Вечная мерзлота

Вечная мерзлота: от Арктики и Антарктики — до Африки

Ученые считают, что образовалась вечная мерзлота 1–2 млн лет назад. Произошло это в тех районах, где климат был сухим и морозным, а толщина наземного ледникового покрова незначительной. То есть практически на всех материках. Вечная мерзлота занимает четверть суши земного шара и встречается даже в Африке! Правда, только в высокогорных районах. Единственное место, где она отсутствует, — Австралия.

В России зона вечной мерзлоты занимает 60–65% территории, в основном это Сибирь и Забайкалье: от Кольского полуострова на восток почти по Северному полярному кругу до Урала, далее на восток и на юг, за исключением юга Камчатки, острова Сахалин, Приморья и еще некоторых районов.

Посмотрите эти карты вечной мерзлоты.

Что такое вечная мерзлота? Это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина вечной мерзлоты может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м. Впрочем, растения приспособились к таким суровым условиям. Летом верхний слой почвы в тундре оттаивает и корни поглощают влагу. Вот только длится тепло недолго, и выживают лишь самые неприхотливые: лишайники, мхи, некоторые травы, низкорослые кустарники и карликовые деревья.

Кстати, именно на это удивительное свойство почвы и обратили внимание русские казаки, когда в XVII веке исследовали Сибирь. В сообщениях русскому царю они упоминали наличие особых таежных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Это и была вечная мерзлота

Это и была вечная мерзлота.

Привыкли к низким температурам и люди. В зоне вечной мерзлоты, например, особые требования к строительству. Чтобы дома не нагревали грунт и фундамент не оседал, их ставят на железобетонные сваи, оставляя между землей и зданием пространство для вентиляции.

Многоэтажные жилые дома в Норильске. Свайное основание зданий разработано специально для строительства на вечномерзлом грунте

Но глобальное потепление вносит коррективы в работу строителей, и тем приходится учитывать возможные колебания температур. Верхний слой грунта подтаивал летом и раньше, но зимой он замерзал опять. Теперь оттаять успевает больше, а замерзнуть — меньше.

Вечная мерзлота — это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина промерзания грунта может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м. 

Специалисты из 26 стран, входящие в глобальную научную сеть наблюдений за состоянием мерзлоты, с 2007 по 2017 год замеряли температуру мерзлоты в Арктике, Антарктике и горных районах на глубине более 10 м. И выяснили, что за время исследований из 123 скважин потеплело в 71, а в пяти из них температура превысила 0 °C, то есть мерзлота начала таять. Лишь в 40 точках температура осталась неизменной, а в 12 — понизилась. Потеплело и в России: в Заполярье — на 0,4 °C, в Сибири — почти на 1 °C. Результаты ученые опубликовали в журнале Nature Communications.

Молодило (суккулент семейства толстянковых) в условиях вечной мерзлоты весной 

Кстати, термин «вечная мерзлота» появился не сразу. Звучали и такие: многолетнемерзлые горные породы и многолетняя криолитозона — но они не прижились. Иногда вечную мерзлоту называют многолетней мерзлотой, подразумевая, что это одно и то же. Однако времена меняются, и, похоже, скоро эти понятия не будут тождественны.

Динамика тундровых ландшафтов

Тундровые ландшафты считаются крайне ранимыми, чувствительными к любым нарушениям (как техногенным, так и природным) и медленно восстанавливающимися. Несмотря на кажущуюся однородность тундры, которая представляется сторонним наблюдателям сочетанием болот и кустарников и полным отсутствием леса, тундровые ландшафты весьма неоднородны. И особенно это характерно как раз для Центрального Ямала, отличающегося расчлененным рельефом, разнообразным составом пород и их сложным криогенным строением (формами включений льда в мерзлую породу). Неоднородность внутреннего геологического и криогенного строения приводит к неоднородности почвенного и растительного покровов. Активно развивающиеся в естественных и техногенно нарушенных условиях криогенные процессы существенно преображают во времени облик тундры, который для разных ландшафтов меняется в разной степени и даже в разном направлении. Например, на фоне преобладания процессов деградации мерзлоты наблюдается также ее новообразование.

На Центральном Ямале близко (и не очень) к поверхности залегают так называемые пластовые льды большой мощности (от нескольких до двух-трех десятков метров) и протяженности (от сотен метров до километров). Весьма распространены также сильнольдистые горные породы, в которых до 80% объема составляет лед (рис. 1, 2). Именно высокое содержание льда у поверхности вызывает наибольшие риски в условиях климатического потепления. Таяние подземных льдов приводит к образованию отрицательных форм рельефа. Наблюдается коренное преобразование ландшафта: изменяются увлажнение, состав и структура слагающих пород, происходит смена растительных ассоциаций и мерзлотных условий (льдистости, температуры пород и глубины сезонного протаивания).

Если рассматривать только повышение температуры воздуха — ведущий современный фактор, приводящий к изменению тундрового ландшафта, — то необходимо учитывать, что повышение температуры многолетнемерзлых пород (переход ее через 0°С означает деградацию мерзлоты) отстает от повышения температуры воздуха. Такое отставание определяется отсутствием однозначной линейной зависимости между этими параметрами. Снижение мощности снежного покрова и утолщение почвенного и напочвенного растительного покровов в отдельные годы снижает температуру пород, а в целом уменьшает воздействие потепления климата.

Возможно, еще более важна зависимость глубины сезонного протаивания от динамики климата. Именно увеличение глубины протаивания приводит к вытаиванию подземного льда и формированию принципиально новых ландшафтов. Основное влияние на глубину сезонного протаивания оказывает летняя температура воздуха. Говоря же о потеплении климата, учитывают и зимние температуры, повышение которых зачастую более значительно, чем летних

И, что не менее важно, утолщение органогенного горизонта (мха, торфа, почвы), вызванное потеплением [], снижает глубину сезонного протаивания, поскольку увеличивает слой теплоизоляции, ограничивая поступление тепла вглубь пород

Однако все вышесказанное не умаляет значения криогенных процессов в формировании новых тундровых мерзлотных ландшафтов, а лишь показывает их реальную роль и потенциальную опасность. Почему все же криогенные процессы активизируются в последние годы? Это можно объяснить тем, что на фоне общего повышения температуры пород и малой изменчивости глубины протаивания случаются годы экстремального потепления воздуха, при котором уже наблюдаются и более высокие температуры пород самых верхних горизонтов, и углубление сезонного протаивания, значительно превышающее средние значения. Нарастание бронирующего мерзлоту растительного покрова длится годами и десятилетиями, а тепловые экстремумы наблюдаются раз в несколько лет, и именно они находят слабые места на поверхности, где ландшафты наиболее чувствительны к изменениям.

Вечная мерзлота: от Арктики и Антарктики — до Африки

Ученые считают, что образовалась вечная мерзлота 1–2 млн лет назад. Произошло это в тех районах, где климат был сухим и морозным, а толщина наземного ледникового покрова незначительной. То есть практически на всех материках. Вечная мерзлота занимает четверть суши земного шара и встречается даже в Африке! Правда, только в высокогорных районах. Единственное место, где она отсутствует, — Австралия.

В России зона вечной мерзлоты занимает 60–65% территории, в основном это Сибирь и Забайкалье: от Кольского полуострова на восток почти по Северному полярному кругу до Урала, далее на восток и на юг, за исключением юга Камчатки, острова Сахалин, Приморья и еще некоторых районов.

Посмотрите эти карты вечной мерзлоты.

• Карта распространения вечной мерзлоты в России

• Карта распространения вечной мерзлоты в мире. Мерзлые грунты распространены в основном в заполярных областях. Сибирь, а также северная часть материка Северной Америки — крупнейшие районы вечной мерзлоты. Гренландский ледник, омываемый морями со всех сторон и пропускающий мимо себя теплый Гольфстрим, выглядит географической аномалией

Что такое вечная мерзлота? Это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина вечной мерзлоты может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м. Впрочем, растения приспособились к таким суровым условиям. Летом верхний слой почвы в тундре оттаивает и корни поглощают влагу. Вот только длится тепло недолго, и выживают лишь самые неприхотливые: лишайники, мхи, некоторые травы, низкорослые кустарники и карликовые деревья.

Кстати, именно на это удивительное свойство почвы и обратили внимание русские казаки, когда в XVII веке исследовали Сибирь. В сообщениях русскому царю они упоминали наличие особых таежных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина

Это и была вечная мерзлота.

Привыкли к низким температурам и люди. В зоне вечной мерзлоты, например, особые требования к строительству. Чтобы дома не нагревали грунт и фундамент не оседал, их ставят на железобетонные сваи, оставляя между землей и зданием пространство для вентиляции.

Многоэтажные жилые дома в Норильске. Свайное основание зданий разработано специально для строительства на вечномерзлом грунте

Но глобальное потепление вносит коррективы в работу строителей, и тем приходится учитывать возможные колебания температур. Верхний слой грунта подтаивал летом и раньше, но зимой он замерзал опять. Теперь оттаять успевает больше, а замерзнуть — меньше.

Вечная мерзлота — это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина промерзания грунта может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м.

Специалисты из 26 стран, входящие в глобальную научную сеть наблюдений за состоянием мерзлоты, с 2007 по 2017 год замеряли температуру мерзлоты в Арктике, Антарктике и горных районах на глубине более 10 м. И выяснили, что за время исследований из 123 скважин потеплело в 71, а в пяти из них температура превысила 0 °C, то есть мерзлота начала таять. Лишь в 40 точках температура осталась неизменной, а в 12 — понизилась. Потеплело и в России: в Заполярье — на 0,4 °C, в Сибири — почти на 1 °C. Результаты ученые опубликовали в журнале Nature Communications.

Молодило (суккулент семейства толстянковых) в условиях вечной мерзлоты весной

Кстати, термин «вечная мерзлота» появился не сразу. Звучали и такие: многолетнемерзлые горные породы и многолетняя криолитозона — но они не прижились. Иногда вечную мерзлоту называют многолетней мерзлотой, подразумевая, что это одно и то же. Однако времена меняются, и, похоже, скоро эти понятия не будут тождественны.

Хозяйственная деятельность

Для того чтобы иметь возможность освоить холодные регионы и понять, какими работами там можно заниматься, необходимо владеть полной информацией о них. Ученые не прекращают наблюдения и исследования, пытаются объяснить не только причины происхождения необычного явления, но и его последствия для планеты.

Глубоко промерзшие почвы, лишенные всякой подвижности пластов, удобны для разработки месторождений различных полезных ископаемых. При этом используется так называемый открытый карьерный способ. Стенки такого котлована скованы мерзлотой, они не разрушаются и не осыпаются, что позволяет организовать эффективный рабочий процесс.

Благодаря непрекращающейся исследовательской работе, ученые представляют выводы и сообщения:

• о возможности строительства в промерзлых регионах зданий и сооружений различного назначения;
• о наличии подходящих мест для добычи полезных ископаемых;
• о результатах геологоразведки.

https://youtube.com/watch?v=Ol6L8u1Q71U

В последние десятилетия площадь обледеневшей почвы заметно сокращается, что можно увидеть и по картинкам, полученным из космоса. Территории стали отодвигаться к северу, это связано с началом глобального потепления. Специалисты прогнозируют, что примерно через полвека дальнейший рост температурных показателей освободит ото льда огромные площади. Они станут полностью пригодными для проведения сельскохозяйственных работ.

Однако не поддающееся контролю таяние многолетней мерзлоты может спровоцировать ряд проблем, которые осложнят любую деятельность человека в тех регионах.

На первый взгляд может показаться, что такой грунт — это прочнейшее основание для любых построек. Однако когда верхние слои земли начнут оттаивать, они станут подвижными и рыхлыми, в результате чего возведенные сооружения трескаются, перекашиваются или вовсе разрушаются. Чтобы не допускать деформации, здания устанавливают на сваи, а между их основанием и грунтом прокладывают охлаждающие трубопроводы.

Из-за мерзлотных процессов осложняется строительство мостов, тоннелей, дорог. Российским специалистам удалось стабилизировать почвенную температуру с применением особой технологии: они используют парожидкостные термосифоны — заполненные замороженной двуокисью углерода трубы.

https://youtube.com/watch?v=YatI-dgrdtw

https://youtube.com/watch?v=DKnX-55NRgs

Другие вопросы

Международная ассоциация мерзлотоведения (IPA) является интегратором вопросов , касающихся вечной мерзлоты. Он созывает международные конференции по вечной мерзлоте, выполняет специальные проекты, такие как подготовка баз данных, карт, библиографий и глоссариев, а также координирует международные полевые программы и сети. Среди других вопросов, рассматриваемых IPA: Проблемы строительства на вечной мерзлоте из-за изменения свойств почвы, на которой размещаются конструкции, и биологических процессов в вечной мерзлоте, например, сохранение организмов, замороженных на месте .

Строительство на вечной мерзлоте

Строительство на вечной мерзлоте сложно, потому что тепло здания (или трубопровода ) может нагреть вечную мерзлоту и дестабилизировать конструкцию. Потепление может привести к оттаиванию почвы и, как следствие, к ослаблению опоры конструкции, поскольку ледяной состав превращается в воду; в качестве альтернативы, если конструкции построены на сваях, нагревание может вызвать движение за счет ползучести из-за изменения трения на сваях, даже если почва остается мерзлой.

Три распространенных решения включают: использование фундамента на деревянных сваях ; строительство на толстой гравийной подушке (обычно толщиной 1-2 метра / 3,3-6,6 футов); или с использованием безводных аммиачных тепловых трубок . В Трансаляскинской трубопроводной системе используются для предотвращения проседания трубопровода, а на железной дороге Цинцзан в Тибете используются различные методы для поддержания температуры земли в прохладном месте, как в районах с . Вечная мерзлота может потребовать специальных ограждений для коммуникаций, называемых «

Институт мерзлотоведения Мельникова в Якутске , обнаружил , что тонет большие зданий в землю можно предотвратить с помощью свайных фундаментов , простирающихся до 15 метров (49 футов) или более. На этой глубине температура не меняется в зависимости от сезона, оставаясь на уровне около -5 ° C (23 ° F).

Таяние вечной мерзлоты представляет угрозу для промышленной инфраструктуры. В мае 2020 года таяние вечной мерзлоты на ТЭЦ-3 Norilsk-Taimyr Energy привело к обрушению резервуара для хранения нефти, в результате чего местные реки затопили 21 000 кубических метров (17 500 тонн) дизельного топлива. 2020 Норильский разлив нефти был описан как второй по величине разлива нефти в современной российской истории.

Расположение на земном шаре

География криолитозоны очень обширная. Она присутствует в высоких широтах (полярная и субполярная вечная мерзлота), но также бывает и на больших высотах (субвертикальные стены до 3500 метров над уровнем моря). Как видно по геологическим картам, она покрывает одну пятую поверхности Земли.

Распространённость в северных широтах:

• 90% Гренландия.
• 80% Аляска.
• 50% Канада и Россия.

Обычно криолитозона постоянная за пределами 60 градусов широты и более спорадична для альпийской местности. Регионы многолетней мерзлоты низменности традиционно делятся на несколько зон на основе оценки географической непрерывности ландшафта. Наука признаёт следующие виды многолетней мерзлоты:

• непрерывная мерзлота (лежащая в основе 90−100% ландшафта);
• прерывистая (50−90%);
• спорадическая (0−50%).

В северном полушарии районы, мерзлота, занимает приблизительно 25% (23 млн км ²) площади суши. В прерывистых и спорадических зонах распространение является сложным и неоднородным. Её толщина варьируется от менее одного до более 1500 метров. В горах средней и низкой широты её распределение тесно связано с характеристиками поверхности суши:

• особенности рельефа;
• растительность;
• снежный покров.

Подводная криолитозона встречается при температуре около 0 °C на больших площадях арктического континентального шельфа. Континентальный шельф — это расширенный периметр каждого континента и соответствующей прибрежной равнины, который был частью континента во время ледниковых периодов, но находится под водой в межледниковые периоды, такие как текущая эпоха.

Термически она состоит из трёх слоёв:

1. активный, оттаивает летом и может достигать трёх метров;
2. подверженный сезонным колебаниям, но постоянно ниже точки замерзания, составляет часть вечной мерзлоты и простирается на глубину от 10 до 15 метров;
3. может достигать нескольких сотен метров или превышать 1 тыс. метров (в Якутии), не испытывает сезонных колебаний температуры и постоянно находится в замёрзшем состоянии.

Температура повышается под воздействием геотермальных потоков и достигает 0 °C в нижней границе вечной мерзлоты. Здесь лёд может забивать поры почвы или образовывать ледяные тела разных генезисов. Кроме того, субарктические районы обусловлены непроницаемостью льда в бескислородных болотных и заболоченных местах, где развивались метаногенные микроорганизмы. Метан также встречается в термокарстовых озёрах.

Постоянная криолитозона может иметь разные характеристики и формы, быть богатой органическими почвами или песчаными и каменистыми, содержать замороженную воду или быть относительно сухой. Она считается как частью криосферы, так и частью геосферы, так как содержит камни и почвы. Её верхняя поверхность, называемая активным слоем, обычно оттаивает и замерзает в зависимости от времени года.

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

Обширные обнажения 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. В русской литературе упоминаются более ранние даты 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 возникает в результате 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 .

Положительная и отрицательная роль мерзлотных процессов

Мерзлотные процессы сильно препятствуют строительству, а также эксплуатации тоннелей, мостов, дорог и зданий. Мерзлые грунты приходится сохранять в природном состоянии. Сооружения с этой целью устанавливают на опоры, а затем прокладывают охлаждающие трубы. После этого в прорубленные скважины погружают сваи. Российские строители железных и автомобильных дорог с 1960 годов земные температуры стабилизировали применением так называемых парожидкостных термосифонов. Это металлические трубы, которые заполняются замороженной двуокисью углерода и вставляются затем вдоль дорог в землю так, чтобы один конец их был погружен в мерзлоту (при этом ниже ее активного слоя), а второй находился над ним в воздухе. От 1 до 5 °С уменьшает температуру природный теплообмен. При вытаивании больших залежей подземных льдов наблюдается существенная активизация склоновых процессов. Это также осложняет строительство. Нужно учитывать при освоении районов севера, что здесь природа очень ранима.

Однако мерзлота является и помощником человека, ведь в ней можно устраивать склады, которые будут служить огромными естественными холодильниками.