Вечная мерзлота

Изучение вечной мерзлоты

Южная граница вечной мерзлоты Евразии по Карлу Эрнсту фон Бэру (1843) и другим авторам.

В отличие от сравнительно небольшого количества сообщений о мерзлых грунтах в Северной Америке до Второй мировой войны, обширная литература по фундаментальным наукам о вечной мерзлоте и инженерным аспектам вечной мерзлоты была доступна на русском языке. Некоторые российские авторы связывают исследования вечной мерзлоты с именем Александра фон Миддендорфа (1815–1894). Однако российские ученые также осознали, что Карлу Эрнсту фон Бэру необходимо присвоить атрибут «основоположник научных исследований вечной мерзлоты». В 1843 году первоначальное исследование Бэра «Материалы для изучения многолетнего грунтового льда» было готово к печати. Подробное исследование Бэра состоит из 218 страниц и было написано на немецком языке, поскольку он был ученым из балтийских немцев. Он преподавал в университетах Калининграда и стал членом Петербургской Академии наук . Этот первый в мире учебник по вечной мерзлоте был задуман как законченное произведение и был готов к печати в 1843 году. Но он оставался утерянным около 150 лет. Однако с 1838 года Баер опубликовал несколько отдельных публикаций о вечной мерзлоте. Россия Академия наук заслуженного Бэр с публикацией предварительного перевода на русском языке его исследования в 1942 году.

Эти факты были полностью забыты после Второй мировой войны . Таким образом , в 2001 году открытие машинописи с 1843 в библиотеке архива в университете Гессена и его аннотированный публикации была научной сенсацией. Полный текст оригинальной работы Бэра доступен в Интернете (234 страницы). Редактор добавил к факсимильному репринту предисловие на английском языке, две цветные карты вечной мерзлоты Евразии и несколько рисунков особенностей вечной мерзлоты. Текст Бэра представлен с подробными комментариями и ссылками на дополнительных 66 страницах, написанными эстонским историком Эрки Таммиксааром . Работу интересно читать, потому что как наблюдения Бэра о распространении вечной мерзлоты, так и его морфологические описания перигляциальных отложений в значительной степени верны и сегодня. Собрав и проанализировав все доступные данные о грунтовых льдах и вечной мерзлоте, Баер заложил основы современной терминологии, связанной с вечной мерзлотой. Южная граница Бэра мерзлоты в Евразии втягивается 1843 соответствует хорошо с фактической южной границы на КБЖД-Арктическом Карта мерзлотоведения и наземных ледовых условий в Международной ассоциации мерзлотоведения ( под редакцией Дж Браун и др.).

Начиная с 1942 года Симон Уильям Мюллер изучал соответствующую русскую литературу, хранящуюся в Библиотеке Конгресса и Библиотеке геологической службы США, чтобы к 1943 году он смог предоставить правительству руководство по инженерным работам и технический отчет о вечной мерзлоте. в котором он ввел термин как сжатие постоянно мерзлого грунта. Первоначально он был классифицирован (как Армия США. Управление начальника инженеров, Стратегическое инженерное исследование , № 62, 1943 г.), но в 1947 г. был опубликован пересмотренный отчет, который считается первым североамериканским трактатом по этому вопросу.

Описание

Внутренние воды России представлены не только скоплениями жидкой воды, но и воды в твердом состоянии, образующей современное покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин «вечная мерзлота»).

Распространение многолетней мерзлоты по территории России

Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000…-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

Горные породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Скопления воды в многолетнемерзлых породах образуют линзы, клинья, прослои и прожилки льда, т.е. в состав вечной мерзлоты входят и подземные льды. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта.

Многолетняя мерзлота — необычное явление природы, на которое обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. О ней упоминал в своих работах В.Н

Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я.

Хозяйственная деятельность на многолетней мерзлоте

К основным видам хозяйственной деятельности в условиях многолетней мерзлоты можно считать оленеводство, пушной промысел, рыболовство, чуть менее распространено коневодство. Равнинная и горная тундра – это отличные пастбища для оленей, а для крупного рогатого скота подходят луга в долинах рек. Это отличная кормовая база.

С точки зрения добычи природных ископаемых, это своеобразная кладовая природы. Здесь присутствуют уголь, алмазы, газ, никель, золото, медь, олово. К тому же добыча упрощается тем, что мерзлота является прекрасным крепежным материалом при организации шахт.

Вечная мерзлота используется людьми как природный холодильник. В ней сохраняются ягоды, рыба, мясо, фрукты.

Земледелие на вечномерзлом грунте затруднительно, но возможно, оно несет с собой массу трудностей. Распаханная земля более темная, она притягивает тепло, грунт оттаивает, местность покрывается болотами, которые приходится осушать. Но люди постепенно осваивают земли Восточной Сибири, хотя грунт никогда не прогревается, корневая система растений слабая, но при этом людям удается выращивать некоторые овощи и даже овес. С точки зрения плодородия тоже не все гладко. Из-за низких температур почвенный покров образуется очень медленно, гумус практически отсутствует.

Строить можно и на Луне

Как считает заведующий кафедрой проектирования зданий и
экспертизы недвижимости Инженерно-строительного института СФУ Рашит Назиров,
сам факт разрушения городов – сценарий нереальный. Это просто не будет
допущено, если существование таких городов будет необходимым.

«Нужно вести мониторинг и вовремя предпринимать меры. Это и
делается в настоящее время. Техническая безопасность обеспечивается путем
применения уже имеющихся знаний и технологий, которые привязываются к
конкретному объекту», — сказал ученый.

По его словам, объемы затрат на профилактические мероприятия
должны определяться общественной целесообразностью.

«Старые здания в Норильске, построенные более 50-70 лет
назад, морально и физически устарели, не удовлетворяют современным
строительным и санитарным нормам и, скорее всего, их постепенно нужно выводить
из эксплуатации или просто сносить. В проектных решениях новых зданий
следует учитывать глобальные процессы изменения климата, и в том числе, динамику
растепления грунта», — считает Назиров.

Он отметил, что термин «эвакуация» для данного вопроса
неприменим, так как одно дело строить металлургический завод, другое – жилое
здание.

«Построить здание можно везде и даже на Луне, но есть ли в
этом потребность? Будет ли это целесообразным? Решение должно приниматься с
учетом конкретных обстоятельств. Вряд ли кто-нибудь постоянно захочет жить там,
где полгода ночь и десять месяцев зима. Это противоречит человеческой природе
за исключением, может быть, северных народностей», — сказал собеседник.

По его мнению, большинство норильчан вряд ли отказались бы переехать сами и воспитывать своих детей в местах, где солнце, море и тепло, если бы им была предоставлена такая возможность (жилье, работа, достойная зарплата).

Как сообщила пресс-служба Норильского городского совета
депутатов, массовая застройка Норильска осуществлялась в период с 1940-1950
годов и в период 1960-1990 годов. Период 1940-1950 годов ознаменован
строительством монументальных жилых зданий «сталинской планировки» с лепными
архитектурными элементами на фасадах. Более позднее строительство
характеризуется возведением так называемых «хрущевок» и многоэтажных типовых
домов.

Последний многоквартирных жилой дом сдан в эксплуатацию
после завершения строительства в 2002 году.
Первый малоэтажный дом из облегченных конструкций построен в 2012 году,
еще один – в 2015. В 2014 году сданы в эксплуатацию здания трех новых детских
дошкольных учреждений.

Практически все здания Норильска построены на вечномерзлых
грунтах по первому принципу.

«Применение данного принципа предусматривает использование
вечномерзлых грунтов в мерзлом состоянии, сохраняемом как в процессе
строительства, так и всего периода эксплуатации сооружения. Вечная мерзлота
имеет изменчивое состояние: летом почва оттаивает на определенную глубину,
зимой промерзает. Естественные, а также антропогенные факторы могут оказывать
значительное влияние на мерзлоту, а значит, и создавать угрозу несущей
способности зданий и сооружений», — сообщила пресс-служба.

С июля 2014 года в
Норильске под председательством главы города Олега Курилова действует
Консультативный совет по сохранению устойчивости зданий.

«В нашем городе постоянно проводятся работы по сохранению
устойчивости зданий и недопущению таяния вечномерзлых грунтов. Ежегодно мы
занимаемся усилением свай, ростверков, плит цокольного перекрытия,
восстановлением водоотводных лотков, устройством вентиляционных шахт и
водонепроницаемых покрытий подполий. Кроме того, своевременный ремонт
сантехнических коммуникаций – это тоже работа, направленная на недопущение
растепления грунтов», — отметила в ответе пресс-лужба совета депутатов.

Как сообщили власти, глава Норильска неоднократно заявлял о
необходимости привлечения федеральных властей к решению задач по сохранению
вечной мерзлоты и ее комплексному изучению – это масштабный и дорогостоящий
проект, что не позволяет реализовать его за счет средств местного бюджета.
Необходимо создать единую систему мониторинга многолетнемерзлых грунтов, что
позволит оценить состояние застроенных территорий российской Арктики с точки
зрения безопасности.

Изменение климата и его влияние

Ввиду явления, называемого глобальным потеплением, границы зон вечной мерзлоты смещаются в сторону севера. Это означает расширение пригодных для комфортной жизни и ведения сельского хозяйства территорий.

С другой стороны, это может повлечь за собой ряд проблем:

• Ледники и постоянно промёрзшие земли оказывают огромное влияние на климат, и их оттаивание приведёт к его изменению.
• В регионах вечной мерзлоты здания строятся с её учётом: твёрдый ледяной грунт играет роль фундамента, также есть иные строительные нюансы. Изменение твёрдости и прочности земли вследствие её оттаивания приведёт к разрушению таких строений, а предотвращение этого за счёт дополнительных укреплений может оказаться экономически невыгодным.
• Большинство карьеров для добычи полезных ископаемых окажутся небезопасными и оттого непригодными к работам.

Задания на школьный урок географии

Вечная мерзлота изучается в школах на уроках географии. Это входит в рамки курса 8 класса о климатических особенностях России.

После изучения учебника и дополнительных материалов можно предложить ученикам ответить на следующие вопросы и выполнить задания:

1. В каких частях России находится вечная мерзлота?
2. Объясните происхождение явления и причины его распространения в определённых районах.
3. Сделайте сообщение о жизни в населенных регионах в зоне вечной мерзлоты.
4. Напишите реферат на тему «Многолетняя мерзлота и ее влияние на экономику страны».
5. Назовите и укажите на карте регионы, занятые многолетними мёрзлыми породами.
6. Подготовьте доклад о том, как может уменьшиться или распространиться вечномёрзлая территория в зависимости от экологической обстановки.

Так, многолетняя мерзлота занимает значительную часть территорию России, что оказывает значительное влияние на экономику страны. Также описываемое явление играет важную роль в формировании климата всей планеты в целом и близлежащих стран в частности.

https://youtube.com/watch?v=OccnOJO69lY

Как образуется вечная мерзлота?

При довольно небольшой мощности покрова снега в условиях холодной длительной зимы горные породы теряют значительное количество тепла. Они промерзают на довольно большую глубину, превращаясь в мерзлую твердую массу. Они не успевают летом оттаять полностью. В течение сотен, а порой и тысяч лет могут сохраняться даже на небольшой глубине отрицательные температуры грунта. Способствуют этому большие запасы холода, накапливающиеся в зимний период в местах, среднегодовая температура которых является отрицательной. Например, в Северо-Восточной и Средней Сибири сумма всех отрицательных температур, наблюдающихся во время залегания снежного покрова, — от -3000 до -6000°С. А сумма активных температур летом составляет лишь +300 — +2000°С.

Оттаивание многолетней мерзлоты в России

Чем опасно оттаивание мерзлого грунта? Во-первых, это грозит образованием гигантских провалов, таких как Батагайский кратер в Якутии. Размеры его пугают не только обывателей, но даже ученые относятся к этому явлению настороженно. Такой провал в результате оттаивания вечной мерзлоты может случиться в любом месте и в любое время.

Во-вторых, в результате провалов, в атмосферу выходит природный газ метан, один из парниковых газов. Дело в том, что накопленные тысячелетиями органические вещества, законсервированные в природном холодильнике, начинают постепенно оттаивать под влиянием глобального потепления. Отсюда и природный газ. Чем больше выброс метана, тем выше средние показатели температуры на планете. Получается замкнутый круг.

Ухудшения состояние мерзлого грунта вредит не только природе, но и отражается на человеке. Например, в течение последних десяти лет в Норильске подверглись разрушению более 250 многоэтажных домов. Получается, что с одной стороны человечеством был сделан огромный шаг в сторону освоения многолетней мерзлоты. Люди стали жить, работать, учиться в таких условиях, в которых, казалось бы, жить невозможно. А с другой стороны, вмешательство в природу привело к деградации мерзлого грунта, что пошатнуло природный баланс. Спустя десятилетия человечество вынуждено наблюдать, что научные достижения рушатся как карточный домик.

Вечная мерзлота

Вечная мерзлота нигде так широко не распространена, как в пределах России. Больше половины территории страны сковано вечной мерзлотой.

Особо выделяется территория сплошной многолетней мерзлоты с мощностью слоя до 600—800 м. На этой территории самые низкие зимние температуры (например, устье Вилюя).

Условия возникновения многолетней мерзлоты:

1. Холодная и длинная зима

2. Маломощный снежный покров

Именно в этих условиях глубоко промерзают грунты.

Вечная мерзлота — реликт прошлого, она образовалась многие тысячелетия назад. Об этом свидетельствуют находки в мерзлом грунте остатков древних растений, туш животных, которые погибли в периоды похолоданий. Однако современные климатические условия поддерживают ее существование.

География распространения вечной мерзлоты

Наиболее сильно распространена вечная мерзлота в восточной части страны, но также присутствует и на севере европейской части.

Зоны Распространения вечной мерзлоты

1. Север Европейской части России

2. Север Западной Сибири

3. Полностью Восточная Сибирь

На севере Восточной Сибири многолетняя мерзлота имеет сплошное распространение. К югу в ней встречаются безмерзлотные участки — зона прерывистого расположения многолетней мерзлоты, а затем следует зона островного распространения вечной мерзлоты

Структура вечной мерзлоты

• Толщина мерзлотных слоев колеблется от нескольких метров на юге до нескольких сотен метров на севере

• Летом верхний тонкий слой почвы и грунта в районах многолетней мерзлоты оттаивает. Образующаяся при этом влага используется растениями. Благодаря этому в континентальных районах Восточной Сибири, где выпадает очень мало осадков, существует тайга.

Вечная мерзлота образует водонепроницаемый слой (вода не может просочиться через многомерные грунты). Поэтому реки в этих районах часто выходят из берегов даже после небольших дождей.

Еще последствия наличия водонепроницаемого слоя:

• Через малые реки приходится строить большие мосты.

• Летом верхние талые слои грунта оказываются наполненными водой. Вследствие этого в зоне многолетней мерзлоты широко распространены процессы заболачивания.

К каким последствиям может привести таяние вечной мерзлоты:

Разберем каждый пункт подробней:

1) Провалы грунта

Таяние вечной мерзлоты вызывает провалы грунта, а это приводит к образованию кратеров.

2) Высвобождение парниковых газов

• При таяние вечной мерзлоты происходит эмиссия парниковых газов, в основном метана

• Метан образуется при разложении органического вещества (отмершей растительности). Он является почти в 30 раз более сильным парниковым газом, чем CO2.

3) Разрушение зданий, трубопроводов и дорог, построенных на вечной мерзлоте.

• При таяние, вечна мерзлота превращается в жидкую массу, которая может привести к потере устойчивости зданий.

• Дороги, построенные на вечной мерзлоте могут размываться

• Дома на территории вечной мерзлоты строят на сваях, для территорий вечной мерзлоты это эффективно. Однако, когда начинается таяние грунтов, эти здания и дороги быстро теряют равновесие.

Как проявляется вечная мерзлота?

В северных районах, где грунт скован вечной мерзлотой, даже летом оттаивает только тонкий слой, не более 5-10 сантиметров. Вода, которая образуется после таяния зимних снегов, не может полностью впитаться в почву, поэтому верхний слой летом представляет собой полужидкую грязь.
Если оттаявшая почва расположена на склоне, то грязевой «язык» под действием силы тяжести нередко сползает по нему в низину. Рельеф тундры во многих местах изобилует такими следами грязевых оползней.

С окончанием лета ландшафт может измениться до неузнаваемости. Талая вода, заполнявшая трещины в скальных породах, замерзает (при этом ее объем увеличивается примерно на 10%) и разрывает породу. Это вызывает либо вспучивание, либо сдвиг грунта. Внешне такое место выглядит как холм в форме купола высотой около 30-50 метров, вершина которого расколота на несколько частей либо раскрошена.

Местные жители называют эти холмы словом «пинго». Их можно встретить не только в Сибири, но и в Канаде и Гренландии. На вершинах пинго нередко образуются небольшие кратеры, которые летом превращаются в неглубокие озерца.

Почвы районов многолетней мерзлоты

В почвах, расположенных в зоне длительной сезонной или постоянной мерзлоты, протекает комплекс своеобразных процессов, связанных с влиянием низких температур. Над мёрзлым слоем, который является водоупором, вследствие коагуляции органических веществ может происходить накопление гумуса, так называемая надмерзлотная регенерация гумуса, надмерзлотное оглеение даже при небольшом годовом количестве осадков. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мёрзлого слоя вызван целый ряд механических изменений в почвенном профиле, таких, как криотурбация — перемешивание почвенной массы под влиянием разницы температур, солифлюкция — сползание насыщенной водой почвенной массы со склонов по мёрзлому слою. Эти явления особенно широко распространены в тундровой зоне. С криогенными деформациями связывают характерный для тундр бугристо-западинный рельеф (чередование бугров пучения и термокарстовых западин), а также образование пятнистых тундр.

Под действием мороза происходит криогенное оструктурирование почвы. Отрицательные температуры способствуют переходу продуктов почвообразования в более конденсированные формы, и это резко замедляет их подвижность. Мерзлотной коагуляцией коллоидов обусловлено ожелезнение таёжных почв. С влиянием криогенных явлений некоторые исследователи связывают обогащение кремнекислотой средней части профиля подзолистых почв, рассматривая белесую присыпку как результат мерзлотной дифференциации плазмы почвы.

Изучение

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири

Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым

В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116,4 м. Шахта Шергина шла все время в мёрзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта. В 1840-х годах Александр Миддендорф измерил температуру до глубины 116 м. С этого времени вопрос о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не поднимался.

Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в 1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным (впервые сформулирован Петром Кропоткиным в 1874 году[источник не указан 708 дней]). Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий. Слово «мерзлота» при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения.

По длительности существования мерзлого состояния пород принято подразделять «родовое» понятие «мерзлые породы» на три видовых понятия:

• кратковременномёрзлые породы (часы, сутки),
• сезонномёрзлые породы (месяцы),
• многолетнемёрзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).

Между этими категориями могут быть промежуточные формы и взаимные переходы. Например, сезонномерзлая порода может не протаять в течение лета и просуществовать несколько лет. Такие формы мерзлой породы называются «перелетками».

Методы исследования

Для изучения мерзлотно-геологического строения районов многолетней мерзлоты обычно применяется комплекс исследований, включающий в себя:

• геокриологическое бурение;
• отбор и изучение свойств монолитов талых и мерзлых грунтов;
• лабораторные испытания грунтов;
• изучение газового состава;
• электромагнитные зондирования;
• математическое моделирование динамики мощности мерзлоты.