Тающая мерзлота: как за ней наблюдают, что делают для ее сохранения, ждать ли массового разрушения сооружений

Наблюдения за мерзлотой станут повсеместными и постоянными

В ситуации с вечной мерзлотой домыслов и эмоций гораздо больше, чем научных фактов. Специалисты в этой сфере есть в США, Германии, Португалии. Многие – выходцы из СССР, эмигрировавшие в 90-х. Не обязательно, чтобы страна находилась в этой природной зоне, ведь проблема мировая и интересует всех.

Эти ученые в большинстве своем не занимаются реальными наблюдениями, а лишь создают различные базы данных, запрашивая исходную информацию в России. Ведущая роль в изучении криолитозоны принадлежит именно нашей стране. Однако масштабных наблюдений до сих пор у нас не проводилось, эта система только создается.

В феврале этого года Государственная дума РФ приняла в первом чтении законопроект о государственном мониторинге мерзлоты. До конца 2025 года должна быть создана сеть из 140 наблюдательных пунктов на территории от Кольского полуострова до Чукотского. Южными рубежами мониторинга станут Республика Тува и Алтайский край. Всю работу будет вести Арктический и антарктический НИИ Росгидромета, и уже в этом году он получит данные с 7 первых стационаров, расположенных в Ямало-Ненецком автономном округе. В 2022 году был пройден первый этап обследования всех метеостанций на пригодность их к фоновому мониторингу на криологических стационарах. Часть метеостанций не подошла из-за нахождения уже внутри городских агломераций (в частности, Салехардская метеостанция). Поэтому было принято решение расширить диаметр вокруг метеостанции, в котором можно организовывать стационар.

В результате этой работы под контроль будет взято 65% территории России. Именно столько занимает криолитозона. Активно таять она стала лет 20-30 назад, температура на глубине нулевых годовых амплитуд повысилась в диапазоне от 0,5 до 2 градусов за указанный период. В Арктике процессы изменения состояния мерзлоты проходят активнее, чем в Антарктиде.

Как прокомментировал проект государственного мониторинга мерзлоты министр природных ресурсов РФ Александр Козлов, на основе собранных материалов будет сделана оценка изменения состояния многолетней (вечной) мерзлоты, выбросов парниковых газов, проведен прогноз изменения климата и разработаны сценарии социально-экономического развития страны. Часть информации будет размещена в открытом доступе.

Факты превращаются в хайп ради массового внимания

Вечная мерзлота не однородна. Она бывает преимущественно сплошная, сплошная, несплошная (делится на собственно несплошную менее 80%; массивно-островную меньше 50% и спорадическую меньше 20%). Кроме того выделяется реликтовая мерзлота (наследие более ранних оледенений), в зависимости от зональности и глубинности мерзлоты процесс изменения ее состояния проходит по-разному.

Ее изменение связывают как с потеплением климата, так и с вмешательством человека: вырубки лесов, строительство, промышленная деятельность. В результате развиваются криогенные процессы, такие как термокарст, термоэрозия, термоденудация и т.д. Меняется объем горных пород из-за таяния воды в составе грунта, образуются озерные котловины, полигональные ландшафты, бугры пучения, просадки грунта, приводящие к деформации построек, происходит заболачивание поверхности. Специалисты по инженерной защите не раздувают ситуацию, как СМИ в погоне за трафиком, но приводят факты и предлагают технологии, которые позволят уберечь объекты. Например, ставить здания на сваи, делать основания фундаментов из непучинистых материалов, помнить про вентилируемые подполья и сезонно-охлаждающие устройства.

40% построек, по оценкам специалистов Министерства природных ресурсов РФ, деформированы. Ежегодный ущерб от таяния мерзлоты составляет 50-150 миллиардов рублей.

Только в России на мерзлоте стоят целые города. Когда они возводились, люди не думали, что она растает, и воспринимали ее как вечный фундамент.

В деформации отдельных объектов повинна, однако, не только теплеющая природа, но и халатность человека. В Норильске обрушилось здание, спроектированное так, что один угол опирался на скалу, а три – на вечную мерзлоту. Со временем мерзлота дала понять, что она не вечная.

Ученые смоделировали опасность на оттаявшей трассе

Впечатляющим получился анализ космической съемки трассы «Колыма». Сотрудники АО «Терра Тех», дочерней компании АО «Российские космические системы», обработали свежие и архивные материалы и предположили, что 40% дороги может быть деформировано.

Был обследован участок длиной 81 км между селами Чурапча и Ытык-Кюель. Общая протяженность дороги 2032 км, она строилась с 1931 по 1953 годы для развития горной добычи на верхней Колыме. Ученые определили шесть степеней риска для трассы, в зависимости от рельефа и степени выраженности повреждения дорожного полотна.

Термокарстовые процессы проявились в последние годы. Они начинаются с таяния повторно-жильных льдов, затем образуются полигональные грунты, термокарстовые озера и котлованы. Все это угрожает безопасному передвижению по дороге.

В Якутии резко-континентальный климат, сплошная мерзлота от 100 до 900 метров, на глубине 10-15 метров температура держится от минус трех до минус пяти градусов. Летом солнце нагревает воздух до плюс 20, и тепло все сильнее разъедает мерзлоту, активно развиваются криогенные процессы.

Таким образом, на 60% обследуемого участка ученые не увидели никаких сигналов опасности. Остальные 40% подвержены риску термокарстовых процессов и, как следствие, деформации дорог и других линейных сооружений. Самый высокий риск зафиксирован на 5% трассы. На остальных участках может еще не быть термокарстовых процессов, но уже видны следы вытаивания ледяных жил.

В СМИ, которые гонятся за трафиком, эта информация преподнесена так, будто 40% всей трассы «Колыма» уже деформировалась. А в отчете ученых говорится, что дорога может быть деформирована на 40%, и вывод сделан на основе анализа 80 км. Всю трассу еще никто не изучал, и главная задача сейчас – в постоянном и всеобъемлющем комплексном мониторинге, чтобы можно было своевременно предотвратить деформации объектов инфраструктуры в следствии изменения состояния мерзлоты.

Следить за дорогой надо на земле, а не только из космоса

Как рассказали в пресс-службе Федерального дорожного агентства «Росавтодор», масштабный мониторинг на трассах «Амур», «Колыма», «Вилюй» и «Лена» начался в 2021 году.

Оборудованы стационарные посты наблюдения за метеорологическими и мерзлотными условиями, собирается информация о состоянии дороги и придорожной полосы по 30 параметрам. Специалисты используют свежие данные дистанционного зондирования земли и результаты инженерно-геологических исследований, которые проводились раньше, в качестве заверочных данных.

Под более пристальным вниманием находятся участки, где произошедшие изменения уже очевидны. Цель мониторинга – выявить причины происходящих изменений в состоянии мерзлоты и выработать на основе анализа собранного научно-технического материала рекомендации, как избежать деформаций гражданских объектов в зоне распространения многолетнемерзлых пород.

В этом году на сибирских трассах будут размещены новые посты наблюдений. «Анализ накопленных данных будет способствовать адаптации участков таких дорог к изменениям климата и переходу на новый уровень проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов в криолитозоне. Кроме того, полученные наработки будут учитываться в будущем при развитии Арктической зоны РФ», - сообщил представитель пресс-службы Росавтодора.

В феврале вся исполнительская работа была сведена в единый документ «Методические рекомендации по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию инженерно-геокриологических мониторинговых стационарных постов в полосе отвода автомобильных дорог в криолитозоне». Это позволит синхронизировать научные исследования и работу мониторинговых постов, отраслевых экспертов и научных институтов РАН, чтобы понять, как будет вести себя мерзлота в будущем, и подготовить геокриологический прогноз на срок эксплуатации инфраструктуры.

Горячий газ пустили по трубам-термосам

С объектами Газпрома другая история. Среди них нет таких старых, как трасса «Колыма», поэтому многие уже построены с учетом того, чтобы не разморозить мерзлоту.

Деформация зданий, однако, имеет место. Для наблюдения к трещинам прикрепляют металлические таблички – марки. Если со временем табличка изогнулась или разорвалась, значит, трещина увеличилась.

Чтобы такое случалось как можно реже, на Бованенковском месторождении на Ямале позаботились о снижении воздействия горячего газа на верхние грунты. Здесь почти пять триллионов запасов голубого топлива, хватит на 100 лет эксплуатации месторождения. Значительная часть территории – льдистые суглинки. При температуре минус пять – это камень, выше минус 1,5 градуса – пластилин. Оттаивая еще больше, грунт превращается в жидкую кашицу. Из-за сложных грунтов месторождение, открытое в 70-х годах прошлого века, долгое время не разрабатывалось, пока инженеры не придумали, как обеспечить устойчивость сооружений.

Возле каждой скважины теперь устанавливают парожидкостные термостабилизаторы, похожие на систему охлаждения автомобиля. Внутри замкнутого трубного пространства циркулирует хладагент, находящийся при температуре и давлении фазового перехода жидкость-пар. Зимой, пока на улице ниже минус 15, он охлаждается в выступающей на поверхность части и переходит из пара в жидкость, стекает по стенкам вниз, отдавая холод грунту. Нагреваясь по мере движения вниз, превращается в пар, забирает из грунта тепло, потраченное на фазовый переход из жидкости в пар, и снова поднимается в виде пара вверх. Искусственного холода хватает на устойчивую эксплуатацию скважин в летний период. Таких установок на месторождении около тысячи.

Другое изобретение российских инженеров, которое с успехом используется на Ямале, - теплоизолированные скважины. Газ добывается на глубине от одной до полутора тысяч метров, температура газа меняется в диапазоне от 35 до 50 градусов. Подошва многолетней мерзлоты находится выше, от 120-140 до 280-300 метров.

Чтобы верхние грунты не оттаивали, газ пускают по теплоизолированным лифтовым трубам. Стенки у них вакуумные, как в обычном термосе, потому-то на профессиональном сленге газовиков это не трубы, а термосы.

Мост заморозили, а на каждое здание поместили датчик

Другой объект, о котором рассказали сотрудники пресс-службы Газпрома, - железная дорога от станции Обская до Бованенково на Ямале. Чтобы обеспечить несущую способность мерзлоты, строительство велось только при отрицательных температурах.

Насыпь для железной дороги сделана послойной. Влажный пылеватый песок, приобретающий нужную прочность на морозе, чередовался с пенополистеролом и геотекстилем. Получилась надежная система термоизоляции, конструкция не расползается в летний период. Все материалы произведены на отечественных предприятиях.

Часть железной дороги – мост через пойму реки Юрибей, самый длинный за полярным кругом. Длина 3,9 км, а срок службы – 100 лет. Он стоит на грунтах, которые считаются не пригодными для строительства. Мерзлота здесь пронизана криопегами, которые замерзают, только если температура грунта опустится ниже минус 30 благодаря наличию высокоминерализованных рассолов в них.

Опоры моста, выполненные с использованием технологии термостабилизации, сами заморожены и смерзлись с вечным льдом на глубине от 30 до 40 метров. Некоторые пролеты моста подняты на дополнительную высоту, чтобы не мешать традиционным путям миграции северных зверей и птиц и укладу местных жителей.

Горно-металлургическая компания «Норильский никель» увеличила в 2021 году штат сотрудников, которые занимаются геотехническим мониторингом, техническими осмотрами фундаментов и анализируют состояние грунтов.

Сбор данных автоматизирован. Информации о состоянии фундаментов и грунтов собирается со спутников компании «Совзонд» и с датчиков на объектах. Приборы следят за деформациями фундаментов, за температурой и влажностью в подземных технических пространствах и могут дать сигнал тревоги в реальном времени.

Планируется оснастить датчиками 1500 сооружений: административные и производственные здания, трубопроводы, резервуары, объекты культурного наследия, мосты, железные дороги, эстакады, линии электропередачи.

Спутниковые изображения позволяют выявить горизонтальное и вертикальное смещение элементов, а бурение скважин необходимо для уточнения характеристик грунтов и установки датчиков, чтобы следить за подземной температурой. На большей части обследуемой территории пока не было выявлено значимых изменений.

Правильное мнение нужно на всех уровнях

Работа с общественным мнением не менее важна, чем мониторинг вечной мерзлоты. В противном случае научная информация может быть неверно истолкована.

Например, искусственный шум по поводу парниковых газов привел к закрытию многих заводов в России и заглушил противоположное, не политизированное, мнение ученых, что леса в РФ потребляют гораздо больше углекислого газа, чем выделяют предприятия.

Не исключена версия, что раздувания метановой катастрофы и вероятного массового разрушения объектов из-за потепления – часть западной информационной войны, цель которой – тревожить россиян любыми способами, чтобы им было некомфортно в своей стране.

Если отойти от большой политики, то работать с общественным мнением необходимо и для того, чтобы местное население и региональные власти правильно воспринимали экологическую ситуацию и предпринимали необходимые меры для контроля над состоянием гражданских сооружений.

По данным социологов, общественное восприятие таяния мерзлоты часто не совпадает с данными наблюдений. Есть две крайности. Одни люди воспринимают единичные аномальные случаи как катастрофу, а другие, напротив, явные признаки изменения природы считают локальным явлением и никак не связывают их с глобальным потеплением. Словом, мало организовать регулярный мониторинг за объектами и разработать меры адаптации, нужно еще и понимание проблемы в каждом регионе. Именно поэтому в 2018 году в республике Саха-Якутия был принят первый в России Закон о защите мерзлоты, аналогичный закон сейчас проходит активное обсуждение в ЯНАО, привлечено научное сообщество, специалисты геотехнического мониторинга из топливно-энергетических компаний, государственных структур.

Эксперты уверяют, что, если все делать правильно, то правильно и получится. Строить дорогу, например, можно с сохранением мерзлоты, сооружая насыпь на ней, и с растапливанием мерзлоты, как будто ее там и не было. В каждом случае надо понимать, какой из принципов лучше работает, и тогда сроки эксплуатации объекта будут соответствовать ожиданиям.

Таяние мерзлоты – это не только минусы. Сама природа стремится к плюсам. На место тундры, например, приходит лес, расширяются площади сельскохозяйственные угодий. Такие наблюдения с 70-х годов ведутся на мониторинговых площадках в Уренгое. Но об этом мало пишут, выгоднее преподнести катастрофу – это стопроцентная гарантия, что все сбегутся и прочитают.

Кстати, эти вопросы будут подробно обсуждаться на технических сессиях, которые пройдут 19-20 апреля в рамках выставки нашего журнала «ГеоИнфо Forum & Expo». Участие бесплатное, требуется регистрация.