Снег теплее, чем кажется: прогноз для грунтов Норильска

Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова решили выяснить, что произойдет с грунтами к 2060 году в Норильском промышленном районе, где земля большую часть года скована мерзлотой. Они пробурили и изучили 11 скважин в районе шлаковых отвалов и построили компьютерную модель, которая учитывает не только потепление климата, но и то, как на мерзлоту влияют снег и растения.

Сначала исследователи восстановили историю: по данным измерений температуры в скважинах и описаниям образцов грунта они рассчитали, как выглядела мерзлая толща на конец 2023 года. Затем задали несколько сценариев изменения климата — от самого мягкого, при котором выбросы парниковых газов быстро сокращаются, до самого жесткого, где человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо. Для каждого сценария учли разные варианты того, как ведут себя снег и растительность: снег можно регулярно убирать, оставлять как есть или искусственно накапливать, а надземную часть растений — удалять, сохранять или усиливать. При этом подземный торфяной слой во всех вариантах оставался нетронутым.

Самым заметным оказался эффект от снега. Если снег регулярно расчищать, грунт на глубине двух метров к 2060 году будет в среднем на 1,5 градуса холоднее, чем при естественном снегонакоплении. А если снега станет больше, грунт, наоборот, прогреется сильнее. Причина в том, что снег работает как одеяло: зимой он не дает земле отдавать тепло в атмосферу. В самом жестком климатическом сценарии, где снег никто не убирает, к 2060 году на глубине двух метров среднегодовая температура поднимется в среднем на 1,81 градуса по сравнению с 2024 годом. При этом в пяти из одиннадцати скважин она станет неотрицательной — то есть мерзлота на этой глубине начнет терять устойчивость. Если же снег расчищать, температура останется ниже нуля во всех скважинах.

Растительность, как выяснилось, влияет гораздо слабее. Удаление надземной части растений повышает температуру на глубине двух метров всего на 0,035 градуса, а их усиленное развитие понижает ее на 0,019 градуса. Это связано с тем, что ученые меняли только надземный покров, а торфяной слой, который играет главную теплоизолирующую роль, оставляли одинаковым во всех вариантах.

Лед в грунте тоже реагирует на потепление. При самом жестком сценарии годовой минимум расчетного ледового запаса к 2060 году уменьшится примерно на 9,65 процента. Основные потери придутся на верхние десять метров. При этом общее количество воды в грунте меняется мало — она в основном переходит из ледяного состояния в жидкое и перераспределяется по глубине. Глубина сезонного протаивания при жестком сценарии увеличится в среднем на 1,13 метра, а если снег расчищать — уменьшится на метр по сравнению с естественным снегом.

Нижняя граница мерзлой толщи, то есть глубина, ниже которой грунт остается мерзлым круглый год, за рассматриваемый период сдвинется вниз совсем незначительно — в среднем на 0,27 метра. Это означает, что глубинные горизонты прогреваются гораздо медленнее поверхностных. Однако именно верхние метры определяют, насколько надежно стоят на мерзлоте здания и сооружения.

Для строителей это исследование дает практический ориентир. Если проектировать основание с сохранением грунтов в мерзлом состоянии, нужно заранее просчитать, как повлияют на него расчистка или накопление снега вокруг объекта. Если же предполагается, что грунты будут оттаивать, полученные температурные профили помогут оценить, на какую глубину и как быстро пойдет прогрев. Авторы подчеркивают, что их результаты — это предварительная оценка для конкретной площадки, а не готовый проект: для расчета деформаций конкретного здания понадобятся дополнительные инженерно-геологические данные.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Арктика и Антарктика». Изображение на обложке: разработано Magnific