Невечная мерзлота

Масштабный проект — Государственная система фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты — будет осуществлен к концу 2025 года, на территории страны к этому моменту будет оборудовано 140 пунктов, производящих непрерывные автоматические измерения температуры мерзлоты на разных глубинах. К моменту завершения создания сети появится возможность в масштабе всей страны определить районы, попадающие в зону наибольшего риска. На основе данных о состоянии грунтов ученые смогут организовать геотехнический мониторинг жилых, промышленных и инфраструктурных зданий и сооружений в зоне мерзлоты, охватывающей 65% территории России.

Государственная система фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты создается с целью оценки текущего состояния, прогноза изменений и сокращения негативных последствий от таяния многолетнемерзлых грунтов в России.

Для того чтобы построить сеть наблюдений за мерзлотой в кратчайшие сроки и с наименьшими затратами, для ее развертывания было решено использовать инфраструктуру исследовательских станций Росгидромета, что позволяет существенно сократить издержки на строительство дополнительных инфраструктурных объектов — зданий, дорог, системы метеонаблюдений, — а также минимизировать логистические затраты. Оператором создания уникальной системы стал Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) — ведущий мировой научный центр по исследованию полярных областей Земли. Более века институт проводит весь цикл работ в высоких широтах в интересах Российской Федерации и коммерческих компаний. Научные подразделения института занимаются фундаментальными и прикладными исследованиями климата, процессов в атмосфере, ближнем космосе, морской среде и ледяном покрове. С 1920 года специалистами института организовано около 1100 экспедиций в Арктику и Антарктику.

Система будет построена с помощью исключительно отечественных технологий. Все пункты мониторинга будут оснащены оборудованием российского производства.

Мониторинговые скважины бурят на глубину 25 метров. Там располагают блок регистрации с 32 датчиками, расположенными на разном расстоянии друг от друга — от 10 сантиметров до двух метров. Каждая обустроенная скважина сразу начинает накапливать и передавать информацию. Данные в онлайн-режиме передаются в Центр мониторинга состояния многолетней мерзлоты ААНИИ. Для сбора и анализа информации о состоянии мерзлоты в институте создано новое структурное подразделение — Центр мониторинга состояния многолетней мерзлоты. Его сотрудники обеспечивают организацию и функционирование сети пунктов наблюдений, ведут прием, анализ и хранение данных, готовят справочную и отчетную информацию и передают ее в Единый государственный фонд данных о состоянии окружающей среды и ее загрязнений.

Директор ААНИИ Александр Макаров, глава Минприроды Александр Козлов и губернатор Ямало-Ненецкого автономного округа Дмитрий Артюхов дают старт развертыванию Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты

ААНИИ

Точка старта

Перед запуском проекта технологию обустройства термометрических скважин и передачи данных апробировали на территории российского Крайнего Севера и на архипелаге Шпицберген.

Проект стартовал 19 мая 2023 года в Салехарде. «Место открытия первого пункта выбрано не случайно», — подчеркнул на церемонии открытия первой скважины глава Минприроды России Александр Козлов, напомнив, что именно в Салехарде располагалась одна из старейших российских метеорологических станций, действующая с конца XIX века. Первая термометрическая скважина обустроена на территории Ямало-Ненецкого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, филиала Обь-Иртышского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Еще одна причина для старта именно здесь в том, что Ямало-Ненецкий автономный округ — это один регионов страны, где вопрос с таянием мерзлоты стоит наиболее остро. Об этом сказал журналистам заместитель директора ААНИИ Юрий Угрюмов. По его словам, «система мониторинга фиксирует наличие деградирующей мерзлоты в южных районах округа».

«На Ямале многое делается для наблюдения за мерзлотой, — цитирует медиацентр ААНИИ выступление губернатора Ямало-Ненецкого округа Дмитрия Артюхова на церемонии открытия первой скважины. — Работает система геотехнического мониторинга состояния грунтов. Сегодня десятки домов оборудованы точными датчиками, что позволяет следить за состоянием мерзлоты и в случае изменений своевременно реагировать. Мы создали первую в России научно-исследовательскую лабораторию криологии Земли и геотехнической безопасности, объявили гранты для ученых-мерзлотоведов, оснащаем лабораторию оборудованием, привлекаем специалистов со всей страны».

Мерзлотоведы ААНИИ на Шпицбергене

Никита Демидов

И далее везде

В 2023‒2024 годах в рамках проекта были также обустроены самый северный пункт мониторинга в Евразии на Земле Франца Иосифа и самый южный в нашей стране — в Ташанте вблизи границы с Монголией. В Алтайском крае запущены высокогорные пункты наблюдений на высоте более 2000 метров над уровнем моря. Развернута сеть пунктов наблюдения в Архангельской области, Красноярском крае, Республике Алтай, Республике Саха (Якутия), на Дальнем Востоке и в Бурятии, в Ямало-Ненецком и Ненецком автономных округах, на Чукотке, в Мурманской и Магаданской областях, в Забайкальском крае. 

Самая северная скважина запущена на базе Объединенной гидрометеорологической обсерватории имени Эрнста Кренкеля на острове Хейса, существующей с середины прошлого века.

Самые высокогорные пункты Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты открыты в западной части Южно-Сибирских гор. Наивысшей точкой системы стал пункт Актру, расположенный на высоте 2118 метров над уровнем моря. Другие два пункта мониторинга — Кош-Агач и Ташанта — запущены на Чуйском тракте. Пункт мониторинга в Ташанте располагается на границе с Монголией, на одном из самых высоких автомобильных перевалов в Республике Алтай — 2107 метров над уровнем моря. Пункт Кош-Агач расположен в горах на высоте 1759 метров. На западе Республики Бурятия в горной системе Восточного Саяна термометрическая скважина появилась в районе метеостанции Орлик на высоте 1376 метров.

Алтае-Саянская горная страна расположена на равном удалении от Северного Ледовитого, Тихого и Индийского океанов. Это район с резко континентальным климатом, для которого характерны холодные зимы и жаркое лето при небольшом количестве осадков. Наличие мерзлоты на таких низких широтах объясняется эффектом понижения температуры воздуха в горах. «Температура льдонасыщенных мерзлых грунтов на этой территории — около нуля градусов Цельсия, поэтому деградация криолитозоны идет здесь наиболее высокими темпами. Мощность мерзлоты в Ташанте, по данным бурения, составила 14 метров, а в Актру всего пять метров. В Кош-Агаче верхняя граница мерзлоты опустилась до глубины 10 метров от поверхности, — рассказал Юрий Угрюмов. — Растепление пород может оказывать неблагоприятное воздействие на объекты капитального строительства и даже разрушать их. Деградация мерзлоты способна также изменять водный баланс, что может негативно сказаться на пастбищном животноводстве, являющемся основой экономики региона. В Орлике, по данным нашей термометрической скважины, деградация мерзлоты еще не началась, но температура также приближается к нулю градусов».

Всего удалось ввести в эксплуатацию 78 пунктов наблюдения, 20 из них в 2023 году, 58 — в 2024-м. Основной объем работ по созданию пунктов сети в 2024 году был сконцентрирован в Якутии.

В 2025 году масштабные работы запланированы на Чукотке и в Красноярском крае.

«Для создания первых 20 пунктов наблюдений наши специалисты осмотрели около 50 потенциально возможных мест для обустройства станций», — рассказал директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института Александр Макаров. Для выбора мест для расположения следующих 60 пунктов ученым пришлось обследовать более 250 вариантов мест их возможного расположения.

Ученые института разработали и внедрили в практику руководящий документ по организации фонового мониторинга на островах Северного Ледовитого океана на Шпицбергене, на Земле Франца Иосифа, на Северной Земле, на Новосибирских островах, на острове Врангеля

Никита Демидов

Первые результаты

В ААНИИ создано уникальное кернохранилище образцов мерзлых грунтов, полученных в процессе развертывания системы мониторинга состояния мерзлоты, которое будет пополняться по мере развертывания системы.

Ученые института разработали и внедрили в практику руководящий документ по организации фонового мониторинга, что позволило осуществлять проект на единой методической основе. Это, например, дало возможность изучать состояние мерзлоты по единой методике мониторинг на островах Северного Ледовитого океана на Шпицбергене, на Земле Франца Иосифа, на Северной Земле, на Новосибирских островах, на острове Врангеля. Ученым удалось сделать первые выводы. Наблюдения позволят выявить закономерности формирования температурного режима грунтов и оценить региональные различия в отклике мерзлоты на потепление климата в Арктике.

Поступающие с пунктов мониторинга данные показывают, что в направлении с запада на восток уменьшается влияние теплых атмосферных и морских масс, поступающих в Евразийскую Арктику, что отражается в более низких температурах мерзлоты на глубине годовых нулевых амплитуд: — 3,3 °С в скважине на Шпицбергене, против −9,1 °С на Земле Франца Иосифа. С запада на восток уменьшается и глубина сезонного оттаивания грунта.

«Согласно некоторым оценкам наших ученых, в западном секторе высокоширотной Арктики начало деградации мерзлых толщ прогнозируется в ближайшие 20‒30 лет», — полагает Юрий Угрюмов.

«На основе полученной информации ученые смогут подготовить карты, отражающие динамику происходящих изменений мерзлоты и составить прогнозы возможных последствий для окружающей среды и возможностей социально-экономического развития этих территорий. Разработанная нами система мониторинга станет основой для проведения дальнейших геотехнических исследований. Полученные данные будут доступны для всех заинтересованных организаций. Это беспрецедентный проект, в котором заинтересованы сотни компаний и предприятий, работающих в России», — уверен Александр Макаров.

В 2024 году в Баренцбурге были устранены протечки коммуникаций под домами на свайных фундаментах. Ученые говорят об этом как о примере положительного опыта принятия управленческих решений на основе их рекомендаций

Никита Демидов

Устранить протечки

Специалисты ААНИИ совместно с трестом «Арктикуголь» возобновили прерванные более 30 лет назад наблюдения за состоянием мерзлых грунтов в районе российских поселков Баренцбург и Пирамида на Шпицбергене. С 2016 года ученые института проводят там бурение и оснащение скважин термометрическими датчиками. В ходе исследований им удалось обнаружить и скважины советского времени, а в фондах рудоуправлений найти информацию о температурном состоянии грунтов пятидесятилетней давности. Проведенные исследования позволили выявить основные особенности инженерно-геокриологических условий в этом районе, обобщить местный опыт строительства и эксплуатации сооружений на мерзлоте, создать систему мониторинга состояния мерзлоты, на ее основе оценить тренды изменения температурного состояния грунтов.

Ученые отмечают высокие темпы роста температуры воздуха в расположенных на мерзлоте двух действующих российских поселков. Рудники Пирамида и Баренцбург — это самые северные в мире поселки с тяжелыми зданиями на мерзлых грунтах. Анализ данных метеостанции в Баренцбурге показывает, что скорость увеличения среднегодовой температуры воздуха здесь вдвое выше, чем в среднем по территории России. Опасения вызывают не только темпы роста среднегодовой температуры, но и возможность ее перехода в зону положительных значений в перспективе ближайших десятилетий. Так, в аномально теплом 2016 году среднегодовая температура воздуха в Баренцбурге уже составила −0,4 °С.

Наиболее сложные инженерно-геокриологические условия отмечаются в районе поселка Пирамида, где, в отличие от Баренцбурга, возможность использовать скальные грунты в качестве опоры для свайных фундаментов ограничена присутствием рыхлых отложений. В настоящее время среднегодовая температура грунтов в наблюдательных скважинах варьирует в пределах −3,5…–2,2 °С в районе поселка Пирамида и −3,1…−2,6 °С в районе поселка Баренцбург, что позволяет эксплуатировать здания, построенные на мерзлых грунтах.

При этом опыт советского времени показывает, что в случае допущения техногенных теплопотерь возможны серьезные деформации фундаментов, и ученые предупреждают, что к этому нужно готовиться и по возможности предотвращать. Ряд практических рекомендаций уже принят во внимание трестом «Арктикуголь — оператором российских поселков на архипелаге Шпицберген». В 2024 году в Баренцбурге были устранены протечки коммуникаций под домами на свайных фундаментах. Ученые говорят об этом как о примере положительного опыта принятия управленческих решений на основе их рекомендаций.

Выполненные модельные оценки показали, что деградация мерзлоты на архипелаге Шпицберген может начаться в ближайшие 30 лет, а скорость опускания кровли многолетней мерзлоты в этих районах составит около 12,5 см в год.

Апробированные здесь методики прогноза будут использоваться при обработке данных со всей Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты.