CC BY
20и«®»
В. М. Михайлов DOI: 10.24411/1728-516Х-2019-10048
Владимир Матвеевич Михайлов,
доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Магадан
Введение
Давно было подмечено, что на севере нашей страны многие горные ручьи, включая самые малые, не иссякают летом, даже при длительном отсутствии дождей. Изрядная доля тех ручьёв, которые внешне выглядят пересохшими, на самом деле продолжают течь по скальному во-доупору под толщей загромоздивших русло обломков. В продолжительную межень такие потоки могут обнаруживаться при впадении в более крупную реку в виде миниатюрных водопадов (рис. 1).
Это явление привлекало внимание отечественных учёных ещё в начале прошлого века. Уже тогда практически все авторы единодушно называли основным источником питания ручьёв в засушливые периоды парообразную атмосферную влагу, проникающую в поры склоновых отложений. И даже относительно скептически настроенные исследователи не сомневались в большой роли этого процесса в зоне много-
летней мерзлоты (подробно история вопроса освещена в работе [1]). Невозможно отрицать, что водяной пар должен мигрировать из тёплой и относительно влажной атмосферы к мёрзлому водоупору, имеющему нулевую температуру. Здесь он конденсируется, и образовавшаяся вода стекает вниз по склону, к тальвегу долины. Высокая интенсивность потока пара полагалась сама собой разумеющейся (мерзлота же!).
К концу прошлого века эти представления настолько упрочились, что вошли в методические рекомендации [2], согласно которым в горных районах Сибири и Дальнего Востока в водобалансовых расчётах необходимо учитывать слой конденсационной влаги в количестве 80-100 мм за тёплый сезон. Максимальная величина, полученная в результате специальных экспериментов, равна 130 мм [3]. Для сравнения: в той части Северо-Востока России, где проводились измерения, атмосферные осадки в среднем за год составляют 150-200 мм.
На фото вверху - характерная для горных хребтов Черского и Сунтар-Хаята альпинотипная форма рельефа с ледниками и снежниками, круглогодично сохраняющимися на высотах более 2100 м
Рис. 1. На переднем плане - миниатюрный водопад, образованный внешне незаметным стоком ручья по скальному водоупору
Яркий пример непоколебимой приверженности исторически сложившимся взглядам содержится в коллективной монографии [4]: «...по-видимому, только незначительная часть тепловой энергии, выделяемой при конденсации водяных паров воздуха (в грунте -В. М.), идёт на нагревание пород и их оттаивание. Анализ данных полевых наблюдений даёт основание предполагать, что в результате этого процесса среднегодовая температура пород повышается обычно не более чем на 1 °C, чаще на несколько десятых градуса» (с. 84). Говоря проще, оставшиеся «за кадром» количественные оценки показали, что влияние внутригрунтовой конденсации на температуру отложений незначительно. Сравним: на той же странице сообщается, что отепляющее влияние инфильтрующихся в грунт осадков (не очень тёплых, так как дождливые периоды совпадают с К • • похолоданиями) достигает 3 °С, т. е. Ш» . , „ ; .
больше на порядок. Получается, что • • • авторы готовы допустить существование в грунте некоего загадочного и очень мощного стока тепловой энергии. Иначе придётся «пожертвовать» либо законом сохранения энергии, либо высокой интенсивностью конденсации...
Первые обоснованные возражения против окончательно (казалось бы) укоренившихся представлений содержатся в работе [5]. Авторы опирались на подробные водобалансо-вые расчёты и прямые измерения при помощи установки оригинальной конструкции (она и некоторые другие
устройства подобного рода будут детально рассмотрены ниже).
Результаты теплобалансовых расчётов, описанных в статье [6], позволяют утверждать, что конденсация в тех объёмах, о которых сообщается в большинстве литературных источников, совершенно нереальна. И дело не только - даже не столько - в выделении огромного количества тепла при фазовых переходах «пар - вода» (хотя подавляющая их часть как бы остаётся невостребованной, что и отметили авторы цитированной монографии). Интенсивный перенос влаги к водо-упору не может не сопровождаться мощнейшим конвективным потоком тепловой энергии, которую тем более «некуда девать». В статье [6] использованы результаты натурных наблюдений, но расхождение господствующих представлений с реальностью настолько велико, что с тем же успехом можно было бы обойтись любым «правдоподобным» набором необходимых характеристик - это будет видно из дальнейшего изложения. Не исключено, что подобные оценки делались и ранее, но остались неизвестными научному сообществу по достаточно понятным причинам.
Любопытный факт: данные, на которых основаны прямо противоположные выводы (с одной стороны, в статье И. Т. Рейнюка [3] и ещё в нескольких его статьях, с другой - работы [5, 6]), получены на одном и том же водосборе ручья Контактового (бассейн р. Колымы), где в 40-х годах прошлого века была основана Колымская воднобалансовая станция (рис. 2).
яг* У&с"
шР
'Ь
т
'/ Ш
■ ■ , ^цнЛ: 1
'¿.¿4Ч'"!;
V >] V1
Рис. 2. Вид на долину руч. Контактового ранним утром.
Сооружения Колымской воднобалансовой станции (внизу слева) в тени от близлежащей сопки
Тепломассоперенос в склоновых отложениях
Для поступления влаги в грунтовую толщу необходимо, прежде всего, чтобы на некоторой глубине упругость водяного пара была меньше, чем в прилегающем слое атмосферного воздуха. На мёрзлом водо-упоре минимально возможная величина равна 6,09 мб (насыщающая влажность при 0 °С). В высокогорье в среднем за лето атмосферный воздух нередко бывает суше - например, на хребте Сунтар-Хаята, по данным одноимённой метеостанции. В нижнем поясе гор влажность по большей части выше критического значения, но разность невелика; на Северо-Востоке России она, как правило, составляет 1,5-2,0 мб.
Миграция водяного пара в воздушной среде происходит двумя путями. Первый - молекулярная диффузия, при которой перемещаются отдельные молекулы пара в результате случайных тепловых соударений. Он весьма малоэффективен, и согласно предельно завышенным оценкам в целом за теплый сезон способен обеспечить слой конденсационной влаги не более 2 мм (численные оценки и натурные данные, кроме специально оговоренных случаев, приведены по работе [6]). Второй - конвективный перенос, при котором во встречных направлениях перемещаются макроскопические объёмы газовой смеси. Конвекция бывает вынужденной, т. е. вызванной внешними факторами, и свободной. Последняя развивается в тех случаях, когда в некотором объёме воздуха нижние слои по какой-то причине имеют меньшую плотность по сравнению с вышележащими. Такое состояние называется неустойчивой стратификацией. Оно приводит к образованию восходящих и нисходящих воздушных струй, «стремящихся» восстановить архимедово равновесие.
Поскольку плотность воздуха находится в обратной зависимости от его температуры (влияние влажности намного слабее), то летом в слое грунта от поверхности до мёрзлого водоупора она с глубиной почти всегда возрастает, и развитие свободной конвекции невозможно. Исключение - ночные заморозки, но атмосферный воздух с отрицательной температурой становится не только тяжелее, но и заведомо суше по сравнению с воздухом, заполняющим поры грунта. Соответственно, развивающаяся при таких похолоданиях свободная конвекция способствует не конденсации, а испарению влаги с водоупора.
Один из двух вариантов вынужденной конвекции -«задувание» ветра в поры грунта, которое проникает на небольшую глубину и может заметно влиять на гидротермический режим отложений только в самом начале тёплого сезона, когда протаивание измеряется первыми десятками сантиметров. Но и в этот короткий период упругость водяного пара в атмосфере зачастую опускается ниже 6,09 мб, в том числе при небольших положительных температурах.
Единственный механизм конвективного тепломас-сопереноса, способный реально действовать в склоновых отложениях, связан с парадоксальным, на первый взгляд, явлением. Устойчивая стратификация в каждом
отдельно взятом вертикальном профиле исключает свободную конвекцию, но в то же время обусловливает неустойчивость слоя холодного и тяжёлого внутригрун-тового воздуха в масштабах всего склона и его «стека-ние» по мёрзлому водоупору. Некоторое представление о «степени неустойчивости» даёт сравнение плотности воздуха, содержащегося в двух узких колонках (расположенных на одинаковой высоте), из которых одна содержит только внутригрунтовый воздух, вторая - только атмосферный. В бассейне руч. Контактового при средних за лето погодных условиях различие составляет всего около 2,5 %.
В отличие от ветрового перемешивания движение воздуха под действием рассматриваемого механизма развивается во всей оттаявшей крупнообломочной толще. Его скорость находится в прямой зависимости от вертикального градиента плотности, а следовательно (очередной парадокс), и от степени устойчивости внутригрунтового воздуха в обычном понимании. Важен также размер пор, с увеличением которого уменьшается противодействующая движению воздуха сила трения.
Как известно, движение жидкостей и газов может происходить либо в ламинарном («параллельноструй-ном»), либо, при больших скоростях, в турбулентном («завихренном») режиме, в котором интенсивность поперечного тепломассопереноса несравнимо больше. В крупнообломочных склоновых отложениях переход из одного режима в другой соответствует скоростям движения порового воздуха порядка 1 см/с. Интуитивно ясно, что в естественных условиях они вряд ли реально достижимы. Но в данном случае основное значение имеет не режим движения воздуха в отдельных струях, а обтекание этими струями обломков пород: аналогично турбулентности оно усиливает тепломассоперенос в поперечном к склону направлении. Математический аппарат для теоретического исследования этих процессов отсутствует. Тем не менее имеется возможность получить приближённые количественные оценки по аналогии с известными закономерностями, выведенными для приземного слоя воздуха.
Схема расчётов следующая [6]. Допустив, что за тёплый сезон на мёрзлом водоупоре действительно конденсируется 100 мм влаги, рассчитываем среднее значение потока водяного пара, откуда получаем величину коэффициента переноса, а затем (подстановкой во вторую формулу) - конвективный тепловой поток. Подстановка не вполне корректна, но для первого приближения допустима. Оказывается, что за рассматриваемый период тепловой поток равен 934 МДж/м2. По сравнению с этой цифрой даже тепло, выделяющееся при конденсации 100 мм влаги (234 МДж/м2), выглядит уже не столь впечатляющим. Ещё на порядок меньше роль всех остальных составляющих, включая расход тепла на прогрев мёрзлых пород.
Алгебраическая сумма всех слагаемых равна 1150 МДж/м2. Куда же может быть израсходовано такое колоссальное количество поступающей в грунт энергии? В начале и в конце тёплого периода средняя по глубине температура сезонно-талого слоя практически
одинакова (~ 0 °С), т. е. изменением запаса тепла в грунте можно пренебречь. Понятно также, что вода, стекающая тонким слоем по мёрзлому водоупору, имеет почти нулевую температуру и тепла практически не выносит. Единственный его реальный «потребитель» - таяние льда, намёрзшего в грунтовой толще в период схода снежного покрова (подробнее об этом в следующем разделе). Но 1150 МДж достаточно для плавления более 3,5 тонн льда, тогда как в призме ежегодно оттаивающего грунта площадью 1 м2 (и глубиной обычно 1-2 м) его накапливается в среднем менее 200 кг. Избыток тепла теоретически способен обеспечить протаивание ещё примерно 20 м льдонасыщенных рыхлых отложений. Но мощность рыхлого чехла на склонах редко превышает первые метры*. Глубже он сменяется более или менее монолитными скальными породами, протаивание которых требует на порядок меньших затрат тепла (по существу - это всего лишь прогрев от небольших отрицательных температур до 0 °С). Очевидно, что укоренившиеся представления о величинах внутригрунтовой конденсации принципиально несовместимы с существованием в горах многолетней мерзлоты.
Источник влаги и источники заблуждений
Ответ на вопрос, вынесенный в название статьи, лежит на поверхности в самом буквальном смысле -правда, не круглый год. Но ещё и в середине лета на склонах сопок можно видеть остатки снежного покрова, сохранившегося в углублениях рельефа (рис. 3).
Непростая «судьба» снега, скопившегося за зиму на поверхности крупнообломочных отложений, впервые была рассмотрена в работе [7]. Весной образующаяся из него талая вода свободно затекает в поры грунта, намерзая на поверхности выхоложенных за зиму обломков тонкими корочками и миниатюрными «сосульками» (инфиль-трационный лёд), не препятствующими поступлению вглубь новых порций воды. Часть талых вод проникает вплоть до мёрзлого водоупора, где также замерзает, образуя инфильтрационно-натеч-ный лёд и прогревая сезонно-талый слой у самого его основания. По мере продвижения в глубь фронта протаива-ния вода, образующаяся из инфильтра-ционного льда, стекает вниз и вновь замерзает. Миграция воды в толщу грунта, сопровождаясь чередующимися фазовыми переходами, способствует усиленному переносу тепла, и в итоге довольно быстро вся влага, содержавшаяся в снеге и выпавших за этот период осадках (минус потери на испарение), концент-
рируется в нижней части профиля в виде инфильтра-ционно-натечного льда, заполняющего здесь все поры грунта. Только тогда склоны начинают отдавать воду в речную сеть. Все описанные процессы в сумме обычно занимают не более двух недель. Таяние льда, скопившегося на мёрзлом водоупоре, растягивается, в среднем, на весь остаток тёплого сезона.
В предыдущей фразе уточнение «в среднем» имеет принципиальное значение. Так, если очень снежная зима сменяется сухим и прохладным летом, то изрядная (иногда и большая) доля образовавшегося весной гольцового льда (термин, введённый в работе [7]), не успевает растаять до начала осеннего промерзания. При обратном соотношении зимних осадков и летних погодных условий в речной сток поступит влага, накопленная ранее в нижней части рыхлого чехла. Таким образом, крупнообломочные склоновые отложения осуществляют многолетнее регулирование поверхностного стока, и поэтому в рамках одного года, и даже нескольких лет, расчёты водного баланса верхних звеньев речной сети по схеме «осадки - сток» могут давать весьма существенные неувязки. Скорее всего, именно они подвигли ряд авторов на поиски дополнительного источника влаги - во всяком случае, И. Т. Рейнюк [3] считал их одним из подтверждений своей точки зрения. Подлинные причины неувязок, вкратце описанные выше, раскрыты в работе [5]. Там же показано, что при анализе продолжительных рядов наблюдений водный баланс сводится с хорошей точностью, без какой бы то ни было конденсации.
Основным доводом апологетов интенсивной внутригрунтовой конденсации служили результаты непосредственных измерений объёмов конденсационной влаги при помощи установок различных конструкций. Но как справедливо отмечено в работе [1, с. 35],
*
щ Ш
* '4
зВЯнгавеявр'
'¿ШВ
' к • .
Й >:
ШШшШШЯ
гД ......
ШШШШИШШШШШШт
ЙР \ щ
ж
ЙЙЙ
Рис. 3. Остатки снежников на осыпных склонах (середина июля, вид с территории Колымской воднобалансовой станции)
* Интересно отметить, что если мощность рыхлых отложений, в которых преобладают крупные фракции, больше средней глубины протаивания, то последняя маркируется довольно чёткой литологической границей. Выше неё в грунте нет ни песка, ни более мелких частиц, которые вымываются потоками воды; ниже промежутки между крупными обломками плотно забиты мелкозёмом.
«главное в подобного рода наблюдениях - сохранить естественный ход конденсации, но в таких установках (автор имел в виду первую из описанных ниже разновидностей - В. М.) он грубо искажается». На самом деле все без исключения конструкции, описанные в литературе, так или иначе искажают «естественный ход конденсации», препятствуя нормальному движению воздуха и/или создавая искусственные воздушные потоки. Рассмотрим некоторые из таких установок (рис. 4).
Очевидно, что в первой из конструкций И. Т. Рейнюка металлические трубы, закопанные в склоновые отложения (слева внизу), являются для них совершенно чуждым элементом. Каждая труба представляет собой как бы огромную искусственную пору с формой, оптимальной как для проведения экспериментов, так и для развития конденсации. Подобные установки более никем не применялись, по-видимому, из-за их бросающейся в глаза «противоестественности».
Конструкции, подобные изображённой на рис. 4 вверху и справа, получили весьма широкое распространение. Но и они всего лишь «замаскированы» под естественные условия: вместо пустотелой трубы в грунт помещается сварной металлический контейнер, заполненный ранее извлечёнными обломками. Поскольку все его стенки глухие, то находящийся внутри воздух не принимает участия в движении вниз по склону. Вместо этого в контейнере, задняя стенка которого охлаждается стекающей по мёрзлому водоупору талой водой с нулевой температурой, устанавливается собственная независимая циркуляция (рис. 5). У холодной задней стенки воздух, приобретая наибольшую плотность, опускается в нижнюю часть контейнера и далее «вытекает» наружу, замещаясь тёплым воздухом, подсасываемым из атмосферы в верхней части. По мере охлаждения этот воздух отдаёт избыточную влагу. Конденсат из грунта непрерывно удаляется (стекает в водосборный сосуд), что исключает его потери в те периоды, когда влажность воздуха в атмосфере меньше, чем в контейнере. Таким образом, эта установка представляет собой вовсе не измерительный инструмент, а теплообменник (довольно эффективный), извлекающий из атмосферы влагу с использованием естественного холода многолетне-мёрзлых пород. Аналогичная конструкция автора работы [1], выполненная на деревянной основе, с этой задачей не справилась из-за большого термического сопротивления древесины.
Установка Е. Л. Бояринцева, не имеющая вертикальных стенок, - образец стремления к минимальному нарушению естественных условий. Тем не менее и в ней налицо искажение нормальной циркуляции внутри-грунтового воздуха. Вне установки воздушный поток, в целом, параллелен мёрзлому водоупору (и в нижних
Склон северной экспозиции
каменная осыпь
Установки И.Т. Рейнюка
Установка Е.Л. Бояринцева
Рис. 4. Установки для сбора конденсационной влаги конструкций И. Т. Рейнюка [3] и Е. Л. Бояринцева [8] по их оригинальным рисункам
Рис. 5. Схема циркуляции воздуха в установке И. Т. Рейнюка.
Желтая заливка соответствует талым породам, синяя - мёрзлым
слоях неизменно насыщен влагой). Над крышкой и поддоном установки, ориентированными субгоризонтально, часть этого потока отклоняется в более тёплые поверхностные слои грунта, что полностью исключает конденсацию - независимо от того, что происходит в непосредственной близости от установки.
Заключение
Согласно результатам проведённого анализа конденсация водяного пара в склоновых отложениях в количествах, сколько-нибудь заметно влияющих на их водный и тепловой режим, исключена. С другой стороны, «стекание» внутригрунтового воздуха по мёрзлому водоупору и перенос к нему влаги, несомненно, имеют место, вопрос лишь в интенсивности процесса. Поэтому представляется, что нулевой результат, полученный
авторами работ [5, 8], также не является истиной в последней инстанции. Скорее всего, действительная величина хотя бы незначительно, но отличается от нуля [6], находясь в пределах первых миллиметров водного эквивалента. Перспективы окончательного (т. е. на уровне точных количественных оценок) решения проблемы внутригрунтовой конденсации пока остаются неопределёнными.
Список литературы
1. Говорушко, С. М. Курумовый морфолитогенез / С. М. Говорушко. - Владивосток : ДВНЦ АН СССР, 1986. - 120 с.
2. Расчёт подземного питания рек криолитозо-ны (методическое пособие). - Л. : Гидрометеоиздат, 1989. - 107 с.
3. Рейнюк, И. Т. Конденсация в деятельном слое вечной мерзлоты / И. Т. Рейнюк // Тр. ВНИИ-1. -Магадан. - 1959. - Вып. 13. - С. 1-24.
4. Южная Якутия. - М. : Изд-во МГУ, 1975. - 444 с.
5. Бояринцев, Е. Л. К вопросу о конденсации паров воздуха в деятельном слое многолетнемёрзлых пород / Е. Л. Бояринцев [и др.] // Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД. № 1046 ГМ-91 от 16.01.91. - 17 с.
6. Банцекина, Т. В. К оценке роли внутригрунто-вой конденсации водяных паров в формировании теплового и водного режима крупнообломочных склоновых отложений / Т. В. Банцекина, В. М. Михайлов // Криосфера Земли. - 2009. - Т. XIII, № 1. - С. 40-45.
7. Гравис, Г. Ф. Гольцовый лёд и закономерности его образования / Г. Ф. Гоавис // Подземный лёд. - М. : Изд. МГУ, 1965. - Вып. 2. - С. 100-112.
8. Бояринцев, Е. Л. Прибор для наблюдений за конденсацией в каменной осыпи / Е. Л. Бояринцев, В. Н. Михайлов // Инф. письмо, изобретательство и рационализация. - Магадан : Гос. комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, Колымское территориальное управление, 1979. -№ 3 (82). - С. 31-32.
ШЪЖ КШГЖШ
Киреев, Д. М. Эколого-географические термины в лесоведении :
[словарь-справочник]. - Изд-е 2-е, доп. и расш. / Д. М. Киреев. - СПб. : СПбГЛТУ, 2016. - 656 с.
Содержанием второго издания словаря-справочника являются эколого-геогра-фические термины научной дисциплины «Лесное ландшафтоведение». Словарь содержит около 3500 терминов, необходимых при изучении природных территориальных комплексов (ПТК) лесов. Рамки словаря расширены для привлечения сведений из различных разделов наук о Земле, характеристики компонентов и элементов ландшафта, морфологической структуры и экологии ПТК.
Словарь-справочник предназначен для специалистов, применяющих ландшафтный метод, использующих дистанционные и картографические источники информации. Эколого-географические термины необходимы при оценке и инвентаризации лесных ресурсов, инженерном проектировании, мониторинге лесов, составлении земельного кадастра, организации рационального природопользования и др.
Может быть использован студентами и аспирантами, специалистами таксаторами, землеустроителями, экологами, геологами, почвоведами, геоботаниками, картографами, работающими на лесных территориях.
25 лет
НА СТРАЖЕ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ
25 лет на страже живой природы / Министерство экологии, природопользования и лесного хозяйства Республики Саха (Якутия) ; [сост.: А. В. Сы-роватская, Н. Э. Игнатьева]. - Якутск : Бичик, 2019. - 240 с.
