании данного Атласа, и приведены основные характеристики наледей по историческим и спутниковым данным. Всего в пределах рассматриваемой территории по снимкам 2013-2020 гг. выявлено 9306 наледей общей площадью 4854.5 км², из которых 1146 относятся к гигантским, т. е. имеют площадь более 1 км². Для выявленных гигантских наледей по разновременным спутниковым снимкам за период с 1970-х гг. по настоящее время проанализирована многолетняя и сезонная динамика их площади и созданы серии космокарт, которые также включены в содержание Атласа. Для большинства гигантских наледей существенного сокращения площади со временем не выявлено. Установлено также, что крупнейшей на Северо-Востоке России является наледь в бассейне р. Сюрюктях. Ее площадь в период схода снежного покрова в среднем на 14.4 км² превышает площадь Большой Момской наледи, которая ранее считалась крупнейшей в России.

Представлена разработанная аналитическая модель функционирования системы температурной стабилизации грунтов типа "ГЕТ", базирующаяся на интегральном методе. Приведены решения численной и аналитической моделей для систем температурной стабилизации грунтов типа "ГЕТ" с разной длиной испарительной части, а также для различных по климату арктических городов - Салехард, Варандей, Игарка. При сравнении результатов, полученных в рамках численного и аналитического решений, сделан вывод о том, что разработанную аналитическую модель можно применять для экспресс-оценки функционирования системы температурной стабилизации грунтов типа "ГЕТ" для различных конструктивных решений и климатических характеристик.