Вечную мерзлоту спасет мох

Фото: Сергей Горин / GeoPhoto

В апреле 2023 года в Ухтинском государственном техническом университете при поддержке ПОРА состоялся семинар «Вечная мерзлота в условиях меняющегося климата». Нелли Шполянская – мерзлотовед, доктор географических наук, рассказала о связи мерзлых пород с климатом и о пространственных закономерностях криолитозоны. Публикуем самые интересные отрывки из ее доклада.

Почему карта мерзлоты выглядит так, а не иначе

Вечная мерзлота занимает в России 70% ее территории. Это производная климата. Поэтому понимание законов развития климата в данном случае является первостепенной задачей. 

Многочисленные исследования показывают, что развитие климата имеет колебательный характер. Периодические похолодания и потепления имели место на протяжении всей истории Земли – и 4,5 миллиарда лет назад. Главные источники тепла можно разделить на 2 типа. Это внешние источники, главная доля среди которых принадлежит излучению солнца. И внутренний источник – это излучение недр Земли, разогретых до 4000 градусов Цельсия. При этом тепловое излучение солнца намного больше, чем излучение Земли. Поэтому верхние горизонты грунта, где располагается криолитозона, в основном определяются солнечной энергией. 

Как продукт климата мерзлота распространена в области устойчивого охлаждения, где имеет место постоянный недостаток тепла. Можно назвать 3 главные причины существования этих областей. 

Во-первых, из-за шарообразности Земли поступление лучистой энергии солнца распределяется зонально. В экваториальной области солнечные лучи приходят практически перпендикулярно, а значит, они несут максимальное количество энергии. Поэтому экваториальные широты нагреваются больше всего. По мере продвижения к полюсам солнечные лучи подходят к поверхности планеты все с большим углом, поэтому приносят меньше тепла. Надо сказать, что само слово «климат» происходит от греческого «климо», что означает «наклон». То есть, климат определяется этим наклоном лучей, и это знали еще древние.

Во-вторых, температура околоземной атмосферы формируется за счет тепла, излучаемого нагретой земной поверхностью. Чем больше нагреты грунты, тем больший слой атмосферы они прогревают. Поэтому в экваториальных широтах атмосфера прогревается до 5–7 километров высоты. По мере приближения к полюсам мощность этого слоя все время уменьшается. И опять же, примерно с полярного круга атмосфера практически не прогревается в достаточной степени. Но Земля неровная, на ней есть плато, горы. И в зависимости от высоты гор земная поверхность может оказываться в области за пределами прогретой атмосферы. В горах может возникать эта устойчивая зона охлаждения, даже близко от экватора. В этом случае природная зональность сменяется высотной поясностью. 

В-третьих, зональное распределение солнечной радиации может нарушаться региональными физико-географическими факторами и прежде всего соотношением океана и суши. Дело в том, что океан обладает большой поверхностью, большой теплоемкостью и аккумулирует солнечное тепло. Поэтому на территориях, окруженных морем, формируется мягкий морской климат. А на обширных, удаленных от моря территориях устанавливается холодный континентальный климат. И в этом холодном континентальном климате, где обычно длинная зима и очень короткое лето, также возникает своеобразная зона устойчивого охлаждения. Поэтому область вечной мерзлоты расширяется с запада на восток. 

Фото: Андриан Колотилин / GeoPhoto

Колебания климата как гармошка

Условия для проявления этих закономерностей на протяжении всей истории Земли менялись, потому что менялось взаимоотношение суши и океана. Это связано уже с тектоническими процессами на Земле. Тектонические плиты то «расплываются», то «съезжаются» отдельными континентами. И вот этот момент их «расплывания» является самой первой, самой главной причиной изменения глобального климата. В периоды, когда континенты «съезжались» в суперконтинент, на Земле был теплый климат. А когда континенты «расплывались», то на Земле устанавливался холодный климат. Самые крупные деления эпох – палеозой, мезозой, кайнозой, – связаны с дрейфом континентов, с изменением положения суши. 

Примерно 2,5 миллиона лет существует четвертичный период, в котором мы живем, и который сейчас определяет все наши природные условия. Большая часть этого времени – плейстоцен, и лишь «сегодняшний» конец этого времени, который начался 11,5 тысяч лет назад, называется голоценом. Вся природа, которую мы наблюдаем, развивается в четвертичный период. При этом все материки продолжают продвигаться к северу. Это значит, что в долгосрочной перспективе похолодание не кончилось.

Однако в климате Земли наблюдаются и другие колебания, с более короткими периодами. И эти колебания связаны уже с количеством тепла, которое приходит непосредственно от Солнца. Одни из них связаны с удлинением орбиты планеты, другие – с наклоном Земли по отношению к эклиптике или наклоном оси планеты, которое напоминает наклон оси запущенного волчка. 

Более мелкие циклы изменений (10–300 лет) обусловлены излучением солнца. Эта интенсивность меняется в зависимости от вспышек на нем. Это очень хорошо прослеживается, например, за последние 4000 лет после климатического оптимума.

Примерно с середины первого тысячелетия новой эры люди наблюдали похолодание, в летописях это называется «эпоха страшных зим». Потом примерно в районе X века настало потепление. Это была эпоха викингов, и когда норманны высадились в Гренландии, они неспроста назвали ее «Гренландия», – то есть зеленая страна. Они там поселились, вели животноводство, было тепло. А в XIII веке снова началось похолодание. И к XVI–XVIII векам это был холод, так называемый малый ледниковый период. Температура воздуха понизилась на 1,5–2 градуса, увеличился ареал морских льдов, разрослись горные ледники. В конце XVIII – начале XIX века началось новое потепление, которое продолжается, и оно уже измеряется инструментально. Но оно осложнено своими еще более мелкими колебаниями. Например, 1930–1940-е годы известны в литературе как эпоха потепления Арктики 30-х годов. Потом снова в 60–70-е годы началось похолодание. Затем – новое потепление… То есть все эти циклы по разным причинам накладываются одни на другие, и получается «гармошка», в которой можно выделить и крупные циклы, направленные в одну сторону, и мелкие циклы, направленные в другую. 

Фото: Виктор Михайленко / GeoPhoto

Чего нам ждать завтра

Наиболее распространенный тип колебаний – это 11-летний цикл. В 1650–1750-х годах вспышки Солнца были самые низкие. Это называется его минимумом Маундера – по автору, который обнаружил. И этот минимум Маундера хорошо совпадает со временем малого ледникового периода. После него хорошо прослеживаются вековые циклы, каждый из которых немножечко более активен, чем предыдущий. Некоторые эксперты считают, что разогрев атмосферы после минимума Маундера полностью отрицает антропогенную теорию климата. 

Что все это значит? Примерно через 20 тысяч лет наступит пик нового ледникового периода. Климатический оптимум мы уже прошли. Однако в краткосрочной перспективе современное потепление продолжается. Это важно для понимания тенденций развития мерзлоты.

Короткопериодные колебания климата, а это и есть колебания XX–XXI века, затрагивают лишь верхнюю часть мерзлой толщи, не превышающую 100–150 метров. 

Многочисленные исследования показали, что на изменение температуры глубоких слоев криолитозоны потребуется не менее 20 000 лет. 

Иными словами, вечная мерзлота – очень инертная вещь. Поэтому ждать того, что вечная мерзлота оттает полностью, как сейчас прогнозируют, не приходится. Мерзлота – очень устойчивое явление. Более того, ее распространение зависит также от растительности. Как показывают многолетние наблюдения, в тундровых и болотистых районах идет потепление климата, но вечная мерзлота нарастает. И торф, и мох – хорошие теплоизоляторы. Они препятствуют нагреванию грунтов, потому что они изолируют их от теплой атмосферы. Когда и торф, и мох влажные, то они очень много испаряют, а испарение охлаждает, как известно. Поэтому на больших пространствах лесотундры распространена новообразованная мерзлота.

Посмотреть полную видеозапись доклада можно здесь.