Что такое многолетняя (вечная) мерзлота?

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.

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

Природный морозильник

Местные жители вообще давно научились приспосабливать холод для своих нужд. В Якутии, например, в частных домах специально роют погреба-лЕдники. Там отрицательная температура, и можно круглый год хранить продукты. Правда, чтобы выкопать такой погреб, нужно чуть больше времени, чем в южных широтах, потому что кроме лопаты, понадобится… огонь. То есть на участке разводят костер, чтобы грунт оттаял, затем копают дальше.

На Ямале, в поселке Новый Порт, находится самый большой в мире такой природный морозильник. В 1950-х годах под землей прорубили около 200 пещер, связанных между собой ходами, для хранения рыбы. Здесь постоянно естественным образом поддерживается температура в районе минус 12-15 градусов.

Морозильник в поселке Новый Порт

Кстати, в каждой регионе у вечной мерзлоты свой запах. «Если вы зайдете в подземный тоннель Института мерзлоты в Якутске, то почувствуете очень сильный запах органики, которая была в почве и теперь начала оттаивать и разлагаться, – рассказывает Тананаев. – А вот в тоннеле Музея вечной мерзлоты в Игарке в Красноярском крае особого запаха нет, просто пахнет сырой землей, потому что там совсем другая почва».

Музей вечной мерзлоты в Игарке

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.

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.

Высвободятся огромные запасы газа

Это звучит как что-то хорошее: наконец-то цены на газ перестанут расти! Но если без шуток, это может быть ещё большей проблемой, чем оттаивание древних микроорганизмов. Учёные выяснили, что вечная мерзлота содержит примерно 1 700 миллиардов тонн углеродов, таких как углекислый газ и метан. Когда эти запасы начнут высвобождаться из-за того, что их уже не сдерживают многометровые слои льда, метан и другие парниковые газы попадут в атмосферу.

Проблема в двух вещах. Первая: этих запасов углеводородов примерно в два раза больше, чем того количества газа, который содержится в атмосфере. Это может сделать воздух малопригодным для дыхания. В норме концентрация углекислого газа в атмосфере составляет 0,04 % от всего объёма. При концентрации CO2 в воздухе более 0,3 % начинается гиперкапния — отравление углекислым газом, которое вызывает кислородное голодание и приводит к головной боли, тошноте, частому поверхностному дыханию, усиленному потоотделению и потере сознания. При более высокой концентрации возможен летальный исход.

Вторая: метан оказывает в 25 раз больший парниковый эффект, чем CO2. И это ведёт к следующей проблеме.

Регионы распространения многолетней мерзлоты

Многолетняя мерзлота присутствует практически на каждом континенте, исключением является Австралия. Общая площадь многолетней мерзлоты на нашей планете – 35 млн. км

2

, это четвертая часть всей суши.

Если мысленно представить карту мира, то можно прочертить границы этого уникального явления природы. Если начинать от Западной Сибири, то точкой отсчета будет широта Тобольска и Подкаменной Тунгуски. Продвигаясь на юг, и уткнувшись в Северную Монголию, нужно повернуть в сторону Благовещенска и Татарского пролива. Камчатка практически полностью занята многолетней мерзлотой.

Северная Америка также сохранила это реликтовое явление. Многолетнюю мерзлоту здесь можно встретить в бассейне рек Мекензи, Юкон, также на полуострове Лабрадор.

Это интересно: Самые большие острова и полуострова Северной Америки: список, описание и карты

Распространённость[править | править код]

Вечная мерзлота — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью, — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной вечной мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90 %. В вечной мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.

Также многолетнемерзлые грунты наблюдаются и под дном океанов и морей, определение мерзлотно-геологического строения разреза и криогенных процессов которых являются сложной научно-исследовательской задачей.

От 60 % до 65 % территории России — районы вечной мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел вечной мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания вечной мерзлоты — 1370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

Проявления

Базовая глубина

Вечная мерзлота простирается до базовой глубины, где геотермальное тепло от Земли и средняя годовая температура на поверхности достигают равновесной температуры 0 ° C. Глубина основания вечной мерзлоты достигает 1493 м (4898 футов) в северных бассейнах рек Лена и Яна в Сибири . Геотермальный градиент является скоростью повышения температуры относительно увеличения глубины в земном интерьере «ы. Вдали от границ тектонических плит она составляет около 25–30 ° C / км (124–139 ​​° F / миль) у поверхности в большей части мира. Он варьируется в зависимости от теплопроводности геологического материала и меньше для вечной мерзлоты в почве, чем в коренных породах.

Расчеты показывают, что время, необходимое для образования глубокой вечной мерзлоты под заливом Прудо-Бей, Аляска, составило более полумиллиона лет. Это растянулось на несколько ледниковых и межледниковых циклов плейстоцена и предполагает, что нынешний климат Прудо-Бей, вероятно, значительно теплее, чем в среднем за тот период. Такое потепление за последние 15 000 лет является общепринятым. Таблица справа показывает, что первые сто метров вечной мерзлоты формируются относительно быстро, но более глубокие уровни занимают все больше времени.

Массивный грунтовый лед

Обширная поверхность голубого грунтового льда на северном берегу острова Гершель, Юкон, Канада.

Когда содержание льда в вечной мерзлоте превышает 250 процентов (от льда до сухой почвы по массе), она классифицируется как массивный лед. Массивные ледяные тела могут различаться по составу во всех мыслимых градациях от ледяной грязи до чистого льда. Массивные ледяные пласты имеют минимальную толщину не менее 2 м и короткий диаметр не менее 10 м. Первые зарегистрированные североамериканские наблюдения были сделаны европейскими учеными в Каннинг Ривер, Аляска, в 1919 году. Русская литература указывает более раннюю дату 1735 и 1739 годов во время Великой Северной экспедиции П. Лассиниуса и Х. П. Лаптев соответственно. Две категории массивных грунтовых льдов — это погребенный поверхностный лед и внутриосадочный лед (также называемый конституционным льдом ).

Погребенный поверхностный лед может образовываться из снега, замерзшего озера или морского льда, наледи (выброшенного на берег речного льда) и — вероятно, наиболее распространенного — погребенного ледникового льда.

Внутриседиментный лед образуется в результате замерзания грунтовых вод на месте, и в нем преобладает сегрегационный лед, который возникает в результате кристаллизационной дифференциации, происходящей во время замерзания влажных отложений, сопровождаемой миграцией воды к фронту замерзания.

Внутриседиментарный или конституционный лед широко наблюдался и изучался по всей Канаде, а также включает интрузивный и нагнетательный лед.

Кроме того, клинья льда — отдельный тип грунтового льда — образуют узнаваемые узорчатые полигоны земли или тундры. Ледяные клинья образуются в ранее существовавшем геологическом субстрате и впервые были описаны в 1919 году.

Несколько типов массивного грунтового льда, в том числе ледяные клинья и внутриосадочный лед в стене утеса в результате регрессивного оттаивания, расположенного на южном побережье острова Гершель в пределах приблизительно 22 метра (72 фута) на 1300 метров (4300 футов) передней стенки.

Формы рельефа

Мерзлота процессы проявляется в крупномасштабных наземных формах, такие как Palsas и pingos и мелких явления, такие как узорная земля найдена в арктических, перигляциальных и высокогорных районах.

Углеродный цикл в вечной мерзлоте

Мерзлота углеродный цикл (цикл углерода в Арктике) имеет дело с передачей углерода из многолетнемерзлых грунтов в наземной растительности и микроорганизмов, в атмосферу, обратно к растительности, и , наконец , обратно в вечномерзлых грунтах путем захоронения и седиментации вследствие криогенных процессов. Часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара через глобальный углеродный цикл. Цикл включает в себя обмен углекислого газа и метана между наземными компонентами и атмосферой, а также перенос углерода между сушей и водой как метан, растворенный органический углерод , растворенного неорганического углерода , в виде частиц неорганического углерода и частиц органического углерода .

Изучение многолетней мерзлоты

Одни их первых описаний вечной мерзлоты сделали, покорявшие просторы Сибири, русские землепроходцы XVII века

Впервые на состояние почвенного покрова обратил внимание Я. Святогоров

В дальнейшем грунты изучали первопроходцы Иван Ребров и Семен Дежнев. Они указали на наличие особых таежных зон, в которых почва не оттаивает даже летом. В 1640 году М. Глебов и П. Головин подтвердили, что земля среди лета не оттаивает.

Как особое геологическое явление понятие «вечная мерзлота» было введено в употребление основателем школы мерзлотоведов в Советском Союзе М.И. Сумгиным в 1927 году. Он указывал, что данное понятие подразумевает мерзлоту почвы, которая сохраняется от двух лет до нескольких тысячелетий.

Термин «мерзлота» часто подвергался критике, поэтому были предложены альтернативные варианты: многолетняя криолитозона и многолетнемерзлые горные породы. Но эти варианты не получили широкого распространения.

Понятие «мерзлые породы» по длительности существования пород в мерзлом состоянии подразделяется на такие понятия, как:

• кратковременномерзлые породы (сутки, часы);
• сезонномерзлые породы (месяцы);
• многолетнемерзлые породы (десятки, сотни и тысячи лет).

Между этими видами есть взаимные переходы и промежуточные формы. Так, сезонномерзлая порода в течение лета может не протаять и просуществовать несколько лет. Такие формы называют «перелетками».

Многолетняя мерзлота по происхождению является реликтом ледниковых эпох четвертичного периода. В послеледниковое время наблюдалось потепление климата, что обусловило оттаивание мерзлых пород и сокращение мест их распространения. Это доказывает островной характер распространения вечной мерзлоты, существование в толще мерзлых пород отдельных видов и частей флоры и фауны, активный процесс оттаивания.

С такой точкой зрения согласны не все ученые. Некоторые считают, что вечная мерзлота – явление современное. В доказательство они приводят наблюдения за развитием мерзлоты на островах, недавно образованных в дельтах крупных рек Сибири. Главная причина возникновения мерзлоты – длительные малоснежные зимы с низкими температурами и кратковременное лето, во время которого лед накапливается в почве, так как не успевает растаять.

Строение многолетнемёрзлых горных пород

Строе­ние мно­го­лет­не­мёрз­лых гор­ных по­род за­ви­сит от рас­пре­де­ле­ния в них ле­дя­ных вклю­че­ний. В кри­стал­ли­че­ских и ме­та­мор­фи­че­ских гор­ных по­ро­дах лёд встре­ча­ет­ся в ви­де жи­лок, за­пол­няю­щих тре­щи­ны, в пес­ках – в ви­де линз и мел­ких кри­стал­лов, в гли­нах, суг­лин­ках, су­пе­сях и тор­фе – в ви­де сло­ёв или сет­ки. Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ют ре­шёт­ки ле­дя­ных жил, про­ни­каю­щие в по­ро­ду до глу­би­ны 20–50 м. Они ши­ро­ко рас­про­стра­не­ны в пре­де­лах Запад­но-Си­бир­ской, Се­ве­ро-Си­бир­ской, Яно-Ин­ди­гир­ской и Цен­траль­ноя­кут­ской рав­нин на рых­лых не­ли­ти­фи­ци­ро­ван­ных по­ро­дах. Про­мер­за­ние верх­них го­ри­зон­тов гор­ных по­род час­то при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию се­зон­ных и мно­го­лет­них буг­ров-гид­ро­лак­ко­ли­тов, со­дер­жа­щих ле­дя­ное яд­ро; они встре­ча­ют­ся ча­ще все­го в За­бай­ка­лье, на Тай­мы­ре, на се­ве­ре За­пад­ной Си­би­ри, где их на­зы­ва­ют бул­гун­ня­ха­ми. В гор­ных рай­онах в реч­ных до­ли­нах и на скло­нах обыч­ны на­ле­ди – по­кро­вы льда, об­ра­зую­щие­ся при за­мер­за­нии под­зем­ных вод, из­лив­ших­ся под на­по­ром, воз­ни­каю­щим при се­зон­ном про­мер­за­нии, а так­же при про­мер­за­нии вы­хо­дов ар­те­зи­ан­ских вод. Про­таи­ва­ние ле­дя­ных об­ра­зо­ва­ний, со­дер­жа­щих­ся в тол­щах гор­ных по­род, обыч­но при­во­дит к про­сад­кам, воз­ник­но­ве­нию во­ро­нок, ок­руглых впа­дин и т. п. форм рель­е­фа (тер­мо­карст), по­верх­но­ст­ных ополз­ней-сплы­вов, грун­то­вых по­то­ков (со­ли­флюк­ция).

История изучения

Особенностями необычного природного явления заинтересовались землепроходцы в XVII веке. Именно они ввели в оборот определение «вечная мерзлота», когда старатели и охотники за пушниной столкнулись с прочными, как камень, почвами.

Первые упоминания о промерзшем грунте встречаются в рефератах ученого В. Н. Татищева, а в XIX столетии стартовали научные исследования в ходе экспедиции А. Миддендорфа в северные и восточные регионы Сибири. Были произведены замеры температуры, установлена мощность ледяного слоя в нескольких пунктах, а также сделаны предположения относительно того, почему распространилась мерзлота в этих районах.

Суровые условия полностью лишили поселенцев возможности заниматься выращиванием любых полезных культур. Однако они прибегали к некоторым ухищрениям: ледяной грунт покрывали речным илом. Процесс этот довольно трудоемкий, а наградой за него становятся невкусные и мелкие морковь и картофель.

На сегодняшний день незанятые хозяйственной деятельностью регионы включены в программу развития Арктики, составленную Минстроем России. При этом введены новые регламенты и стандарты строительства, которые учитывают постоянно меняющееся состояние почв. Новейшие технологии предложены российскими специалистами, и ни одна из приполярных стран не имеет подобного опыта работы с вечной мерзлотой.

При изучении процессов оттаивания подземного льда удалось выяснить, что этот процесс способствует свободному выходу на поверхность природного газа из подземных залежей. Это важнейшая тема, рассматриваемая на заседаниях по освоению северных регионов. На территории тайги удалось насчитать свыше 7 тысяч метановых пузырей, разрыв которых приведет к появлению больших кратеров.

Не менее опасными последствиями глобального потепления можно назвать:

• ухудшение экологической обстановки: высвобождающийся из-под земли углерод попадает в атмосферу, что ускорит рост температурных показателей на планете;
• возвращение опасных возбудителей, которые уже давно забыты человечеством, но могут стать причиной смертельно опасных заболеваний.

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.