Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.
Глобальное потепление: картография российских климатических наук. СПб.: Издательство Европейского университета в Санкт-Петербурге, 2024. Под редакцией А. Екайкина, О. Бычковой. Содержание
Исторический экскурс
Можно с уверенностью утверждать, что главный вклад в накопление первичных сведений о вечной мерзлоте, их научное осмысление и географическое обобщение, установление внешних факторов, влияющих на ее формирование и динамику, в развитие теории и разработку математических моделей сделала Россия. Это неудивительно, поскольку более 60 % территории страны расположено в области распространения ММГ (многолетнемерзлых грунтов), которую принято называть криолитозоной. Первые крупные русские северные поселения были основаны более 400 лет назад: это города Мезень (1515 г.), Сургут (1594 г.), Салехард (1595 г.), Туруханск (1607 г.), Красноярск (1628 г.), Якутск (1632 г.), Вилюйск (1634 г.), Верхоянск (1638 г.), Нижнеколымск (1644 г.), Улан-Удэ (1661 г.), Дудинка (1667 г.), Чита (1675 г.), Иркутск (1689 г.). Сибирские воеводы П. П. Головин и М. Б. Глебов в отчетах царю писали о том, что «зерно растить нельзя из-за того, что земля не тает даже летом» (1640 г.) и что «в Якутске колодцы рыть невозможно, даже летом земля тает на 1,5 аршина [чуть больше метра] и никогда более чем на 2 аршина [1,42 м], а ниже того она вся мерзлая и твердая...» (1680 г.).
Петербургский академик Карл Максимович Бэр в 1842 г. опубликовал первый научный труд — «Факты, дополняющие знания о никогда не таящем подземном льде», целиком посвященный вечной мерзлоте. В нем он дал описание всех явлений, связанных с наличием вечной мерзлоты, выдвинул гипотезу о том, что она может быть альтернативной формой оледенения, которая возникает в условиях резко континентального климата, и разработал план первой научной экспедиции по изучению вечной мерзлоты. В 1842–1845 гг. Александр Федорович Миддендорф осуществил такую экспедицию на север Восточной Сибири, проведя геологические и геоморфологические исследования, описав местоположение южной границы вечной мерзлоты и организовав геотермические измерения в первой глубокой скважине в Якутске. Ее рытье — с целью добраться до питьевой воды — началось в 1828 г. по указу Фердинанда Врангеля, директора базировавшейся в Якутске Российско-американской компании. Работами руководил инженер компании Федор Шергин, чье имя впоследствии и получила скважина. За 10 лет было пройдено 116,4 м, но за пределы мерзлого слоя выйти так и не удалось. В 1844 г. по предложению Миддендорфа в скважине на различных глубинах были установлены термометры и начаты регулярные наблюдения. Так впервые были получены фактические данные о вертикальном профиле температуры в слое мерзлоты, ставшие предметом научного анализа.
Открытия Миддендорфа вызвали значительный научный интерес к вечной мерзлоте и в целом к географии. В марте 1845 г. на торжественном обеде в Петербурге, посвященном завершению экспедиции, было решено организовать Русское географическое общество. Главной мотивацией стала необходимость изучения мерзлоты в Сибири.
Первым, кто попытался на основе данных измерений в Шергинской скважине построить термическую модель вечной мерзлоты, связав ее температуру со среднегодовой температурой воздуха, стал Генрих Иванович Вильд. По его заключению, температура на глубине около 20 м, где уже не ощущаются годовые колебания, в среднем на 1,6 °С выше, чем среднегодовая температура воздуха. Если предположить, что такая модель, построенная по результатам измерений в Якутске, в какой-то мере применима ко всей криолитозоне, можно, используя данные метеостанций, рассчитать положение нулевой изолинии температуры почвы и принять, что эта модель приближенно описывает местоположение южной границы вечной мерзлоты. Нужно отметить, что построенная Вильдом в 1882 г. карта криолитозоны России достаточно хорошо воспроизвела ее общую конфигурацию с учетом широтной зональности и усиления континентальности в направлении с запада на восток.
Александр Иванович Воейков критически отнесся к модели Вильда, поскольку счел ее излишне упрощенной. В работе 1884 г. «Климаты мира, в особенности России» он справедливо отметил, что важнейшую роль в формировании термического режима почвы играет снежный покров, показав, что при большой высоте снега мерзлота может отсутствовать даже там, где среднегодовая температура воздуха не превышает –5 °С. Он также отметил, что в условиях Сибирского зимнего антициклона температурная инверсия (повышение температуры с высотой в атмосфере) и адвекция (приток) холодного воздуха с горных склонов в долины — важные факторы, влияющие на понижение температуры мерзлоты.
В конце XIX в. в связи со строительством Транссибирской железной дороги начался новый этап изучения вечной мерзлоты, который можно назвать утилитарным. Из природного феномена мерзлота превратилась в строительную площадку, по которой необходимо было проложить тысячекилометровую железнодорожную магистраль, построить путевые сооружения и поселки, мостовые переходы через реки, обеспечив их устойчивость на мерзлом грунте. Эти сложнейшие задачи были блестяще решены русскими горными инженерами: Леонардом Антоновичем Ячевским, разработавшим первую детальную инструкцию для изучения вечной мерзлоты, Михаилом Ивановичем Сумгиным, построившим уточненную карту криолитозоны, и другими исследователями, труды которых заложили научную основу геокриологии.
Следующий этап развития геокриологии начался в послевоенный период — с промышленным освоением и строительством крупных городов в Арктике. В 1953 г. в МГУ была создана первая и единственная в мире кафедра геокриологии, специализацией которой стали фундаментальные и инженерные исследования, а впоследствии и моделирование вечной мерзлоты. В 1960 г. Сибирским отделением РАН в Якутске был основан Институт мерзлотоведения, которому впоследствии было присвоено имя его первого директора, академика Павла Ивановича Мельникова. В нем были развернуты уникальные полевые исследования, организованы стационарные наблюдательные площадки, на которых проводились различные манипуляции по расчистке снега, удалению растительного покрова и верхнего органического слоя почвы, нанесению искусственных защитных деревянных и насыпных покрытий и т. п. — с целью изучения влияния на термический режим мерзлоты. В 1991 г. в Тюмени был организован Институт криосферы Земли, работавший в тесном сотрудничестве с Тюменским нефтегазовым университетом и обслуживавший нужды добывающей промышленности, продвигающейся на север.
Современная наука о вечной мерзлоте
Согласно современным представлениям, ММГ занимают 9–12 % площади всех континентов (13,2–18,0 млн км2), а вся криолитозона, в которую входят также области прерывистого и островного распространения мерзлоты, — 23–25 % суши. В России ММГ имеют сплошное распространение (более 90 % площади) на территории 7 млн км2, на 1,8 млн км2 — прерывистое (от 50 до 90 %) и на 2,5 млн км2 — островное (от 10 до 50 %) и редкоостровное (менее 10 %).
Мощность СТС (сезонно-талого слоя) и температура вечной мерзлоты — основные параметры, описывающие ее состояние и динамику. Данные о них пополняются из четырех источников. Самые продолжительные измерения температуры почвы до глубины 3,2 м проведены на метеостанциях Росгидромета. Еще один источник — геотермические измерения в скважинах глубиной от десятка до сотни метров. В России на конец 2020 г. задействованы 384 скважины. С 1990 г. измерения мощности СТС проводятся в рамках программы циркумполярного мониторинга деятельного слоя. Из созданных в России 64 площадок CALM продолжительные ряды данных наблюдений (более 10 лет) имеются менее чем на 20. Наиболее детальные наблюдения проводятся на специализированных мерзлотных стационарах.
Наблюдения указывают на начавшиеся изменения состояния ММГ, главными движущими факторами которых являются температура воздуха, атмосферные осадки и растительность. Показательны данные термометрии в скважинах, согласно которым в последнее десятилетие температура мерзлоты увеличилась на 0.39 ± 0.15 °C в зоне сплошного и на 0.20 ± 0.10 °C в зоне прерывистого распространения. Такие различия закономерны, поскольку в более теплых грунтах прерывистой зоны с температурой выше −2 °С значительная часть тепла расходуется на фазовые переходы (таяние льда), в то время как в сплошной криолитозоне тепло тратится исключительно на увеличение температуры. Эти оценки могут быть занижены, поскольку из-за отсутствия соответствующих наблюдений они не учитывают быструю деградацию мерзлоты после лесных пожаров.
В контексте биогеосистемной устойчивости важную роль играет СТС. Он является корнеобитаемой средой растительности и углеродосодержащим субстратом, в котором происходит формирование потоков парниковых газов. В последние 30 лет на Европейском Севере и в Восточной Сибири наблюдался положительный тренд мощности СТС, а в Западной Сибири значимые изменения выявлены не были. Нужно учесть, что указанные тренды СТС могут быть занижены: проводимые щупом измерения отсчитывают глубину оттаивания от текущего уровня поверхности почвы, а при деградации мерзлоты он ежегодно понижается из-за дренирования талой воды.
До недавнего времени в научных исследованиях криолитозона рассматривалась преимущественно вне контекста изменения климата. Между тем в глобально меняющемся мире сформировался общественный запрос на информацию о том, как меняются инженерные, экосистемные, биогеохимические и гидрологические функции криолитозоны в зависимости от климатических условий. На это указывают результаты исследования общественного восприятия изменения климата, в котором многие респонденты назвали деградацию мерзлоты одним из главных рисков.
По мере накопления данных с неизбежностью возникает задача их обобщения. Конкретнее она заключается в том, чтобы провести анализ почвенных, надпочвенных (снег, растительность), топографических, климатических и иных факторов, сопоставить их с точечными мерзлотными измерениями и построить пространственно-временной континуум двух главных параметров — среднегодовой температуры почвы и мощности СТС для всей криолитозоны. Можно провести параллель с метеорологией, где до недавнего времени серьезные проблемы были связаны с заполнением пропусков и обобщением данных неравномерной, редкой сети наблюдений. Сейчас они во многом преодолены благодаря развитию реанализа, который представляет собой двушаговый процесс. На первом шаге, называемом ассимиляцией данных, проводится валидация метеорологической модели по всем имеющимся для фиксированного интервала времени измерениям. На втором шаге проводится собственно реанализ, т. е. по откалиброванной модели рассчитываются исследуемые параметры в узлах сетки, охватывающей исследуемую область, при этом учитываются все главные факторы. Современные продукты атмосферного реанализа обеспечивают в близком к реальному времени режиме информацию о таких параметрах, как температура приземного слоя воздуха и поверхности почвы, осадки, ветер, давление и ряд других с суточной дискретностью для всей территории суши.
Ключевую роль в реанализе играет моделирование. Математический формализм всех моделей многолетнемерзлых грунтов основан на решении так называемой задачи Стефана, которая описана во многих публикациях. Ее особенность — в наличии подвижных границ раздела мерзлого и талого грунта, на которых происходят фазовые переходы влаги (замерзание и таяние).
В 1990-е гг. стали интенсивно развиваться динамические модели ММГ. В отличие от стационарных моделей, они позволяют рассчитывать вертикальный профиль температуры грунта с заданным временны́м шагом: от нескольких часов до суток. Такие модели основаны на фундаментальных уравнениях тепло- и влагопереноса и дают исчерпывающую информацию об изменениях параметров физического состояния мерзлого грунта в зависимости от времени и глубины. Динамические модели требуют лишь минимальной валидации, под которой понимается уточнение значений, входящих в модель почвенных, растительных и иных влияющих параметров так, чтобы максимально приблизить результаты расчета к имеющимся наблюдениям СТС и температуры грунта. Валидация проводится с дифференциацией по мерзлотным и растительным зонам, почвенным, ландшафтным и климатическим условиям. В каждом случае подбираются типичные для заданных условий значения параметров, при которых достигаются минимальные различия между расчетами и наблюдениями.
Динамические модели разной сложности были разработаны в Государственном гидрологическом институте (ГГИ), в Главной геофизической обсерватории, в Институте вычислительной математики РАН и в Институте физики атмосферы. Аналогичные исследования проводились в США, прежде всего в Университете Аляски в Фэрбенксе и в Колорадском университете. Все эти модели различаются главным образом методом численного решения уравнения теплопроводности. В частности, динамическая модель, разработанная в ГГИ, наиболее полно учитывает водный баланс верхнего слоя почвы, что позволяет на каждом расчетном шаге корректировать зависящие от влажности теплофизические характеристики среды.
Основу модели составляют уравнение теплового баланса подстилающей поверхности, уравнение переноса тепла в слое снега и почвы и уравнение баланса влаги. На входе модели задаются суточные значения температуры воздуха, осадков, скорости ветра, влажности воздуха и приходящей солнечной радиации.
Любая математическая модель содержит параметры, точные значения которых определить крайне сложно. Их рассматривают как подгоночные и первоначально используют базовые значения для заданного типа, плотности, влажности почвы и свойств надпочвенных покровов. Впоследствии эти значения корректируются так, чтобы модель наилучшим образом описывала все имеющиеся данные измерений. Модельная ассимиляция данных состоит в подборе значений влияющих параметров, при которых минимизируется функционал, представляющий собой сумму абсолютных величин разностей рассчитанных и измеренных характеристик на основе данных всех имеющихся для рассматриваемой территории пунктов наблюдений.
Для учета в расчетах СТС мелкомасштабной естественной изменчивости влияющих параметров применяют ансамблевый подход. Он состоит в том, что проводится серия идентичных расчетов с «возмущенными» (т. е. несколько отличающимися от базовых) значениями параметров. Величины «возмущений» оцениваются на основе обобщения немногочисленных данных наблюдений о мелкомасштабной пространственной изменчивости рассматриваемых параметров. Такой подход был разработан и давно применяется в гидродинамических моделях земной системы для увеличения достоверности климатических проекций. Совокупность всех проведенных расчетов называют ансамблем. Если должным образом задать возмущения параметров, ансамбль будет в статистическом смысле описывать естественную мелкомасштабную изменчивость. Далее с ансамблем можно работать как со статистической выборкой, т. е. рассчитывать наиболее вероятное значение, квантили распределения и иные статистические характеристики.
Учитываемая в ансамблевых расчетах мелкомасштабная изменчивость влияющих параметров может значительно влиять на результат. В рамках этого подхода ММГ идентифицируются не детерминированно, а как вероятность того, что в заданной точке среднегодовая температура грунта отрицательна. При этом граница криолитозоны становится размытой, и определить ее четкое положение невозможно. Можно представить также и мощность СТС как вероятность того, что она превысит некоторую заданную величину.
Сравнение результатов расчетов и наблюдений указывает на то, что динамическая модель хорошо описывает различные типы температурного режима мерзлоты в широком диапазоне почвенных, ландшафтных, геокриологических и климатических условий, если известны значения основных влияющих параметров. Это прежде всего метеоданные, высота снежного покрова, свойства почвенно-грунтовой толщи (тип грунта, его плотность и влажность), растительность и характеристики ландшафта. В пределах всей криолитозоны эти параметры можно оценить, используя цифровые карты. Они представляют собой базы данных, в которых значения величин заданы в узлах регулярной пространственной сетки. Современные продукты атмосферного реанализа и спутниковые альтиметрические данные обладают высоким пространственным разрешением. Необходимые для геокриологического реанализа карты влияющих почвенных и растительных параметров континентального масштаба в настоящее время имеют разрешение порядка 0,5 градуса по широте и долготе. Такого разрешения достаточно для решения многих задач биогеохимии и стратегического планирования землепользования — таких как оценка эмиссии парниковых газов из талого углеродосодержащего субстрата криолитозоны, оценка положения северной границы древесной растительности, лимитированной мощностью корнеобитаемого слоя и т. п.
Анализ наблюдений выявляет значительный разброс температуры грунтовой толщи и мощности СТС на относительно небольших территориях. При схожих климатических условиях мощность СТС меняется от 0,5 до 3 м. Столь большие различия обусловлены локальной изменчивостью почвенных и ландшафтных факторов. Так, высота снежного покрова в зависимости от рельефа может различаться в несколько раз: от небольших величин в несколько десятков сантиметров на продуваемых возвышенностях до одного-двух метров в понижениях рельефа. Соответственно изменяется и отепляющее влияние снега на почву, максимальное под толстым покровом.
Этот эффект хорошо иллюстрирует региональный пример Нижнеколымской низменности, описанный в работе. Увеличение высоты снега, начавшееся в 2017 г., в сочетании с продолжающимся ростом среднегодовой температуры воздуха вызвало беспрецедентное увеличение мощности СТС и таяние мерзлоты. До недавнего времени температура почвы здесь была от −6 до −9 °С при среднегодовой температуре воздуха около −11 °С. Снежный покров высотой 35–40 см повышал температуру почв примерно на 5 °С. За два десятилетия среднегодовая температура воздуха (и почв) поднялась на 3 °С, а в последние годы вдвое увеличилась высота снега. Это нагрело почвы еще на 5 °С. Верхние горизонты мерзлоты прогрелись до 0 °С, и в местах, где нет моховой дернины, началось ее таяние. В прошлом почвы в низовьях Колымы за лето оттаивали на 35–160 см, а в ноябре — январе полностью промерзали. В 2017 г. в местах, где отсутствует моховая дернина, мощность СТС резко увеличилась: на обводненных пушицевых болотах до 0,8 м, а на едомах — сухих водоразделах, подстилаемых плейстоценовыми высокольдистыми суглинками, — до 2,2 м. За зиму 2017/18 г. из-за обилия снега почва промерзла лишь на 0,4–1,0 м, причем уже к началу июня мерзлый слой растаял и таяние кровли мерзлоты продолжилось. Осенью 2018 г. на сухих едомах талый слой достигал 3 м, а в местах, пройденных пожаром 70 лет назад, 5 м. Близкие величины оттаивания были зафиксированы и южнее, в районе Среднеколымска.
Зима 2018/19 г. была относительно холодной и малоснежной, и, казалось бы, талый слой должен был вновь промерзнуть. Но этого не случилось, таяние мерзлоты продолжилось, и осенью 2019 г. ее кровля опустилась максимально на 4,12 м. Произошло это потому, что при декомпозиции в аэробных условиях экзотермическое (т. е. сопровождающееся выделением тепла) окисление углерода до углекислого газа создает положительную обратную связь (усиливающую первоначальное воздействие). Наблюдения и расчеты показывают, что, если мощность богатого лабильной (доступной для реакции) органикой талого слоя превышает 1 м, микробного разогрева достаточно, чтобы мерзлота таяла и без потепления климата. По-видимому, за счет этого таяние продолжилось в 2020 г. При измерении 10 октября пробный щуп длиной 4,5 м полностью ушел в землю, так и не достигнув мерзлого слоя.