Прогноз мерзлотно-климатической перестройки на 2011-2030 гг

Западная Сибирь. Криолитозона Западной Сибири простирается примерно от широтного колена р. Оби (62°с. ш.) до северного берега полуострова Ямал (73°с. ш.) на протяжении около 1500 км. В ее пределах хорошо прослеживается широтная мерзлотная зональность, сочетающаяся с ландшафтной. С юга на север островная мерзлота в зонах средней и северной тайги сменяется массивно-островной в зоне северной тайги, прерывистой мерзлотой в зонах северной тайги и лесотундры, и сплошной мерзлотой в тундре на полуостровах Ямал, Таз и Гыдан. В соответствии с этим ММП с юга на север занимают все большие площади. На юге острова и массивы мерзлых пород встречены в торфах, далее к северу они наблюдаются и в суглинке, и примерно с широты 66 °C. ш. на самом севере тайги, в лесотундре. Далее в тундре мерзлота встречается либо на большей части территории (прерывистая мерзлота), либо на всей территории со сплошной мерзлотой в любых грунтах.

На обширной территории криолитозоны Западной Сибири повышение среднегодовой температуры воздуха за период 2011;2030 гг. весьма неравномерно. Оно минимально (на 0,2−0,7°С) на юге и западе, в т. ч. на Западе Ямала, и увеличивается к востоку до 2,8−3,6°С, особенно значительно на широтах 66−68°с. ш. Широтно-долготные температурные тенденции экстраполировались на среднегодовую температуру мерзлых пород. Одновременно учитывалось изменение значения температуры от состава грунтов и ландшафтной ситуации. В одинаковых климатических условиях минимальна температура в торфах, а максимальна в песках.

На период 2011;2030 гг. радикальных изменений в криоли гозонс нс прогнозируется. 11овышснис среднегодовой температуры мерзлых пород ожидается в пределах 0,1−2,0°С. Оно минимально в островах мерзлоты торфяников у южной границы и максимально в песках южной тундры полуостровов Ямал, Таз, Гыдан (68°с. ш.). В соответствии с теплофизическими свойствами торфяники являются наиболее инертными грунтами, а пески быстрее всего реагируют на климатические изменения, из-за чего мерзлые норды в торфяниках сохраняются вплоть до южной границы криолитозоны (62°с. ш.), а в песках — только в лесотундре (с 66 °C. ш.) и тундре.

Глубина сезонного протаивания, как и среднегодовая температура пород, определяется не только климатическими изменениями, но и ландшафтно-грунтовой ситуацией. За период 2011;2030 гг. протаиванис в торфе увеличится на 2−5 см, что представляет ощутимую величину только на крайнем севере. Это 15−20% современной мощности сезонноталого слоя. В суглинках с юга на север относительная глубина протаивания увели’чивается с 5−8 до 14−21%. Главная роль в увеличении принадлежит повышению среднегодовой температуры воздуха и сумме летних градусочасов (индекс протаивания). Наименьшие изменения должны быть в гидроморфных ландшафтах, наибольшие — в дренированных. В песках такая же тенденция, но, естественно, количественные показатели изменений больше. С юга на север глубина протаивания в пределах «песчаных» ландшафтов изменяется от 7−12 до 19−20%, т. е. чем больше современная глубина протаивания, тем меньше ее относительное увеличение. Причина — и климат, и ландшафт. К северу значительно уменьшается теплоизолирующее влияние напочвенных покровов, их мощности и термического сопротивления. В центральной части криолитозоны пески не всегда «скованы» мерзлотой. При потеплении таких ландшафтов возможно многолетнее протаиванис, отрыв кровли ММГ1 от поверхности земли, становится больше.

Потепление климата 2011;2030 гг. в криолитозоне в большей степени скажегся на состоянии мерзлых пород, их температуре и глубине сезонного протаивания в центральных и северных регионах. Это объясняется как климатическими изменениями, так и теплофизическими свойствами грунтов и напочвенных покровов.

Европейский Север. На Европейском Севере криолитозона занимает небольшую площадь от Кольского полуострова до Полярного Урала. Максимальная ее ширина по 56°в. д. около 300 км. Южная граница располагается примерно на 66 °C. ш. С запада на восток наблюдается значительное увеличение суровости ММП. До долготы 48 °C. ш. (восточная часть полуострова Канин) мерзлота островная с температурой около-0,5…-1°С. В Малоземельской и особенно в Болыпеземельской тундре мерзлотные условия становятся все более разнообразными. В Болыпеземельской тундре с юго-запада на северо-восток островные мерзлые породы последовательно сменяются прерывистыми и сплошными. Среднегодовая температура воздуха и сумма летних градусочасов закономерно нарастают с запада на восток.

Сложность оценки изменения среднегодовой температуры грунтов и глубины протаивания заключается в том, что на относительно коротких расстояниях происходит значительное изменение ландшафтных условий. На заданном одинаковом климатическом фоне в торфяниках она ниже, чем на минеральных фунтах. В тундре она равна -2,5°С, а повысится до -1,5°С. Здесь же в суглинках ее значение -1,3…- 1,5°С, прогнозируется -0,8…-1,0°С. В лесотундре и тайге температура торфов повышается до -0,11°С, а в суглинках не должна опуститься ниже -0,5°С.

Такое изменение температуры приведет к следующему. Сливающийся тип современной мерзлоты почти везде сохранится. Несливающаяся мерзлота возможна в Болыпеземельской тундре на долготах 54−58°в. д. в ландшафтах типичной тундры возвышенных холмистых водоразделов (абсолютные высоты до 230 м), сложенных песками, где напочвенные покровы сильно редуцированы. Прогнозное протаивание здесь равно 1,90−1,96 м. Максимальная современная глубина протаивания в данных ландшафтах не более 2 м. В будущем эго можег привести к увеличению дефляции песков на вершинах холмов и гряд, опустыниванию территории.

Прогноз мерзлотно-климатической перестройки за период 2046;2065 гг. основывается на той же методологии и методах расчета, которые использовались для современности и периода 2011; 2030 гг., но с необходимыми дополнениями. Расчет глубины сезонного протаивания? сделан для двух вариантов.

Первый вариант — для расчета? по сравнению с современностью меняются только климатические характеристики: среднегодовая температура воздуха и грунта и сумма летних градусочасов за 2046;2065 гг. Ландшафтно-грунтовая ситуация та же, что для современных условий. Второй вариант — предпринята попытка изменить характеристики напочвенных покровов. При заданном потеплении климата не исключено, что покровы, в том числе моховые, будут иметь большую биомассу и, следовательно, характеризоваться большими теплоизоляционными свойствами. Следствием могут быть, но крайней мере, два варианта влияния увеличения мощности мха и его термического сопротивления R: либо значительно меньшее увеличение? при потеплении, либо даже уменьшениее его под мощным мхом. Исследование современной реакции мерзлотных условий на климатическое потепление в работах В. Н. Конищева (2009) и Г. Г. Осадчей дают примеры явления. В гидроморфных ландшафтах с мощными мхами наблюдаются и новообразования мерзлых пород на юге криолитозоны, и уменьшение глубины сезонного протаивания. Расчеты дают аналогичные результаты. Назначение новых характеристик растительности, разумеется, весьма гипотетично и требует геоботанического анализа, но тенденция очевидна.

Потепление климата неизбежно ведет к формированию ландшафтов с большей продуктивностью биоты, оказывающей охлаждающее влияние на мерзлоту. Главный вопрос заключается в том, как быстро произойдут ландшафтные изменения. Поэтому задавалось относительно небольшое увеличение термического сопротивления растительности с учетом широтной зональности и секторности регионов.

Западная Сибирь. На современном южном пределе криолитозоны Западной Сибири к 2046;2065 гг. должны произойти радикальные изменения. Среднегодовая температура воздуха повысится столь значительно, что до 80°в. д. ее значения будут положительными. Это исключает существование мерзлоты в торфяниках и, вероятно, даже в варианте несливающихся мерзлых пород. На востоке Западной Сибири температура воздуха не ниже-1,4°С, что не способствует сохранению мерзлоты в большинстве заторфованных ландшафтов. В среднем температура воздуха повысится на 70−76%, а сумма летних градусочасов (индекс протаивания Q) на 12−14%. Данные соотношения дают возможность предположить, что «взнос» летнего периода в потепление меньше, чем зимнего, а значит, возможно сохранение редких островов мерзлоты в торфе даже на фоне высокой отрицательной температуры воздуха. Со;

временная расчетная величина ?, составляет 0,79−0,84 м, прогнозная при неизменных ландшафтных условиях — 0,87−0,89 м (на 5−10% больше), а при увеличении теплоизолирующих свойств мха она меньше современной на 1−6%, т. е. равна 0,78−0,79 м.

Основным выводом по югу криолитозоны является следующее наложение. До 80° в. д. граница криолитозоны к 2065 г. сдвинется на север. Восточнее сохранятся отдельные редкие острова мерзлоты на торфяниках, возможно, залесенных. Однако к последней трети XXI в. будет широко распространена так называемая несливающаяся мерзлота. Для ее полного исчезновения потребуется время, так как мерзлые грунты (торф, озерные суглинки) очень льдисты и в тепловом отношении инертны. И хотя мощность мерзлых пород невелика (не более 10−12 м), сохранение их в разрезе возможно.

На крайнем Севере, на широтах 70 и 72 °C. ш. располагаются полуострова Ямал, Таз и Гыдан. Палеогешрафическая история формирования отложений и рельефа определяет специфику современной ландшафтной ситуации. Центральные возвышенные части полуостровов сложены менее влажными уплотненными грунтами, на которых мощность напочвенных покровов меньше, в соответствии с чем их теплоизоляционные свойства хуже. В прибрежных частях полуостровов ландшафты заболочены, грунты моложе. Это преимущественно позднеилейстоценовые и голоценовые морские образования. Все полуострова располагаются в тундре, подзоны которой меняются or южной до аркгической тундры, в соогветствии с чем теплоизоляционные свойства растительности уменьшаются. Мощность мха сокращается до 3−5 см.

Здесь должно сохраниться сплошное распространение мерзлых пород во всех ландшафтах и грунтах, за исключением восточной окраины (84 и 86°в. д.), где расчетные глубины протаивания в суглинках и песках значительно больше естественных глубин на 70 и 72° с. ш. для сливающейся мерзлоты. Следует отметить, что географически территории находятся вне Западной Сибири. Это приенисейская и заенисейская тундра, где возможно образование несливающейся мерзлоты в определенных ландшафтах.

Повышение температуры воздуха равно-1.9…-4.2°С. Сейчас современная температура меняется в пределах-7.7…-10.6°С, а будет-5.8…-7.0°С. Летние теплозапасы возрастут на 22−46% и составят более 20 000 на западе и 34 000 град, час на востоке.

Пески. В них глубина протаивания увеличится и при малой мощности мха (5 см), и при ее увеличении (10 см) более, чем на 17%. В абсолютных цифрах соответственно 1,4−1,86 м и 1,2−1,57 м. Как и в прогнозе на 2011;2030 гг. нарастание глубины протаивания идет с запада на восток в соответствии с увеличением летних теплозапасов, наложенных, кроме того, на широкое распространение возвышенных, дренированных ландшафтов, сложенных песками.

Суглинки. В центральной части Ямала (около 70° в. д.) и на Гыдане (76−80° в. д.), на более высоких отметках современная мощность мха 0,07 м, прогнозная 0,1 м. На прибрежных низменностях западного и восточного побережья Ямала и Гыдана и приенисейской равнине мощность мха предположительно увеличится до 0,15−0,17 м (современная мощность 0,1 м). Территории могут быть заняты преимущественно южной кустарниковой тундрой. Сейчас здесь типичная тундра. Расчеты показывают, что при неизменном напочвенном покрове протаивание составит 0,98−1,19 м (современная — 0,67−0,91 м). На 84 и 86° в. д. произойдет отрыв кровли мерзлоты от поверхности и переход мерзлых пород в несливающийся тип. При более мощном моховом покрове будет наблюдаться эффект уменьшения ?, на 3−20 см. Глубина протаивания составит 0,54−0,72 м.

Торф. В торфе повсеместно сохранятся мерзлые породы сливающегося типа. Глубина протаивания увеличится при неизменном и измененном моховом покрове. По прогнозу мощность мха увеличится в среднем на 2 см, т. е. существенно меньше, чем в ландшафтах на суглинистом субстрате, что связано с большей «ландшафтной инерцией» наиболее холодных, заторфованных природных комплексов. Глубины нрогаивания соответственно при неизмененных и измененных моховых покровах увеличатся на 0,14−0,21 м.

На 72° с. ш. располагаются арктические тундры. Это самый север прибрежной части полуостровов Ямал и Гыдан. Климат крайнего севера сглаживает ландшафтную дифференциацию территории. В целом все ландшафты гидроморфны. Среднегодовая температура грунтов мало изменчива в пространстве в соответствии с жестким климатом и относительной однородностью ландшафтных условий.

В прогнозном варианте возможно развитие кустариичковых типичных тундр, что может привести к большей пространственной дифференциации природных комплексов и мерзлотных характеристик. Здесь повсеместно сохраняется сливающаяся мерзлота, т. к. температура воздуха будет -7°С и ниже. Их повышение относительно современности составит 3,1−4,3°С. Летние теплозапасы возрастут на 30−50%. Сохранится тенденция увеличения континентальное™ климата к востоку и соответственно увеличение глубины протаивания в том же направлении. Например, в песках она возрастет на 0,38−0,45 м при сохранении современных напочвенных покровов и на 0,13−0,18 см при увеличении их мощности, а в торфе при неизменном покрове будет протаивать 0,31−0,39 м, что на 0,10−0,12 м больше современной с;. При увеличении мощности мха протаивание будет меньше современного на 2−3 см и изменяться в пределах 0,19−0,24 м.

Основные выводы.

• 1. Южная граница сливающейся мерзлоты будет располагаться севернее 62 °C. ш. на западе и в центре Западной Сибири. На крайнем востоке редкие оегрова сливающейся мерзлоты сохранятся в пределах торфяников. Следует подчеркнуть, что к концу 2046;2065 гг. вряд ли произойдет полное и повсеместное протаивание современных маломощных мерзлых торфяных грунтов. Глубина протаивания в определенных условиях может сократиться по сравнению с современной, ввиду увеличения теплоизолирующих свойств напочвенных покровов, мощность которых может увеличиться в связи с потеплением.
• 2. Севернее, на широтах 64−66° с. ш. в суглинках и 64−68° с. ш. в песках должно произойти глубокое протаивание и формирование нссливающихся мерзлых пород. Сливающаяся мерзлота сохранится только в торфе.
• 3. При несущественном изменении напочвенных покровов глубина прогаивания в торфе и суглинках увеличится в среднем на 20−50%. Если предположить, что на данном этапе развития природы напочвенные покровы станут более мощными, их теплоизоляционные свойства возрастут, то возможно уменьшение протаивания на 10−30%. Такая ситуация неизбежна, если не повсеместно, то локально, где будуг создаваться благоприятные экологические условия.
• 4. С юга на север повышение среднегодовой температуры воздуха по отношению к современной уменьшается. На 62 °C. ш. оно может быть более 70%, на 72° с. ш. — нс более 30%. Изменение суммы градусочасов ?2 противоположно. Увеличение ее на юге (62° с. ш.) на 12−14%, на севере (72° с. ш.) — до 50%. Это важно для формирования мерзлотных условий. Среднегодовая температура грунтов относительно все меньше изменяется в северном направлении, глубина протаивания, напротив, менее стабильна в том же направлении. При относительном постоянстве напочвенных покровов в песках глубина протаивания увеличится в среднем на 30% на 68° с. ш. и на 50% - на 72° с. ш.; в суглинках на 15% на 66° с. ш. и на 40% - на 72° с. ш.; в торфе на 5% на 64° с. ш. и на 35% - на 72 °C. ш. Подтверждается современная тенденция более радикального изменения глубины протаивания в песках, в суглинках и меньше всего в торфе.
• 5. Широкое развитие нссливающихся мерзлых пород на 64−66° с. ш. может представлять большие сложности при принятии инженерных решений, в том числе из-за неопределенности положения кровли мерзлоты.

Европейский Север. Современная криолитозона Европейского Севера значительно менее сурова, чем западносибирская. Прогнозируемое потепление приводит к более радикальным изменениям площади распространения мерзлых пород, их температуры, глубины протаивания, положения кровли мерзлоты в разрезе.

На 66° с. ш. можно предположить господство ссвсротасжных ландшафтов, которые сменят фрагменты лесотундры и южной тундры. Среднегодовая температура воздуха по сравнению с современной повысится на 3,3−3,5°С. Это означает, что в западном секторе современной криолитозоны она станет выше 0 °C, что исключает существование мерзлоты. В современных условиях мощность мерзлых пород здесь невелика, из-за чего следует ожидать полное их протаивание. Редкие острова мерзлоты могут сохраниться лишь в интервале долгот 52−60°в. д., в Малозсмсльской и на западе Большеземельской тундр. Восточнее возможно более широкое распространение островной мерзлоты.

Увеличение летних тсплозапасов ?2 на 14−17% по сравнению с современными приведет к более глубокому протаиванию, до 0,58−0,63 м, что на 0,02−0,07 м больше современного. Однако, если мощность мха и его теплоизоляционные свойства возрастут, то глубина протаивания сократится на 0,1−0,18 м по отношению к современной По полевым наблюдениям Г. Г. Осадчей (2008), новообразование мерзлых пород, существующих не менее десяти лет, отмечено в современной северной тайге, хотя мощность их может не превышать 2 м.

Таким образом, по 66 °C. ш. граница криолитозоны отступит к востоку. Если сейчас мерзлота фиксируется на Кольском полуострове, то ее западная граница по прогнозам будет располагаться на 52° в. д., вдоль долины р. Печоры. Южная граница криолитозоны сохранит свое положение, но мерзлотная ситуация вдоль нее будет мягче. Мерзлые породы сохранятся в редких островах в ландшафтах замшенной, заболоченной еловой тайги. В ряде современных массивов мерзлоты, сложенных торфом и льдистыми озерными суглинками, произойдет глубокое многолетнее протаивание (более 1,5−2,0 м) и сформируется несливающаяся мерзлота.

На 68° с. ш. современное сплошное и прерывистое распространение мерзлых пород сменится прерывистым. Пески протают на большую глубину. Талики на западе, вдоль арктического побережья, могут быть сквозными, ближе к Пай-Хою — несквозными с образованием нссливающсйся мерзлоты.

Повышение среднегодовой температуры воздуха ожидается в пределах 1,5−3,8°С, увеличение летних теплозапасов на 14−20%. На этом фоне глубина протаивания в торфе увеличится при сохранении современных характеристик напочвенных покровов и будет равна 0,55−0,66 м. Вдоль северной окраины Болынеземельской тундры увеличение Ъ, с ростом мощности мха до 0,15 м ожидается до 0,53−0,60 м, на 0,04−0,07 м больше, чем сейчас.

В суглинках мерзлота сохранится только в Болынеземельской тундре. Глубина сезонного протаивания составит 1,25−1,49 м при сохранении типа напочвенных покровов и 1,1−1,33 м при их изменении.

Основные выводы.

• 1. В конце XXI в. криолитозона на Европейском Севере сократится за счет ее современной западной окраины. Западнее долины р. Печоры мерзлые торфяники протают, очевидно, полностью. Редкие их острова сохранятся только на самом севере п-ова Канин.
• 2. В сохранившейся криолитозоне Европейского Севера изменится тип распространения мерзлых пород. В северной тайге (66° с. ш.) редкие острова сливающейся мерзлоты в торфе сохранятся к востоку от Тиманского кряжа. Севернее на 68° с. ш. торфяники повсеместно останутся мерзлыми, но их среднегодовая температура повысится до-0,5…-2°С. Наиболее суровая мерзлота в торфе будет на крайнем северо-востоке, ближе к Пай-Хою.
• 3. Глубина протаивания в торфе в целом увеличится на 5−15%. Однако из-за увеличения мощности и термического сопротивления мха в некоторых ландшафтах она может сократиться на 15−20%. Ситуация ожидаема в северной тайге по 66° с. ш., где и в современных условиях отмечен подобный феномен.
• 4. Мерзлые породы, сложенные песками, в результате многолегнего прогаиваиия станут несливающимися. В суглинках возможно сохранение сливающегося сс типа. Глубина сезонного протаивания суглинистых пород увеличится на 13−19% при сохранении современного облика растительности на 1−5% при увеличении мощности мха.

В целом проблема изменения мерзлоты весьма актуальна. К настоящему времени опубликовано множество статей, монографий, проведен ряд международных и российских конференций, посвященных изменению криолитозоны в связи с глобальными изменениями климата. Более 15 лет осуществляются международная программа по циркумполярному мониторингу деятельного слоя (CALM) и международный проект по термическому состоянию вечной мерзлоты (TSP), в них участвуют практически все страны, на территории которых наблюдаются явления многолетнего, сезонного и даже кратковременного промерзания почвы и верхних слоев литосферы. Следует еще раз отметить, что мерзлотоведами уже давно установлено, что климатические факторы являются далеко не единственными в формировании таких важнейших характеристик, как среднегодовая температура / мерзлой толщи, мощность слоя сезонного оттаивания и др.

Оценка реакции криолитозоны на современные и прогнозируемые изменения климата недостаточно учитывает специфику теплообмена толщи многолетней мерзлоты с внешней средой. Все внешние, в том числе и климатические, воздействия на мерзлые толщи осуществляются не непосредственно, как это происходит на поверхности ледников, а через систему покровов (растительных, почвенных, грунтов деятельного слоя), т. е. через ландшафт и его компоненты.

Изменение условий на поверхности, сопровождающее потепление или похолодание, может сильно трансформировать направленность мерзлотного процесса. В одних ландшафтных условиях они будут действовать в том же направлении, что и климатический тренд, усиливая его действие, в других — в противоположном, ослабляя его.

Несмотря на то, что сложный и неоднозначный характер взаимосвязей климатических и мерзлотных характеристик в мерзлотоведении уже давно установлен, в современной литературе до сих пор обнаруживаются элементы упрощенного подхода при анализе термических и других характеристик мерзлых толщ и климатических параметров.

Положительный тренд, т. е. непосредственная реакция на потепление климата наблюдается в автономных или близких к ним природных комплексах. Отрицательный тренд отмечается в подчиненных природных комплексах субаквального или супсраквального типа — пойменном, низкотеррасовом, мелкодолинном, межгрядово-низинном (Конищев, 2012).

Реакция вечной мерзлоты на потепление климата принципиально отличается в различных температурных и криолитологических типах криолитозоны. В пределах распространения островной и массивно-островной мерзлоты, представленной преимущественно торфяниками, отклик мерзлоты проявляется не так, как на территории с прерывистой мерзлотой, на междуречьях с минеральными грунтами.