Многолетняя мерзлота — условия образования, распространение и влияние на жизнь человека

География распространения

Многолетняя мерзлота (иногда ее называют вечной) — это явление, характерное для полярных и приполярных регионов, находящихся около Южного и Северного полюсов. Оно встречается и в других районах планеты, иногда даже в экваториальных широтах, доказательством чего служат покрытые льдом и снегом горные вершины. Наибольшие массивы зафиксированы в Антарктиде, Гренландии, на Аляске, а также в северных частях Евразии и Канады.

В России многолетняя мерзлота покрывает 2/3 всей территории, что соответствует 11 миллионам км2. Глубина промерзания почвенного слоя зависит от района и климатических условий и варьируется от полуметра до километра. Максимальная толщина ледяного грунта составляет 1375 м, эти зоны находятся в Якутии и окрестностях реки Вилюй.

Промерзлые участки иногда называют подземным оледенением (криолитозона), они встречаются даже под водой, например, в шельфах морей, расположенных в акватории Северного Ледовитого океана. На самые глубокие слои не влияют даже сезонные температурные колебания. Так, в Сибири и некоторых районах Крайнего Севера почва представляет собой огромный ледяной монолит.

Глядя на карту России, можно увидеть, что границы мерзлотных территорий простираются от Кольского полуострова, проходят немного севернее Архангельска, движутся к юго-востоку, к рубежам Монголии. Далее линия промерзшего грунта отходит к Охотскому морю, огибая Камчатку и Приморский край. Ученые выделяют несколько зон распространения многолетней мерзлоты:

• сплошная (Западно-Сибирская равнина, Среднесибирское плоскогорье, центральная Якутия);
• островная (южная зона Забайкалья и Прибайкалье).

Образование на планете многолетней мерзлоты объясняют несколькими причинами. Сформировалась она еще в четвертичный период развития земли. В районах, где преобладал сухой и морозный климат, ледяной наземный покров практически отсутствовал или был незначительным, поэтому там произошло глубинное промерзание. Кроме того, в течение нескольких тысячелетий залегающие в недрах планеты породы пропитывались влагой, которая под воздействием отрицательных температур превратилась в ледяные прожилки, клинья, линзы и целые слои.

Хозяйственная деятельность

Для того чтобы иметь возможность освоить холодные регионы и понять, какими работами там можно заниматься, необходимо владеть полной информацией о них. Ученые не прекращают наблюдения и исследования, пытаются объяснить не только причины происхождения необычного явления, но и его последствия для планеты.

Глубоко промерзшие почвы, лишенные всякой подвижности пластов, удобны для разработки месторождений различных полезных ископаемых. При этом используется так называемый открытый карьерный способ. Стенки такого котлована скованы мерзлотой, они не разрушаются и не осыпаются, что позволяет организовать эффективный рабочий процесс.

Благодаря непрекращающейся исследовательской работе, ученые представляют выводы и сообщения:

• о возможности строительства в промерзлых регионах зданий и сооружений различного назначения;
• о наличии подходящих мест для добычи полезных ископаемых;
• о результатах геологоразведки.

В последние десятилетия площадь обледеневшей почвы заметно сокращается, что можно увидеть и по картинкам, полученным из космоса. Территории стали отодвигаться к северу, это связано с началом глобального потепления. Специалисты прогнозируют, что примерно через полвека дальнейший рост температурных показателей освободит ото льда огромные площади. Они станут полностью пригодными для проведения сельскохозяйственных работ.

Однако не поддающееся контролю таяние многолетней мерзлоты может спровоцировать ряд проблем, которые осложнят любую деятельность человека в тех регионах.

На первый взгляд может показаться, что такой грунт — это прочнейшее основание для любых построек. Однако когда верхние слои земли начнут оттаивать, они станут подвижными и рыхлыми, в результате чего возведенные сооружения трескаются, перекашиваются или вовсе разрушаются. Чтобы не допускать деформации, здания устанавливают на сваи, а между их основанием и грунтом прокладывают охлаждающие трубопроводы.

Из-за мерзлотных процессов осложняется строительство мостов, тоннелей, дорог. Российским специалистам удалось стабилизировать почвенную температуру с применением особой технологии: они используют парожидкостные термосифоны — заполненные замороженной двуокисью углерода трубы.

https://youtube.com/watch?v=DKnX-55NRgs

История происхождения

Определение многолетней мерзлоты включает в себя верхнюю часть земной коры (многолетне — мёрзлые породы), которая находится в замёрзшем состоянии при температуре ниже 0 градусов не менее двух лет. Область подземного оледенения ещё называют криолитозоной без периодического оттаивания. Ранее для её обозначения использовался термин «вечная мерзлота».

Условием образования многолетней мерзлоты может быть любой климат, где среднегодовая температура воздуха ниже точки замерзания воды. Бо́льшая часть криолитозоны, существующей сегодня, сформировалась во время холодных ледниковых периодов и сохранилась в течение более тёплых межледниковых периодов, включая голоцен.

Голоцен — это геологическая эпоха, которая началась приблизительно 11 700 лет назад. Некоторая относительно неглубокая мерзлота, от 30 до 70 метров, сформировалась во второй части голоцена (последние 6 тыс. лет), а другая часть во время Малого ледникового периода (от 400 до 150 лет назад).

Последнее максимальное промерзание почвы было 18 000−20 000 лет назад во время последнего ледникового периода. В то время вся северная территория Франции была криолитозоной, а уровень моря находился ниже на 120 метров.

Минимальное замерзание датируется 6 тыс. лет назад во время атлантической фазы, известной как климатический оптимум голоцена. С тех пор, кроме потепления, во время средневекового климатического оптимума, до Малого ледникового периода, лето в северном полушарии похолодало, что привело к тенденции территориального расширения криолитозоны.

Криолитозона занимала гораздо большую площадь в четвертичные ледниковые периоды. На не глубоких участках она сформировались относительно быстро, первые 100 метров почвы могли замёрзнуть всего за несколько сотен лет. Например, за 350 лет холодной погоды почва может замёрзнуть на глубину до 80 метров, но для замерзания до глубины около 220 метров требуется в десять раз больше времени. По оценкам учёных, потребовалось более полумиллиона лет, чтобы мерзлота могла сформироваться под поверхностью почвы на Аляске.

Динамика тундровых ландшафтов

Тундровые ландшафты считаются крайне ранимыми, чувствительными к любым нарушениям (как техногенным, так и природным) и медленно восстанавливающимися. Несмотря на кажущуюся однородность тундры, которая представляется сторонним наблюдателям сочетанием болот и кустарников и полным отсутствием леса, тундровые ландшафты весьма неоднородны. И особенно это характерно как раз для Центрального Ямала, отличающегося расчлененным рельефом, разнообразным составом пород и их сложным криогенным строением (формами включений льда в мерзлую породу). Неоднородность внутреннего геологического и криогенного строения приводит к неоднородности почвенного и растительного покровов. Активно развивающиеся в естественных и техногенно нарушенных условиях криогенные процессы существенно преображают во времени облик тундры, который для разных ландшафтов меняется в разной степени и даже в разном направлении. Например, на фоне преобладания процессов деградации мерзлоты наблюдается также ее новообразование.

На Центральном Ямале близко (и не очень) к поверхности залегают так называемые пластовые льды большой мощности (от нескольких до двух-трех десятков метров) и протяженности (от сотен метров до километров). Весьма распространены также сильнольдистые горные породы, в которых до 80% объема составляет лед (рис. 1, 2). Именно высокое содержание льда у поверхности вызывает наибольшие риски в условиях климатического потепления. Таяние подземных льдов приводит к образованию отрицательных форм рельефа. Наблюдается коренное преобразование ландшафта: изменяются увлажнение, состав и структура слагающих пород, происходит смена растительных ассоциаций и мерзлотных условий (льдистости, температуры пород и глубины сезонного протаивания).

Если рассматривать только повышение температуры воздуха — ведущий современный фактор, приводящий к изменению тундрового ландшафта, — то необходимо учитывать, что повышение температуры многолетнемерзлых пород (переход ее через 0°С означает деградацию мерзлоты) отстает от повышения температуры воздуха. Такое отставание определяется отсутствием однозначной линейной зависимости между этими параметрами. Снижение мощности снежного покрова и утолщение почвенного и напочвенного растительного покровов в отдельные годы снижает температуру пород, а в целом уменьшает воздействие потепления климата.

Возможно, еще более важна зависимость глубины сезонного протаивания от динамики климата. Именно увеличение глубины протаивания приводит к вытаиванию подземного льда и формированию принципиально новых ландшафтов. Основное влияние на глубину сезонного протаивания оказывает летняя температура воздуха. Говоря же о потеплении климата, учитывают и зимние температуры, повышение которых зачастую более значительно, чем летних

И, что не менее важно, утолщение органогенного горизонта (мха, торфа, почвы), вызванное потеплением [], снижает глубину сезонного протаивания, поскольку увеличивает слой теплоизоляции, ограничивая поступление тепла вглубь пород

Однако все вышесказанное не умаляет значения криогенных процессов в формировании новых тундровых мерзлотных ландшафтов, а лишь показывает их реальную роль и потенциальную опасность. Почему все же криогенные процессы активизируются в последние годы? Это можно объяснить тем, что на фоне общего повышения температуры пород и малой изменчивости глубины протаивания случаются годы экстремального потепления воздуха, при котором уже наблюдаются и более высокие температуры пород самых верхних горизонтов, и углубление сезонного протаивания, значительно превышающее средние значения. Нарастание бронирующего мерзлоту растительного покрова длится годами и десятилетиями, а тепловые экстремумы наблюдаются раз в несколько лет, и именно они находят слабые места на поверхности, где ландшафты наиболее чувствительны к изменениям.

Особенности мерзлых почв

Низкие температуры в условиях мерзлоты, носящей длительный сезонный или постоянный характер, естественно накладывают свой отпечаток на состояние местной почвы. В ней протекают своеобразные химико-биологические процессы. Один из примеров изображен на фото слева.

Над мёрзлым водоупорным слоем в процессе коагуляции (сгущения) органических веществ накапливается гумус. Причем его над-мерзлотная регенерация или так называемое над-мерзлотное оглеение сильно не зависят от милостей природы. Чтобы процесс пошел, достаточно небольшого количества годовых осадков.

Образуемые в земле шлиры (ледяные слои), разрывая водоносные капилляры,   перекрывают доступ влаги из верхних над-мерзлотных горизонтов к нижней корнеобитаемой среде. Все явления, происходящие в почве в условиях вечной мерзлоты, особенно характерны для тундровой зоны. В результате происходящих из-за наличия мерзлого слоя механических изменений в почве тундра приобрела свой особенный вид. Криогенные деформации в виде криотурбации (перемешивания под влиянием разницы температур почвенной массы) и солифлюкации (сползание почвенной массы, насыщенной водой, со склонов по мёрзлому слою) придали рельефу тундры волнообразные очертания, когда вспученные бугры чередуются с провалами термокарстовых западин. По той же причине образовались пятнистые тундры.

Минусовые температуры влияют и на  оструктурирование почвы, вызывая ее криогенный характер. Они заставляют продукты почвообразования переходить в более конденсированные состояния, при этом резко замедляя их подвижность. В результате мерзлотной коагуляции коллоидов происходит ожелезнение почв. По мнению некоторых исследователей криогенные явления также обогащают кремнекислотой среднюю часть профиля подзолистых почв. Эти ученые считают белесую присыпку результатом мерзлотной дифференциации плазмы почвы.

Положительная и отрицательная роль мерзлотных процессов

Мерзлотные процессы сильно препятствуют строительству, а также эксплуатации тоннелей, мостов, дорог и зданий. Мерзлые грунты приходится сохранять в природном состоянии. Сооружения с этой целью устанавливают на опоры, а затем прокладывают охлаждающие трубы. После этого в прорубленные скважины погружают сваи. Российские строители железных и автомобильных дорог с 1960 годов земные температуры стабилизировали применением так называемых парожидкостных термосифонов. Это металлические трубы, которые заполняются замороженной двуокисью углерода и вставляются затем вдоль дорог в землю так, чтобы один конец их был погружен в мерзлоту (при этом ниже ее активного слоя), а второй находился над ним в воздухе. От 1 до 5 °С уменьшает температуру природный теплообмен. При вытаивании больших залежей подземных льдов наблюдается существенная активизация склоновых процессов. Это также осложняет строительство. Нужно учитывать при освоении районов севера, что здесь природа очень ранима.

Однако мерзлота является и помощником человека, ведь в ней можно устраивать склады, которые будут служить огромными естественными холодильниками.

В природе нет ничего вечного?

Вообще говоря, называть мерзлоту вечной не совсем правильно с научной точки зрения. Сам термин «вечная мерзлота» появился только в 1920-х годах, но уже в 1950-х ученые решили, что в природе ничего вечного не бывает, и стали называть ее многолетней, объясняет гидролог из Института мерзлотоведения в Якутске Никита Тананаев. «Определили ее просто: это мерзлый грунт, который не оттаивает в течение двух и более лет». На самом деле, его верхний слой немного оттаивает летом – и тогда появляются очень интересные ландшафты.

Эти фотографии сделаны в окрестностях села Сырдах в Якутии. «Летняя» мерзлота выглядит как растаявшая шоколадка, которая стекает прямо в озеро.

Вечная мерзлота летом

Такое явление для Якутии не редкость. Здесь бывает жара более 30 градусов, и вечная мерзлота успевает разморозиться на два-три метра. Зимой все равно замерзнет обратно.

Бывают и такие районы, где под землей находится чистый лед, рассказывает Тананаев. «Эти места выглядят сверху как сеточка. На протяжении тысяч лет, зимой почва замерзала и уменьшалась в объеме, трескалась, а летом заполнялась водой, постепенно прорастая в землю узкими ледяными жилами на десятки метров в глубину. Так образуются полигональные тундры». Размеры таких полигонов небольшие, метров до 40. Их довольно много и в Якутии, и на Таймыре, и на Чукотке.

Тундра в Красноярском крае

Чистый лед – это не только полигоны. Ещё есть пластовые льды – это когда не жилы ледяные, а сплошная стена льда по берегам.

Еще эпичнее выглядят летние льды на поверхности земли: самая известная такая наледь Булуус находится в 100 км от Якутска. Только представьте: плюс 30, яркое солнце, а вы в самом настоящем царстве льда.

На Булуусе в жаркий день

Чаще всего такое природное явление можно увидеть в горах, где подземные воды, поднимаясь на поверхность по трещинам, образуют зимой наледи на реках – и они практически не тают. Самая большая в мире, Большая Момская наледь, находится в Якутии.

Мерзлотоведы изучают Большую Момскую наледь, 1973

Это ледовое поле протяженностью 26 км! Толщина льда может быть до 5-6 метров, а сверху по нему течет вода и прожигает небольшие русла. От воды лед становится ярко-голубого цвета. Летом он подтаивает, но следующей зимой образуется новый. И таких наледей в Якутии просто гигантское количество: каждую зиму в них замерзает более 50 кубических километров воды.

Заготовка воды в поселке Оймякон, 1971

Из речных льдов, кстати, до сих пор делают запасы пресной воды, ведь копать колодцы в вечной мерзлоте, прямо скажем, затея сомнительная.

Заготовка льда в протоке реки Лены, 2018

Правда, был один энтузиаст, который решил все же это сделать. В начале 19 века руководитель Русско-Американской Компании, купец Федор Шергин, решил найти воду под слоем мерзлого грунта. В итоге остановились на 116 метрах – воду так и не нашли, а шахта Шергина стала использоваться в научных целях. В 1930-х годах шахту пробурили до 140 метров и отдали Институту мерзлотоведения. Теперь в этой шахте с помощью специальных датчиков изучают изменения температуры на разных глубинах мерзлоты.

Сотрудники Якутской научно-исследовательской станции Института мерзлотоведения проводят измерения температуры в шахте Шергина, 1973

Вечная мерзлота: от Арктики и Антарктики — до Африки

Ученые считают, что образовалась вечная мерзлота 1–2 млн лет назад. Произошло это в тех районах, где климат был сухим и морозным, а толщина наземного ледникового покрова незначительной. То есть практически на всех материках. Вечная мерзлота занимает четверть суши земного шара и встречается даже в Африке! Правда, только в высокогорных районах. Единственное место, где она отсутствует, — Австралия.

В России зона вечной мерзлоты занимает 60–65% территории, в основном это Сибирь и Забайкалье: от Кольского полуострова на восток почти по Северному полярному кругу до Урала, далее на восток и на юг, за исключением юга Камчатки, острова Сахалин, Приморья и еще некоторых районов.

Посмотрите эти карты вечной мерзлоты.

• Карта распространения вечной мерзлоты в России

• Карта распространения вечной мерзлоты в мире. Мерзлые грунты распространены в основном в заполярных областях. Сибирь, а также северная часть материка Северной Америки — крупнейшие районы вечной мерзлоты. Гренландский ледник, омываемый морями со всех сторон и пропускающий мимо себя теплый Гольфстрим, выглядит географической аномалией

Что такое вечная мерзлота? Это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина вечной мерзлоты может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м. Впрочем, растения приспособились к таким суровым условиям. Летом верхний слой почвы в тундре оттаивает и корни поглощают влагу. Вот только длится тепло недолго, и выживают лишь самые неприхотливые: лишайники, мхи, некоторые травы, низкорослые кустарники и карликовые деревья.

Кстати, именно на это удивительное свойство почвы и обратили внимание русские казаки, когда в XVII веке исследовали Сибирь. В сообщениях русскому царю они упоминали наличие особых таежных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина

Это и была вечная мерзлота.

Привыкли к низким температурам и люди. В зоне вечной мерзлоты, например, особые требования к строительству. Чтобы дома не нагревали грунт и фундамент не оседал, их ставят на железобетонные сваи, оставляя между землей и зданием пространство для вентиляции.

Многоэтажные жилые дома в Норильске. Свайное основание зданий разработано специально для строительства на вечномерзлом грунте

Но глобальное потепление вносит коррективы в работу строителей, и тем приходится учитывать возможные колебания температур. Верхний слой грунта подтаивал летом и раньше, но зимой он замерзал опять. Теперь оттаять успевает больше, а замерзнуть — меньше.

Вечная мерзлота — это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина промерзания грунта может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м.

Специалисты из 26 стран, входящие в глобальную научную сеть наблюдений за состоянием мерзлоты, с 2007 по 2017 год замеряли температуру мерзлоты в Арктике, Антарктике и горных районах на глубине более 10 м. И выяснили, что за время исследований из 123 скважин потеплело в 71, а в пяти из них температура превысила 0 °C, то есть мерзлота начала таять. Лишь в 40 точках температура осталась неизменной, а в 12 — понизилась. Потеплело и в России: в Заполярье — на 0,4 °C, в Сибири — почти на 1 °C. Результаты ученые опубликовали в журнале Nature Communications.

Молодило (суккулент семейства толстянковых) в условиях вечной мерзлоты весной

Кстати, термин «вечная мерзлота» появился не сразу. Звучали и такие: многолетнемерзлые горные породы и многолетняя криолитозона — но они не прижились. Иногда вечную мерзлоту называют многолетней мерзлотой, подразумевая, что это одно и то же. Однако времена меняются, и, похоже, скоро эти понятия не будут тождественны.

Хозяйственное значение

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.

Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачная — с почти отвесными стенками.

На полуострове Ямал расположен самый большой Новопортовский мерзлотник — подземное рыбохранилище с температурой, поддерживаемой естественным путём.

Оттаивание мерзлоты

Основная статья: Утечка дизельного топлива в Норильске

Оттаивание мерзлоты в ходе глобального потепления приводит к снижению несущей способности грунта. Это, в свою очередь, ведет к потере устойчивости зданий и сооружений с возможными катастрофическими последствиями. Одна из таких катастроф произошла в районе Норильска 26 мая 2020 года, когда из-за нарушения устойчивости нефтяного резервуара произошла массированная утечка дизтоплива и последующее катастрофическое загрязнение близлежащих рек и озер.

Сохранение организмов в вечной мерзлоте

Микробы

Ученые прогнозируют, что до 10 21 микробов, включая грибы и бактерии помимо вирусов, будут выделяться из тающего льда в год. Часто эти микробы выбрасываются прямо в океан. Из-за мигрирующего характера многих видов рыб и птиц, возможно, эти микробы имеют высокую скорость передачи.

Вечная мерзлота в восточной Швейцарии была проанализирована исследователями в 2016 году на высокогорном участке вечной мерзлоты под названием «Муот-да-Барба-Пейдер». На этом участке обитало разнообразное микробное сообщество с различными бактериями и группами эукариот. Видные группы бактерий включали филум Acidobacteria , Actinobacteria , AD3, Bacteroidetes , Chloroflexi , Gemmatimonadetes , OD1, Nitrospirae , Planctomycetes , Proteobacteria и Verrucomicrobia . Известные эукариотические грибы включали Ascomycota , Basidiomycota и Zygomycota . У нынешнего вида ученые наблюдали множество приспособлений к отрицательным температурам, включая сниженные и анаэробные метаболические процессы.

Предполагается, что вспышка сибирской язвы на полуострове Ямал в 2016 году связана с таянием вечной мерзлоты. В вечной мерзлоте Сибири также присутствуют два вида вируса: Pithovirus sibericum и Mollivirus sibericum. Обоим из них приблизительно 30 000 лет, и они считаются гигантскими вирусами из-за того, что они больше по размеру, чем большинство бактерий, и имеют больший геном, чем другие вирусы. Оба вируса по-прежнему заразны, о чем свидетельствует их способность инфицировать Acanthamoeba , род амеб.

Было показано, что замораживание при низких температурах сохраняет инфекционность вирусов. Калицивирусы, грипп A и энтеровирусы (например, полиовирусы, эховирусы, вирусы Коксаки) были сохранены во льду и / или вечной мерзлоте. Ученые определили три характеристики, необходимые для успешного сохранения вируса во льду: высокая численность, способность переноситься во льду и способность возобновлять циклы болезней после выхода изо льда. Прямого заражения людей от вечной мерзлоты или льда не было; такие вирусы обычно распространяются через другие организмы или абиотические механизмы.

Изучение образцов сибирской вечной мерзлоты позднего плейстоцена из Колымской низменности (восточно-сибирской низменности) использовало изоляцию ДНК и клонирование генов (в частности, гены 16S рРНК), чтобы определить, к какому типу принадлежат эти микроорганизмы. Этот метод позволил сравнить известные микроорганизмы с их недавно обнаруженными образцами и выявил восемь филотипов, которые принадлежали типам Actinobacteria и Proteobacteria .

Растения

В 2012 году российские исследователи доказали, что вечная мерзлота может служить естественным хранилищем древних форм жизни, возродив Silene stenophylla из 30 000-летней ткани, найденной в норе белки ледникового периода в сибирской вечной мерзлоте. Это самая старая из когда-либо возрожденных растительных тканей. Растение было плодовитым, давало белые цветы и всходящие семена. Исследование показало, что ткани могут выдерживать ледяные покровы в течение десятков тысяч лет.