Ущерб от потепления в Арктике

Экология Технологии
16 Апреля, 2021 | 08:10
Ущерб от потепления в Арктике

Разрушение многоквартирного дома в Амдерме, побережье Карского моря, в связи с повышением температуры и потерей несущей способности свай в засолённых мёрзлых грунтах. © А. Брушков.


Вечная мерзлота, как известно, занимает около 25% всей суши и 65% территории России. В Арктике расположены города и посёлки, добывается значительное количество полезных ископаемых, сосредоточено более 30% мировых запасов природного газа и около 13% запасов нефти. Причём именно в российской Арктике сосредоточено 80% всей арктической нефти и практически весь газ. Здесь построена соответствующая добывающая и транспортная инфраструктура. В Арктике живёт значительное число представителей коренных северных народов, находятся пастбища, охотничьи угодья и жилища оленеводов и охотников.

Особенностью современных изменений глобального климата является потепление конца ХХ в. - начала ХХI в., отмеченное со второй половины 1970-х годов (Рис. 1) и обусловленное увеличением парниковых газов в атмосфере. Этому периоду предшествовали потепление 1910-1940 гг. и небольшое похолодание с 1940 до 1970 гг. Основной индикатор климатических изменений – глобальная, т.е. осреднённая по земному шару, приповерхностная температура воздуха. Согласно данным Рабочей группы по объединённым моделям (WGCM) Всемирной Программы исследования климата (WCRP), средняя скорость потепления для земного шара составляет 0.166°С/10 лет за 1976—2019 гг. и 0.075°С/10 лет за 1901—2019 гг. При этом температуры в Арктике растут быстрее, чем на остальной планете, примерно в два раза (см. ниже Табл. 1). Вечная мерзлота содержит почти половину всего органического углерода (вероятно, около 1700 млрд т) от его общего количества в почвах Земли, и в четыре раза больше, чем уже было выброшено в результате деятельности человека. Даже если часть парниковых газов, сохраняющихся в мерзлоте (это и углекислый газ, и метан), а также способных образоваться при оттаивании, попадёт в атмосферу, -- это значительно ускорит глобальное потепление.


Рис. 1: Средняя за декабрь-февраль (слева) и за июнь-август (справа) температура воздуха по данным 41 станции в морской Арктике (показаны точками на схеме) за период 1951–2019 гг.

Температура вечной мерзлоты повышается быстрее (Рис. 2), чем температура воздуха в Арктике, и за последние 30 лет выросла примерно на 1.5-2.5ºC. В результате потепления к концу XXI в. может произойти протаивание от 30% до 85% оснований зданий и сооружений с разрушением инфраструктуры и необратимыми изменениями ландшафтов. Оттаивание мерзлоты может привести к повышению активности вредных микроорганизмов, как это случилось в 2016 г., когда вспышка сибирской язвы стала причиной госпитализации более семидесяти человек на Ямале, гибели ребёнка и падежу более 2300 северных оленей.


 Рис 2. Интегральное изменение температуры ММП в основных однотипных ландшафтах на наблюдательных площадках на Европейском Севере и в Западной Сибири.


Климатические изменения являются причиной экономического ущерба. Учёными было показано, что в XXI в. ущерб от дополнительного потепления, вызванного уменьшением альбедо из-за потери морского льда и снега, а также эмиссии метана, добавится к ежегодному ущербу от потепления, который оценивается от 7.5 трлн до 91.3 трлн US$ ежегодно. Ожидается, что увеличение слоя сезонного протаивания добавит около 70 трлн $ к общему ущербу, если планета нагреется на 3°C к 2100 г. Даже если потепление составит только около 1.5°C, дополнительно будет потеряно в целом 24.8 трлн $. По другим оценкам, оттаивание мерзлоты в Арктике будет стоить обществу 43 трлн $ до конца столетия. Считается, что проблемы что проблемы потепления в криолитозоне коснутся около 4 млн человек в мире и примерно 70% существующей инфраструктуры. При этом треть инфраструктуры и обустройства около 45% месторождений углеводородов, как считается, пострадают в Российской Арктике. Было также показано, что только для Аляски потепление обойдется примерно в 1.6-2.1 млрд. долл. ущерба до 2099 г. Одним из примеров является международный аэропорт в Гренландии, где около 300 м взлётной полосы недавно пострадали в результате осадки при оттаивании, а стоимость ремонта составит 270 млн €, по данным строительной компании KJ Greenland. РБК сообщало, что Росприроднадзор оценил сумму экологического ущерба от разлива топлива летом 2020 г. на ТЭЦ-3 «Норникеля» почти в 148 млрд руб. Примеры разрушений зданий в Арктике многочисленны (см., например, фото заставки).

Действительно, в первую очередь нарушится устойчивость зданий и сооружений на многолетнемёрзлых грунтах. Экономический ущерб в Российской Арктике к настоящему времени приблизительно оценён исследователями и касается всей области криолитозоны России: он составит, вероятно, от 50 до 150 млрд руб. (2.3 млрд долл.) в год. При этом учёными был выбран наихудший (максимальный) сценарий климатического потепления. Кроме того, рассматривалась устойчивость дорожной инфраструктуры под влиянием протаивания в некоторых регионах Арктики. В 2020-2050 гг. капитальные затраты на поддержание её устойчивости и снижение рисков разрушения под влиянием увеличения протаивания и деградации мерзлоты, возможно, превысят 20 млрд руб. Максимальные показатели будут характерны для Якутии, Магаданской обл. и Чукотского АО.

Чтобы подсчитать предполагаемой ущерб в Российской Арктике к середине XXI века, был сделан ряд допущений и использована довольно сложная процедура. Среднегодовая температура грунтов (СГТГ) отличается от среднегодовой температуры воздуха (СГТВ) на величину общей сдвижки, которая складывается из влияния радиационной поправки, снега, растительности, водного покрова, температурной сдвижки и влияния атмосферных осадков. Общая сдвижка может оцениваться двумя способами – расчётным, с учётом возможных изменений параметров в связи с изменением климата, и по данным о фактической общей сдвижке, наблюдаемой в районах АЗРФ.

Табл. 1. Изменения среднегодовых температур воздуха к середине XXI в. по различным сценариям для некоторых муниципальных образований АЗРФ (пример для семи МО):

Муниципальные образования (МО)

Название метеостанции и сценарии потепления

Среднегодовая температура воздуха в настоящее время и в соответствии со сценариями потепления к 2050 г., tв.ср., °C

Абыйский район

Усть-Мома

-13.2

RCP 2.6

-10.8

RCP 4.5

-10.1

RCP 8.5

-9.3

Анабарский национальный (долгано-эвенкийский) муниципальный район

Саскылах

-14.1

RCP 2.6

-11.7

RCP 4.5

-11.0

RCP 8.5

-10.2

Анадырский

Марково

-7.9

RCP 2.6

-5.0

RCP 4.5

-4.5

RCP 8.5

-3.5

Билибинский муниципальный район

Илирней

-12.7

RCP 2.6

-9.8

RCP 4.5

-9.3

RCP 8.5

-8.3

Верхнеколымский улус (район)

Зырянка

-10.5

RCP 2.6

-8.1

RCP 4.5

-7.4

RCP 8.5

-6.6

Верхоянский район

Верхоянск

-14.5

RCP 2.6

-12.1

RCP 4.5

-11.4

RCP 8.5

-10.6

Воркута

Воркута

-5.4

RCP 2.6

-2.5

RCP 4.5

-1.9

RCP 8.5

-1.0

 
Для оценки изменения несущей способности грунтов при потеплении нужно учитывать, что основная часть зданий и сооружений в АЗРФ построена по I принципу строительства: с сохранением мёрзлого основания грунтов. В качества фундамента используются в основном висячие сваи. Если сокращение несущей способности в результате потепления грунтов основания составляет 15%, фундамент здания обычно теряет несущую способность, потому что таков запас в соответствии со строительными нормами. Сегодня практически невозможно установить, каким образом в каждом конкретном случае изыскатели и проектировщики определяли расчётную среднегодовую температуру мёрзлого грунта. Можно принять оптимистичный вариант, что их оценки и расчёты были правильными, и она близка в настоящее время к фактической. О том, что, вероятнее всего, они её занижали, свидетельствует значительное – около 40% в среднем по разным оценкам -- количество деформаций зданий и сооружений в АЗРФ. При этом, конечно, будущее рискует быть ещё более пессимистичным, чем оценки, о которых мы скажем ниже. При оценке изменений температур важно также использовать фактические данные: разность среднегодовых температур мёрзлых грунтов в естественных условиях и на территории застройки; разность среднегодовых температур воздуха и мёрзлых грунтов на территории застройки в прошлом и в настоящее время.

Наиболее сложной является оценка изменения среднегодовых температур грунтов на территории застройки (нарушенной территории) по сравнению с температурами грунтов в естественных условиях. Так, для Норильского района установлено, что на территории застройки при использовании I принципа строительства (с сохранением мёрзлого состояния оснований) такое изменение температур грунтов составляет от -1ºС до +2ºС, а для Якутска, например, по данным П.И. Мельникова, а также Минстроя Республики Саха (Якутия), более характерно изменение температур грунтов на территории застройки около -2ºС, т.е. преимущественно понижение температуры. В пос. Надёжный в Норильском промышленном районе среднегодовая температура грунтов до застройки изменялась от -3ºС до -4ºС, а после застройки под одним из зданий она составляла от -3.1ºС до -5.1ºС, что свидетельствует об эффективности охлаждающей работы подполья. При застройке пос. Новый Город на участке площадки детского сада был удалён почвенно-растительный слой, частично удалён снежный покров, и температура повысилась на 0.4ºС. На другом участке с теми же нарушениями температура, наоборот, понизилась на 0.6ºС. Первые наблюдения за температурами грунтов под зданиями с проветриваемыми подпольем в Якутске проводились ещё инженером Г.О. Лукиным в 1950-1956 гг.; в результате было установлено, что наибольшее понижение температуры грунта под зданием происходит в первые 2-3 года после начала эксплуатации и составляет 3-4ºС на глубине 6 м и 0.3ºС на глубине 18 м.

Вне контура зданий температура грунта в населённых пунктах Центральной Якутии, по данным П.А. Соловьёва, значительно понижается по сравнению с температурой в естественных условиях. Так, для Якутска для застройки возрастом 200-300 лет такое понижение температур составляет от 4ºС до 6ºС, для застройки возрастом 50-100 лет от 2ºС до 4ºС, и для застройки возрастом 20-30 лет понижение температуры составляет от 1ºС до 2ºС. При этом для пос. Чурапча понижение температуры на территории застройки составляет 2-3ºС, а для пос. Абалах от 1ºС до 2 ºС. Это интересное явление понижения температуры на территории застройки впервые отмечал ещё А.Ф. Миддендорф в 40-х годах XIX в. М.И. Сумгин объяснял его уборкой и уплотнением снега, Н.И. Салтыков -- образованием “культурного слоя”, а П.И. Мельников – засолением грунтов. Однако в черте современной застройки роль этих факторов -- или, по крайней мере, двух последних, -- по-видимому, незначительна из-за устройства канализации.

Необходимо учитывать, что среднегодовая температура воздуха в подполье зданий выше, чем снаружи, на 1-3ºС в г. Норильске и на 0.2-1ºС в г. Якутске. При этом на поверхности грунта под зданиями формируется среднегодовая температура, близкая к среднегодовой температуре воздуха в подполье. Последняя ниже температуры поверхности грунта в естественных условиях на величины поправок на влияние снега, растительности и радиации, составляющих в сумме 6-8ºС и более. Поэтому в целом, если не происходит нарушений при строительстве и эксплуатации, наблюдается значительное понижение температур грунтов на застроенной территории. Если подполье обеспечивает надлежащее охлаждение, например, в Норильске, по данным выдающегося советского инженера М.В. Кима, наблюдается понижение температуры по сравнению с естественными условиями от -3ºС до -6ºС, в Якутске от -1ºС до -3ºС, a в Игарке от -0.5ºС до -1.5ºС.

Изменение мощности и плотности снега в связи с изменением климата можно при этом не учитывать потому, что, во-первых, в ряде сценариев климата предполагается увеличение зимних осадков, особенно в восточной части АЗРФ, а во-вторых, что важнее, снежный покров в подполье, как правило, не формируется.

В качестве основной характеристики несущей способности грунтов можно использовать сопротивление смерзания грунтов с материалом сваи, потому что именно эта характеристика определяет, сколько может нести свая, установленная в вечной мерзлоте. Сопротивление смерзанию зависит от температуры (Рис. 3)


Рис. 3. Сопротивления сдвигу по поверхности смерзания -- глинистого грунта и песчаного грунта -- с материалом фундамента.

Некоторые учёные утверждают, что в России в ареалы деградации мерзлоты при потеплении попадёт около 32% инфраструктуры. Оценка ущерба при потеплении в целом – непростая задача. Существует проблема отсутствия некоторых ключевых статистических показателей на муниципальном уровне. Стоимость основных фондов включает в себя здания и сооружения по всем видам экономической деятельности. К сооружениям относятся такие объекты, как, например, магистрали, автомобильные, железные дороги, взлётно-посадочные полосы аэродромов, мосты, магистральные трубопроводы, линии связи и электропередачи и т.д.. Конструкции оснований фундаментов части таких сооружений не предполагают использования свай, поэтому оценить потери несущей способности оснований таких сооружений по изменению прочности смерзания нельзя. Однако в целом оценка стоимости жилищного фонда и стоимости зданий и сооружений по видам экономической деятельности позволяет охватить большую часть уязвимых к потеплению основных фондов. По оценкам экономического географа из МГУ С.В. Бадиной, стоимость жилых фондов АЗРФ составляет 1.1 трлн. руб, а стоимость основных фондов по всем видам экономической деятельности в Российской Арктике – 9.6 трлн. руб.

Исходя из критерия изменения несущей способности фундамента в 15%, здания и инженерные сооружения считались аварийными, и их стоимость относилась на счёт ущерба. Были выполнены расчёты по различным сценариям, которые включали варианты изменения климата, носящие международные названия RCP2.6, RCP4.5, RCP8.5, и фактические тренды изменения температур воздуха за последние десятилетия. Кроме того, в других вариантах расчётов использовались как тренды изменения температур воздуха и грунтов, так и коэффициенты соответствия между ними. При осреднении данных получается значение возможного ущерба к середине столетия около 6.4 трлн. руб. для всех сценариев, т.е. к середине столетия выйдет из строя более 50% зданий и сооружений, построенных на сваях. Однако не только прочность смерзания определяет устойчивость зданий и инженерных сооружений на многолетнемёрзлых грунтах. Вероятнее всего, фактический ущерб окажется выше.

В целом, по-видимому, можно предполагать ущерб для зданий или инженерных сооружений в АЗРФ к середине столетия около 5-7 трлн руб. или больше (рис. 4). В основном это согласуется с другими оценками, в том числе сделанными за рубежом. Ущерб жилому фонду ожидается примерно, как и стоимость основных жилых фондов, на порядок меньше: около 700 млрд руб. к середине столетия.


Рис. 4. Экономический ущерб в муниципальных районах и городах АЗРФ.

 

Следует иметь в виду, что деформации и разрушения зданий и инженерных сооружений в АЗРФ будут развиваться постепенно и, очевидно, несколько отставать от изменений температурного режима грунтов. Мы рассматривали здесь только Арктическую зону РФ. Большие территории криолитозоны, где изменения температур грунтов также будут происходить и сопровождаться, возможно, ещё большими деформациями и разрушениями, -- например, Забайкалье (г. Чита), Центральная Якутия (гг. Якутск, Мирный), и др. -- также следует рассматривать как территории, где в будущем можно ожидать крупного ущерба. Предотвратить или снизить ущерб от потепления поможет система мониторинга и управления температурным режимом вечной мерзлоты. Конечно, к рассматриваемым цифрам ущерба от потепления в Арктике необходимо добавить ущерб от развития неблагоприятных физико-геологических и гидрологических процессов, изменений в животном мире и растительности, опасность инфекций, вызванных «спящими» микроорганизмами в вечной мерзлоте, а также прямой ущерб здоровью людей.


Авторы: А. В. Брушков, С. В. Бадина, Д. С. Дроздов, В. А. Дубровин, М. Н. Железняк,М. Р. Садуртдинов, Д. О. Сергеев, Н. А. Остарков, А. А. Фалалеева.




далее в рубрике