Динамика современного климата и её роль в оценке территориального потенциала Севера

М.М. Шац,
ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, к. г. н.

Климатические особенности - важный фактор, определяющий условия развития территорий. Разрабатывая проекты зданий и сооружений для разных регионов России, проектировщики обязаны принимать их во внимание. Но как учитывать климатические параметры, если они меняются буквально на глазах? Какое климатическое будущее ожидает нашу страну? На какие прогнозы следует ориентироваться при выборе проектных решений для того или иного региона? Журнал «Территория и Планирование» открывает экспертное обсуждение этой проблемы статьёй М.М. Шаца.


М.М. Шац в единственной в мире подземной лаборатории

Введение

Постоянно изменяющийся климат северных территорий является одним из важнейших факторов, определяющих не только условия проживания населения, но и особенности освоения природных ресурсов. Климатические условия в значительной степени влияют на инженерно-геологические условия территорий. Этот фактор следует учитывать при расчёте комплексной оценки их экономического потенциала. В последние десятилетия при оценке основных тенденций изменения климата особое внимание уделяется потеплению, с начала XX века не столь однозначно именуемому «изменением». Тем не менее его влияние на многолетнемёрзлые породы (ММП), занимающие 65 % территории России, очень велико, поскольку они являются основанием большинства геотехнических объектов. Проблема эта принципиальна, а мнения по ней подчас диаметрально противоположны, отсутствует даже единая точка зрения на основные причины этого явления, а также на его последствия для мёрзлых толщ горных пород.

Современное состояние проблемы

До начала XX века считалось, что климат, если и меняется со временем, то незначительно. Позднее стала понятна ошибочность этой точки зрения. Установлено, что наша планета испытывает значительные колебания климата: в глобальном масштабе в XX веке на земном шаре по сравнению с концом XIX века в среднем стало теплее на 0,7- 0,8 °С. Следует отметить, что последнее потепление началось в 70-е годы прошлого века, т. е. всего 40 лет назад. Но и в 30-40-х годах XX столетия тоже происходило климатическое потепление, которое особенно отчётливо проявилось в Арктике, чем и было обусловлено её бурное освоение.

Мнение мерзлотоведов

К началу XXI века основное мнение по поводу причин потепления климата сводилось к тому, что наблюдаемое на протяжении последних десятилетий неравномерное, но неуклонное повышение среднегодовых температур воздуха отображает общую тенденцию «глобального потепления климата» и является следствием антропогенной деятельности. Именно она считалась одной из главных, если не основной причиной деформаций и обрушений геотехнических объектов, происходящих на Российском Севере.

Позднее, по мере накопления и глубокого объективного анализа комплексных материалов, полученных при помощи более совершенных методов измерений, пришло понимание сложности и многогранности проблемы потепления климата и его влияния на состояние ММП. По мнению активно развивающих это направление сотрудников Института мерзлотоведения (ИМЗ) им. П.И. Мельникова СО РАН (Якутск), собственно потепление складывается как производная тёплых и холодных периодов года и выражается в повышении среднегодовой температуры воздуха. Эта величина в районе Якутска за последние несколько десятилетий составляет около 1,5 °С. Однако, проанализировав многолетние тенденции динамики температур воздуха в тёплый и холодный периоды (рис. 1, 2; табл. 1, 2), можно обнаружить интересную закономерность: температуры лета, а именно они оказывают основное влияние на состояние ММП, в среднем многолетнем выражении за последние несколько десятилетий изменились, за редким исключением, незначительно. Вместе с тем в тот же период отчётливо повысились температуры воздуха в холодное время года. Нередкие в 50-70-е годы периоды с температурой воздуха ниже -50 °С, продолжавшиеся до полутора месяцев (31 января 1968 г. была зафиксирована температура воздуха -62,5 °С), для последних лет нехарактерны. Именно повышение зимних температур обусловило возрастание среднегодовых значений с одновременным незначительным влиянием на мёрзлые толщи горных пород, ограниченным лишь их верхними горизонтами до глубины в несколько метров. К сожалению, отсутствие данных не позволяет количественно оценить эту тенденцию.

Гораздо большее влияние на состояние инженерных объектов оказывает резко возросшее в последнее время увлажнение сезонно-талого слоя грунтов, обычно связанное, с одной стороны, с изменением количества атмосферных осадков, с другой - с влиянием техногенных факторов. Представленные в табл. 3 и на рис. 3 данные о количестве осадков в различные периоды свидетельствуют о том, что в последние десятилетия наблюдались значительные межгодовые колебания годовых сумм осадков, но в целом в Якутске они изменились незначительно. Отсутствие тренда осадков позволяет говорить о явном, никак не связанном с глобальным потеплением и атмосферными осадками человеческом факторе как о причине повышения обводнённости поверхности, существенно ухудшающей состояние инженерных объектов. Обусловленное многочисленными и продолжительными течами из неисправных систем водо- и теплоснабжения и канализации, это явление вызывает на территориях освоения пучение, осложняющее условия эксплуатации многих инженерных объектов. Особенно наглядно оно проявляется в нынешнем состоянии опор электрических и телефонных сетей, утративших устойчивое состояние (рис. 4).

Учёные ИМЗ детально изучают проблему потепления не только с мерзлотно-климатических, но и с мерзлотно-геологических позиций. Член-корреспондент РАН В.Т. Балобаев и профессор В.В. Шепелев подчеркивают, что представления учёных института по этой проблеме базируются на результатах многолетних совместных исследований с Геофизическим университетом США, включающих изучение изменений температур в Якутске и Фэрбенксе. В их основу положен амплитудно-частотный метод, учитывающий двухсотлетнюю историю метеорологических наблюдений в Якутии и современные показатели. В результате исследований выявлено три последних цикла потепления климата: 320, 170 и 75 лет. Нынешнее относительно резкое потепление - следствие их наложения друг на друга, именно потому столь отчётливо проявился суммарный эффект. В соответствии с упомянутой цикличностью мерзлота формируется периодами: последнее оледенение было 18 тыс. лет назад, а потепление  всего лишь 8-4 тыс. лет назад. Судя по прогнозам, потепление закончится в 2010-2015 гг., затем наступит похолодание, которое продлится до 2060 г.

Что касается опасений активного таяния мерзлоты, то специалисты ИМЗ считают, что мощные толщи ММП обладают достаточной устойчивостью и на протяжении нескольких десятилетий катастрофические изменения их температуры незафиксированы. В то же время неразумно отрицать таяние верхних горизонтов ММП, однако этот процесс ограничивается всего лишь несколькими метрами пород. Наиболее значительные последствия наблюдаются в арктической береговой полосе тундры, где в результате таяния особо льдистых пород (рис. 5) Якутия ежегодно «теряет» в море 11 кв. км суши. Часто обрушение льдистых пород сопровождается развалом навигационных знаков (рис. 6).

Ещё одну точку зрения на проблему потепления климата высказали якутские учёные В.Б. Спектор и Б.М. Кершенгольц, по мнению которых, «климатическую машину можно рассматривать как саморегулируемую систему, а климатические автоколебания - как суммарный результат действия многих различных факторов... Самым эффективным «вещественным преобразователем», способным путём фазовых, химических или плотностных изменений влиять на направленность климатического процесса на планете, является, по-видимому, СО2. Для него свойственна способность трансформироваться в твёрдофазный, жидкофазный либо газообразный продукт и при этом перераспределять энергию или влиять на её перераспределение из одной сферы в другие». По мнению авторов, «выделившееся при растворении карбонатов тепло вызывает повышение температуры вод океана, существенно снижая растворимость углекислого газа, который, выделяясь в атмосферу, усиливает парниковый эффект... Таким образом, работа автоколебательной саморегулируемой карбонатной системы в существенной степени может объяснить периодичность планетарных климатических ритмов».

Проблемой причин и последствий потепления активно занимаются учёные Тюменского института криосферы земли (ИКЗ) СО РАН. Директор института, академик РАН В.П. Мельников отмечает, что сегодня факт потепления климата никто не оспаривает, споры идут по двум направлениям и в основном сводятся к выявлению причин этого явления и оценке его последствий. Академик В.П. Мельников не согласен с мнением международных экологических организаций, что человек способен воздействовать на природу в такой мере, что может растопить мерзлоту либо предотвратить её таяние. Он считает, что процессы деградации и аградации мерзлоты периодически сменяют друг друга. По мнению сотрудников ИКЗ, совпадающему с представлениями учёных ИМЗ, катастрофических последствий не будет, а их оппоненты считают, что они неизбежны. Кроме того, В.П. Мельников отмечает, что повышение температуры в атмосфере не всегда ведёт к повышению температуры собственно мерзлоты. Её природа сопротивляется любым изменениям, а потому вряд ли когда-нибудь оправдается хотя бы один из многочисленных катастрофических прогнозов. Говорить о каких-либо серьёзных катастрофах нет оснований.

Однако Гринпис всё же опасается разрушения объектов инфраструктуры, хотя и признает, что их причиной является низкая культура хозяйствования. Нынешние негативные явления - результат пренебрежения знаниями учёных, а также несоблюдения мер безопасности, разработанных для Якутска, Норильска и других северных городов, на мерзлоте которых построено множество зданий. По словам В.П. Мельникова, в последние время это стало особенно заметно в Норильске, где практически полностью ликвидированы мерзлотные службы и по вине эксплуатационников пришлось снести около трёхсот утративших надёжность зданий.

Академик В.П. Мельников отмечает, что сложившаяся ситуация обусловлена двумя причинами - человеческим фактором и действительным потеплением климата. «Уже в начальный период создания методов возведения зданий на вечной мерзлоте сразу были даны рекомендации, как поддерживать их устойчивое состояние». В первую очередь необходимо проектировать проветриваемое подполье: строить дома «на курьих ножках» - первые этажи должны располагаться на уровне 1-1,5 м от поверхности. Зимой проветриваемые пространства отводят от зданий излишнее тепло и тем самым уменьшают термическое воздействие на мёрзлые грунты основания. Кроме того, В.П. Мельников считает, что следует активнее развивать современные наукоёмкие технологии, позволяющие существенно уменьшать зависимость надежности зданий и сооружений от климатического фактора.

Таким образом, в изучении проблемы потепления существуют два основных направления. Выше освещены основные положения одного из них, названного нами естественным. Его развивают учёные, значительная часть которых представлена мерзлотоведами. Однако существует и иное, до последнего времени превалирующее направление, названное нами техногенным.

Мнение климатологов

По мнению одного из ведущих специалистов по динамике глобального климата О.А. Анисимова, глобальное потепление обусловлено «...главным образом парниковым эффектом образующихся при сжигании ископаемого топлива углекислого газа, а также метана, количество которого в атмосфере также увеличивается». О.А. Анисимов считает, что за несколько будущих десятилетий температура воздуха может возрасти на 3 °С. Это вызовет повышение температуры ММП, неизбежную утрату устойчивости и массовые деформации геотехнических объектов, построенных без учёта тенденций динамики климата. На нефте- и газопроводах, расположенных на территории Западной Сибири, ежегодно происходит около 35 тыс. нештатных ситуаций, 21 % которых вызван механическими воздействиями, связанными с утратой устойчивости и деформацией оснований и опор.

Количество зданий, деформировавшихся из-за неравномерных просадок мёрзлых грунтов оснований, с 1990 по 1999 гг. в Норильске увеличилось на 42 %, в Якутске - на 61 %, в Амдерме (НАО) - на 90 %. Все эти негативные события О.А. Анисимов связывает с изменением климата и, в гораздо в меньшей степени, с негативным влиянием антропогенных и техногенных факторов. Но, как показано выше, по крайней мере в отношении Якутска это положение совершенно неверно, и скорее всего для других городов всё обстоит не столь однозначно.

Близкую О.А. Анисимову точку зрения на динамику климата и её последствия высказал бывший руководитель Росгидромета А.И. Бедрицкий в интервью журналу «Итоги». Он считает, что в России по причине потепления климата неизбежно ухудшится несущая способность грунтов в основаниях зданий различного назначения, дорог, трубопроводов и т. д. При повышении среднегодовой температуры воздуха на 2 °С несущая способность свайных фундаментов сократится на 50 %. Разрушение грозит более 25 % жилых домов, построенных в 50-70-е годы в Якутске, Воркуте, Тикси. Ссылаясь на приведённые в начале статьи материалы, осмелимся предположить, что и сторонники техногенного направления немного увлекаются.

На наш взгляд, более объективно выглядит аргументация позиции В. Клименко, ещё одного сторонника техногенных причин потепления климата и их главной роли в нарушении устойчивости геотехнических объектов на Российском Севере. Он отмечает, что «...несмотря на то, что земной шар сейчас намного теплее, чем в 30-40-х годах, Арктика всё ещё намного холоднее, чем в 30-х годах. Изменения, которые нас ожидают, на мой взгляд, далеки от катастрофы... Климат меняется не только в результате антропогенного воздействия, но и в связи с космическими и геофизическими факторами: поведением Солнца, вулканов, океанической, атмосферной циркуляцией, положением Юпитера, Сатурна и Луны по отношению к Земле».

Таким образом, и среди сторонников техногенных (антропогенных) причин потепления климата нет полного единства. В частности, по мнению В. Клименко, степень потепления на поверхности земного шара распространяется крайне неравномерно, и на фоне общего потепления существуют области похолодания - Гренландия, Китай, Тибет, Гималаи, Англия, Восточное Средиземноморье. Значит, всё не так однозначно. Об этом, в частности, свидетельствуют данные табл. 4. Отсутствие точных привязок положения участков наблюдений не позволяет оценить степень достоверности приведённых данных, но и в таком виде они весьма показательны.

Ещё одним важным, сопряжённым с потеплением и особенно актуальным в последнее время фактором является угроза засух. Действительно, часть Южной Сибири, Северный Кавказ, Украина в ближайшие десятилетия будут подвержены засухам, которые, возможно, станут причиной пожаров. (Примечательно, что В. Клименко писал об этих угрозах за несколько лет до засухи и пожаров 2010 г.)

И что же дальше?

Практические последствия потепления климата имеют много аспектов. В этой статье рассматриваются лишь два, относящихся к числу основных, - причины и последствия. Соображения сотрудников ИМЗ о причинах потепления изложены выше. Повышение среднегодовой температуры воздуха в последние 43 года не должно сильно настораживать. В предшествующие 20 лет она практически не росла, а в период 1988-2004 гг. даже немного понижалась. Другими словами, увеличение температуры не является поступательным, её среднегодовые значения вследствие межгодовой изменчивости варьируются в диапазоне от -7 до -10° С.

Какова же реакция мерзлоты на такое сильное на первый взгляд изменение климата? Как было показано, сочетание климатических факторов в Якутске ещё достаточно, чтобы не бояться возможного «растепления» мерзлоты. К тому же нельзя автоматически переносить изменчивость температуры воздуха на грунты. Взаимосвязь между ними достаточно сложна и не ограничивается только температурными факторами. Внутригрунтовые условия (литология, влажность), напочвенный и снежный покровы оказывают существенное влияние на термическое состояние верхних горизонтов ММП. Многолетние мониторинговые исследования в различных ландшафтных условиях Центральной Якутии фиксируют пока ещё слабую реакцию ММП на современное потепление климата как в плане увеличения глубины их сезонного протаивания, так и повышения температуры.

Оценка внутригодовой изменчивости температуры воздуха, выполненная с помощью регрессионного анализа, дополняет и расширяет наши представления о вкладах отдельных месяцев (см. табл. 1, 2). Очевидно, что до середины 60-х годов прошлого столетия потепление в Якутске не проявлялось, а в отдельные зимние месяцы было зафиксировано похолодание. После 1966 г. наиболее холодные месяцы (ноябрь-март) потеплели на 3-6 °С, среднезимняя температура при средней за 1961-1990 гг. 25,9 °С повысилась почти на 4 °С, а среднегодовая температура воздуха увеличилась почти на 3 °С.

Заключение

Итак, наблюдаемые в настоящее время в большинстве северных регионов изменения основных климатических параметров не выходят за пределы естественной изменчивости и не могут быть причиной возросшей аварийности геотехнических объектов. Как убедительно показывают результаты исследований ученых ИМЗ и ИКЗ, потепление климата - совершенно естественный процесс, обусловленный особенностями двух основных природных факторов - Солнца и океана. Кстати, в его водах растворено во много раз больше парниковых газов, чем поступает в атмосферу в результате деятельности человека. Естественная динамика климатических процессов в последние десятилетия несколько усложнена и проявилась в виде нынешнего потепления вследствие наложения друг на друга трёх циклов потепления климата: 320, 170 и 75 лет. Именно их суммарный эффект и проявился так отчётливо.

В то же время никто не отрицает многочисленные деформации и разрушения разнообразных техногенных объектов Севера. Совершенно очевидно, что виновником этих бедствий главным образом является человек, а не «коварная, тающая от избытка парниковых газов мерзлота». Но и в таких сложных природных и геотехнических условиях можно поддерживать инженерные объекты в устойчивом состоянии. Для этого нужно владеть полной, достоверной и оперативной информацией о состоянии инженерных объектов, а также о причинах и масштабах их негативной трансформации. Это позволит своевременно осуществлять компенсационные мероприятия. Пока же, к сожалению, многие руководители игнорируют нормативные требования в отношении капитального ремонта промышленных и жилых зданий, а проведение текущих ремонтов считают пустой тратой средств. Но мнение специалистов однозначно: текущий ремонт является условием сохранения технологической устойчивости строения, предотвращения его досрочного износа и соблюдения нормативного срока эксплуатации.

Сопоставляя изложенные точки зрения, легко заметить, что, диаметрально расходясь в причинах потепления, большинство учёных единодушны в оценке его последствий. Основываясь на фундаментальных законах климатологии, физики, геологии, других естественных наук, они отмечают, что все процессы, включающие фазовые переходы воды, требуют огромного количества энергии, а деградация мерзлоты происходит медленно, постепенно и даже при среднегодовой температуре ММП свыше 2 °С необходимо около 500 лет, чтобы мёрзлая толща значительной мощности разрушилась полностью. Этого времени более чем достаточно, чтобы принять необходимые меры и провести компенсационные мероприятия.

Важным должно стать общее признание факта, что перспективы северных регионов в значительной степени усложняются кризисным состоянием многих геотехнических объектов, связанным не с изменением климата (как это совершенно ошибочно преподносится в последнее время), а с деградацией мёрзлых грунтов оснований и деструкцией несущих конструкций, вызванных неудовлетворительными проектированием, строительством и эксплуатацией. Не следует упускать из вида, что климатические особенности во многом определяют условия развития территории, следовательно, являются важнейшим фактором, определяющим как возможность вовлечения регионов в широкомасштабное развитие, так и исключение их из числа перспективных.

 

Рис. 1. Изменение среднегодовой температуры воздуха в Якутске. 
-------- 10-летняя скользящая средняя.

Рис. 2. Изменчивость среднегодовой (а), среднезимней (б) и среднелетней (в) температуры воздуха в Якутске за 1966-2008 гг.

 

Таблица 1. Среднемесячная и среднегодовая температура воздуха за различные периоды, °С

Таблица 2. Приращения температуры воздуха в Якутске, °С

Таблица 3. Среднее количество осадков за различные периоды, мм

  

 

Рис. 3. Изменчивость максимальной среднедекадной высоты снежного покрова в Якутске.

Рис. 4. Нарушение устойчивого состояния опор электрических сетей. Фото П.С. Заболотника.

Рис. 5. Разрушение льдистых мерзлых берегов на побережье моря Лаптевых. Фото М.Н. Григорьева.

Рис. 6. Разрушение льдистых мёрзлых берегов и навигационных знаков на побережье моря Лаптевых. Фото М.Н. Григорьева.

Таблица 4. Современные изменения температуры многолетнемёрзлых пород (ММП) по данным измерений

 

 Скачать статью в pdf-формате