Весна в Арктике. Что происходит с мерзлотой

Фото: Сергей Карпухин / GeoPhoto.ru

Весна приходит на Север, принося не только тепло, но многочисленные проблемы для городов и посёлков. И это не только поиски подходящих билетов, чтобы улететь в отпуск.

Тепло – враг мёрзлых оснований

С приходящей на Север весной в городах и посёлках тает снег. Уборка снега вокруг сооружений является важным способом для охлаждения поверхностного слоя зимой и обеспечения устойчивости фундаментов зданий. Весной снег больше не имеет отепляющего влияния не температуры грунтов и может даже их немного охлаждать. Однако весной талые воды попадают в подполья зданий, изменяя не только тепловой режим оснований, но и загрязняя окружающую среду. Особенно если скопления снега находятся вблизи застройки. Перераспределение поверхностного стока – одна из причин повышения температур грунтов и деформаций зданий и инженерных сооружений. Снег, как правило, накапливается вокруг строений, особенно когда здания расположены близко друг к другу, что является особенностью российских арктических прибрежных поселений, построенных в период 1930-1970 годов. Скопления снега образуются и в результате его уборки. Построенные рядом с зданиями заборы и сараи могут способствовать образованию снежных сугробов. Однако заборы у насыпи предотвращают растепление грунта летом и накопление снега зимой, что приводит к общему понижению температуры грунтов и увеличению мощности слоя сезонного оттаивания/промерзания.

Скопление снега у жилых домов на Севере. Фото: А.Г.Алексеев, m1r.su, gazetazp.ru

Тепло – враг мёрзлых оснований. Наличие дополнительных источников тепла рядом с конструкцией несёт в себе риски разрушений зданий. Коммунальные системы, тротуары являются дополнительным источником тепла, осадка здания может отрицательно повлиять на сеть гидро-инженерных коммуникаций. Фильтрация появляющихся весной грунтовых вод является ещё одним фактором, оказывающим влияние на устойчивость многолетнемёрзлых грунтов. Грунтовые воды представляют собой дополнительный источник тепла, который весьма трудно учесть в расчётах. Рельеф территории и геологические особенности создают условия, при которых подземные воды могут разгружаться на строительной площадке, во время инженерной подготовки и строительства зданий или сооружений. В Якутске подземные воды распространены в аллювиальных песках и иногда нарушают устойчивость фундаментов основания. Школа на реке Росс на Юконе была построена в 1990-х годах на гравийном конусе выноса. Вполне вероятно, что именно подземные воды, начинающие двигаться весной через гравий, приводят в течение лета к неравномерной осадке и пучению, несмотря на расчёты. Добавление термосифонов не смогло стабилизировать фундамент, поэтому здание пришлось перестроить.

Зимние дороги и их отсутствие

Другой весенней проблемой являются зимники, вернее, их отсутствие. Простейшей формой транспортировки в районах вечной мерзлоты является зимняя дорога. Она представляет собой сооружение типа простой тропы по заснеженному мёрзлому грунту или поверхности замёрзшей реки, или может быть специально покрытой уплотнённым снегом или смесью из льда и воды дорогой. В Канаде и России используют их, чтобы получить крупногабаритные, недорогие товары и предметы первой необходимости, особенно требующие быстрой доставки.

Так, девяносто процентов зимних дорог в Канаде в 1978 году были дорогами, которые проходили по просекам через тайгу. Перед их использованием поверхность земли должна быть полностью проморожена, по крайней мере, на 20 см и мощность снега должна составлять более, чем 10 см. В России в качестве зимних дорог часто используют большие реки, протекающие на север без порогов или водопадов, когда на них образуется достаточно мощный слой льда. Точно так же используют и крупные озёра, когда те замерзают; они могут обеспечить хорошие дороги при условии, что поверхность гладкая, а лёд достаточно мощный. Снежные дороги — это зимние дороги, где снежный покров был увеличен и изменён для того, чтобы дорога могла переносить большие нагрузки. Они требуют регулярного технического обслуживания, поэтому используются только там, где мало снега или там, где необходимо транспортировать больше тяжёлых грузов. Уплотнённые снежные дороги строятся путём укладки снега на полосе отвода, а затем уплотнения путём прикатывания. Ледяные дороги сделаны целиком из льда, и они менее распространены. Вода может быть разлита на поверхность земли в виде нескольких слоёв, чтобы обеспечить гладкую поверхность, покрывающую впадины и растительность. Это дорога прочная, но очень дорогая. Ледяные дороги были основным типом зимних дорог, используемых для поддержки разведочного бурения на Северном склоне Аляски. Речные ледяные дороги в основном встречаются в России, где снег расчищается на ширину около 60 м вдоль замёрзшей реки. Этот метод строительства дорог также используется на крупных озёрах в Канаде, например, на озере Атабаска. Преимущество таких ледяных дорог состоит в том, что они могут выдерживать более тяжёлые нагрузки и обеспечивать более высокие скорости, чем снежные дороги. Важную роль играют также ледовые переправы, например, в Салехарде и Якутске. Весной все эти типы дорог и переправ начинают приходить в негодность и транспорт останавливается. Приходится использовать самолёты и вертолёты, а это крайне дорогостоящие перевозки.

Ледовая переправа Якутск – Нижний Бестях. Фото отсюда

Сточные воды и тёплый воздух

К сожалению, весной в этих районах обостряются проблемы с канализацией и утилизацией отходов. Вернее, трудности в этой области существуют круглый год из-за крайне малых возможностей переработки отходов при низкой температуре. Кроме того, частые повреждения канализационных сетей зимой приводят к тому, что весной сточные воды и твёрдые отходы, содержащие токсичные вещества, после таяния снега, оказываются на поверхности. Содержание микроорганизмов в таких отходах велико, многие микроорганизмы прекрасно переносят холод, поэтому дезинфекция должна быть важной частью очистки. Например, шигеллез (бациллярная дизентерия) и гепатит А в среднем около семидесяти и двадцати раз в год обнаруживаются в сточных водах, в частности на северо-западных территориях в Канаде. В принципе, сточные воды богаты питательными веществами, поэтому они могут обеспечить необходимые вещества для парников, но их число крайне невелико.

При низких температурах требуются сложные виды очистки сточных вод, иначе произойдут необратимые изменения в окружающей среде. Обычно метод выбирают в соответствии с требованиями регулирующих органов по чистоте сточных вод. Там, где требуются низкие безопасные предельные концентрации, используется короткая удерживающая лагуна и скрининг, как у реки Хей, Форт Макферсон и Инувик на северо-западных территориях и Уайтхорс, Канада. Так, в лагуне в Инувике концентрации вредных веществ сокращаются на 30% зимой и 90% летом. Восемьдесят процентов взвешенных твёрдых частиц осаждаются, а сточные воды выводятся в реку Маккензи. Когда требуются более жёсткие меры контроля качества сточных вод, как, например, на Аляске, необходимы установки вторичной обработки, такие как, например, вращающийся биологический контактор. Подобные конструкции используются и в России.

Обычно на Севере строительство проводится зимой, чтобы вызвать минимальные нарушения поверхности. Поэтому с приходом весны строительные работы лучше прекращать. Однако это не всегда возможно. При планировании сроков строительства заранее время оттаивания многолетнемёрзлых пород может быть сведено к минимуму. Строительство летом часто вызывает термокарст, и в результате развития этого процесса участок становится непригодным для использования. На торфянистых грунтах можно использовать бревенчатые покрытия, а при отсутствии деревьев можно использовать искусственные деревянные покрытия размером около 2-4 м, которые могут быть уложены для сохранения напочвенного покрова в естественном состоянии. Временные бревенчатые покрытия убираются после строительства фундамента, и фундамент остаётся, по крайней мере, на два года для обеспечения промерзания. В северной части Китая вода распыляется на землю зимой для образования ледяной дороги и рабочей площадки. Когда весной она тает, растительность восстанавливается. Однако такие методы требуют подготовки, трудоёмки, и часто их не используют.

Экспериментальная насыпь, построенная к северу от исследовательской станции Бейхуэ, прилегающей к дороге Голмуд-Лхаса, Китай. Различные методы охлаждения насыпи проходят испытания. Фото: С. Харрис

Весной важно свести к минимуму попадание тёплого воздуха в подполья зданий или основания дорог. Поэтому используемые зимой вентиляционные продухи в подпольях и каналы в основаниях дорог иногда закрывают. Вентиляционные каналы – один из самых дешёвых способов охлаждения фундаментов, иногда используемый на дорогах. Он включает в себя использование воздуховодов или водопропускных труб, установленных на площадке или насыпи, чтобы пропускать через себя холодный зимний воздух. Концы открываются всякий раз, когда температура окружающего воздуха падает ниже 3 °C. При этом концы труб должны быть закрыты в тёплую погоду, чтобы предотвратить накопление тепла. Так называемый эффект Балча объясняет принцип их действия, т. е. холодный, плотный воздух вытесняет более тёплый воздух в канале гравитационным потоком. Помимо транспортных насыпей, этот метод используется для аэродромных сооружений, резервуаров для хранения нефти и обслуживающих их помещений в Канаде, на транспортных сооружениях в Тибете и Сибири. При необходимости воздуховоды могут быть подключены к вертикальным коробам, оснащённым вентиляторами, которые включаются в холодную погоду, с наступлением весны они должны быть выключены. В целом они довольно эффективны для охлаждения, но не в такой степени, как использование геокомпозитов. Последние более практичны, так как могут быть размещены в виде единого покрытия, тогда как для каждого километра дороги потребуется очень большое количество трубчатых теплоотводов. Кроме того, существует значительная опасность блокирования верхней части стоков снегом, а также в результате воздействия транспортных средств.

Весна приносит холод

Удивительно, что, когда в природу приходит весна, она может приносить не только тепло, но и холод.

Если измерить температуру верхних горизонтов вечной мерзлоты весной, окажется, что туда именно в это время начнут проникать наиболее низкие температуры за весь год. Геокриологи говорят, что туда пришла «волна холода». Почему так происходит? Мы имеем дело здесь с постепенным проникновением сезонных температурных волн с поверхности – как тёплой («летней»), так и холодной («зимней») волн в землю, ослабевающим с глубиной и запаздывающим в сравнении со сменой времён года.

Распределение температур в толще вечной мерзлоты в шахте Шергина в Якутске в течение года. Буквы – название месяцев. Данные акад. П.И. Мельникова

Это приводит к тому, что «зимняя» волна достигает наибольшей глубины в толще мерзлоты к июню, а «летняя» – к декабрю и даже январю. Это запаздывание получается из решения знаменитого уравнения теплопроводности Фурье для температурных волн и называется вторым законом Фурье (Достовалов и Кудрявцев, 1967). Волны спускаются со скоростью около 23 м/год через коренные породы на горе Плато в Канаде, но только 13 м/год в Якутске из-за более низкой теплопроводности в мёрзлых глинистых породах в шахте Шергина (Харрис и др., 2018). Интересно, что амплитуда температурных волн постепенно уменьшается с глубиной. Это уменьшение также следует из решения уравнения теплопроводности Фурье и называется первым законом Фурье. В своё время геокриологи предложили использовать термин слой, или глубина нулевых годовых амплитуд (менее 0,1 °С) для слоя сезонных колебаний температуры горных пород, но следует отметить, что это понятие предполагает стабильность температурного режима. Климат меняется, и глубина проникновения сезонных колебаний также меняется в зависимости от характера изменения температуры на поверхности Земли.

Парадоксальным образом весна приносит в толщу мерзлоты не только холод, но и лёд. Температурные колебания в горных породах приводят к их деформациям. При низких температурах наблюдается так называемое морозобойное растрескивание, которое представляет собой образование вертикальных или субвертикальных трещин, которые также называются морозобойными, вдоль прямой линии в результате термического сжатия. Когда температура падает, горные породы сжимаются, но после того, как большая часть влаги в них превращается в лед, а температура падает достаточно низко, материал становится хрупким, и возникают горизонтальные напряжения. Это частично компенсируется ползучестью, но при резком снижении температуры на поверхности от -20 °С до ниже -32 °С происходит растрескивание. Тепловые напряжения пропорциональны скорости изменения температуры горных пород, градиенту температуры с глубиной, глубине, модулю упругости и коэффициенту расширения компонентов горных пород. Большинство минералов имеют коэффициент теплового расширения 2–12х10^–6 1/°С, тогда как лёд имеет значения 30–60х10^-6 1/°С, в зависимости от структуры льда (Харрис и др., 2020). Типичная ширина трещин составляет 5–10 см, глубина 3–4 м. Размер трещинных полигонов колеблется от 0,5 до 10 м в районах континентального климата и 20–80 м в менее континентальных условиях Интересно, что на Марсе размер аналогичных трещинных полигонов достигает сотен метров, вероятно, из-за более продолжительных периодов колебаний температуры.

Открытая морозобойная трещина, полуостров Ямал, Западная Сибирь © A. Губарьков (из Харрис и др., 2020)

Растрескивание на плоских участках происходит серией относительно прямых линий, образующих многоугольник, или тесселлон, в России чаще называемый полигоном. Дж. Р. Маккей показал, что растрескивание обычно начинается на глубине около 3 м, вблизи кровли вечной мерзлоты в дельте Маккензи, и распространяется до поверхности и глубже в горные породы (Mackay, 2008). В результате получается многоугольный рисунок растрескивания размерами от 5 до 500 м, в зависимости от местных условий. В случаях, когда средняя температура поверхности горных пород ниже -20 °C, морозобойное растрескивание может привести к резкому и слышимому удару, аналогичному выстрелу пушки (Харрис и др., 2020).

Трещинные морозобойные полигоны (тесселлоны) с поднятыми краями и низким центром в заливе Прудо, Аляска. © S.A. Harris

Оставаясь открытыми зимой, морозобойные трещины весной представляют собой своеобразные резервуары для сбора талых вод. Тающий снег приносит значительные массы воды, которая, стекая в трещины, там замерзает, образуя трещинный лёд. Правда, открытые трещины иногда могут быть заполнены и любым другим доступным материалом, например лёссом, песком, другими горными породами или их смесью. Этом процесс может многократно повторяться из года в год, принося в толщу горных пород всё больше льда. Если зима достаточно холодная, трещинообразование обычно происходит в одном и том же месте в течение следующих сезонов, хотя фактическое положение трещины может меняться год от года. Так возникают повторно-жильные льды. Низкая прочность льда на разрыв этому способствует. Это создает пересекающиеся вертикальные слои во льду, которые иногда заметны.

Ледяные жилы разного возраста секут залежеобразующие льды на острове Хершель. Это пример роста повторно-жильного льда. Обратите внимание на вертикальную слоистость внутри жил, а также на деформирование вмещающих отложений (Харрис и др., 2020)

Эти отдельные вертикальные слои представляют один год, но некоторые из жил претерпевают трещинообразование каждый год. При подсчёте отдельных вертикальных слоев в жиле обнаруживается, что жилы, возможно, были активны в течение очень долгого времени. Например, в Сибири они могли расти в течение тысяч лет, образуя в обнажениях целые стены льда.

Повторно-жильные льды на склонах Большого Ляховского острова, Арктическое побережье, Сибирь. © М. Григорьев

Таким образом, пора весны для вечной мерзлоты представляет собой, скорее, пору роста и льдообразования, когда замерзает часть обычно находящейся незамёрзшей воды в порах горных пород при понижении температуры и происходит рост повторно-жильного льда.

Однако весной начинается, конечно, и оттаивание с поверхности Земли, и образование сезонно-талого слоя, который достигает наибольшей глубины (чаще 0,5–2 м) только к концу лета. Наконец, на склонах можно наблюдать процесс течения оттаявшего увлажненного материала – так называемую солифлюкцию (гелифлюкцию), которая в северных районах и будет зримым знаком весны.

Солифлюкция в льдистых пылеватых отложениях, рассекающая тундровую растительность на полуострове Ямал. Она обычно развивается на склонах с углом 5–20º при глубине сезонного протаивания 0,4–1,0 м. © А. Губарьков

***

Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, специально для GoArctic

Литература

Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Издание: Издательство Московского университета, Москва, 1967 г., 443 стр.

Харрис С., Брушков А., Ченг Г., Сантаева В. Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. Перевод с анг. в 2 томах под ред. А.В.Брушкова. Том 1. 2020, Директ-Медиа Москва; Берлин, ISBN 978-5-4499-1199-5, 438 с

Mackay, J. Ice-Wedge Cracks, Western Arctic Coast. The Canadian Geographer / Le Géographe canadien. 2008. 33. 365 – 368. 10.1111/j.1541-0064.1989.tb00923.x.