CC BY
46
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.178-184 УДК 551.578.46:551.345
ВЛИЯНИЕ МОХОВОГО И СНЕЖНОГО ПОКРОВОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ НА ЗАПАДНОМ ШПИЦБЕРГЕНЕ ПРИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ*
А. В. Сосновский, Н. И. Осокин
ФГБУН Институт географии РАН, г. Москва
Аннотация
На основе данных измерений рассмотрено влияние мохового и снежного покровов на температурный режим многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене. Дана оценка критических значений высоты снежного покрова, при которых образуется талик. Представлены результаты расчетов времени формирования талика по региональной и глобальной моделям изменения климата при разной высоте снежного покрова и наличии мохового покрова. Ключевые слова:
деградация многолетней мерзлоты, климатические изменения, мох, снежный покров, температура грунта.
IMPACT OF MOSS AND SNOW COVER ON THE SUSTAINABILITY OF PERMAFROST IN WEST SPITSBERGEN DUE TO CLIMATE CHANGE
Alexander V. Sosnovsky, Nikolai I. Osokin
Institute of Geography of RAS
Keywords:
Abstract
Based on the measurements, the influence of moss and snow cover on the temperature regime of permafrost in West Spitsbergen, is considered. Depending on the thickness of the snow cover, the ground temperature at depth of 0 to 80 cm can differ by 10-20 °C in winter and 3-6 °C in summer. The ground temperature under the 8 cm moss cover is 4 °C lower than in its absence. We estimated the critical value of snow cover height at which a talik is formed. With an average negative air temperature of -7,8 °C, an increase in the average positive air temperature to 6 °C results in the degradation of permafrost for a snow cover height of more than 1,5 m. The results of calculating the time of talic formation from regional and global models of climate change at different snow cover heights and the presence of moss cover, are presented. Under a snow cover thickness of 1,0 m and 1,5 m without a moss cover, formation of talik according to the regional model, will occur in 2032 and 2023, whereas under moss cover 5 cm thick — in 2055 and 2042.
degradation of permafrost, climatic changes, moss, snow cover, ground temperature.
Введение
Одной из составляющей природной среды арх. Шпицберген является многолетняя мерзлота. Ее деградация может привести к отрицательным явлениям как для природной среды, так и для инженерных сооружений и коммуникаций из-за потери прочности оснований сооружений и активизации склоновых процессов. Потеря устойчивости многолетней мерзлоты вызывается образованием несливающейся мерзлоты, переходящей в талик, что происходит при неполном промерзании сезонно-талого слоя при росте температуры воздуха и толщины снежного покрова.
* Математическое моделирование проводилось при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-60067, экспериментальные исследования в полевых условиях и обработка экспериментальных данных — по проекту «Оценки современного состояния и текущих изменений внутреннего гидротермического режима ледников, с выделением данных по эталонным ледникам», рег. № 01201352474 (0148-2014-0006), экспедиционные исследования на арх. Шпицберген выполнялись при финансовой поддержке госзадания 0148-2017-0007 и логистической помощи РНЦШ.
За периоды с 1985-2000 по 2001-2010 гг. рост средней годовой температуры воздуха на Западном Шпицбергене составляет от -5,3 до -3,9 °С [1], что ведет к росту температуры многолетнемерзлых пород (ММП). В дальнейшем это может привести к деградации ММП и сокращению их площади. Сохранность ММП, их термическая и механическая устойчивость зависит от термического состояния многолетней мерзлоты и определяется как параметрами поверхностных покров (снежного и мохового) и грунта, так и возможными климатическими изменениями.
Цель работы — анализ влияния параметров снежного и мохового покровов на температурный режим, промерзание и таяние ММП и оценка времени начала формирования несливающейся мерзлоты с учетом климатических изменений.
Влияние мохового и снежного покрова на термический режим грунта
Измерения показали [2], что различие в температуре грунта на глубине 0-80 см при толщине снежного покрова 15 и 150 см может составлять 10-20 °С в зимний период и 3-6 °С в летний период (рис. 1). Измерения в районе пос. Баренцбург в последнее время показали, что при максимальной толщине снежного покрова 1 м температура грунта на глубине 1 м составляет 0...-1 °С, а температура поверхности грунта не опускается ниже -3 °С. При высоте снежного покрова 2 м уже и температура поверхности грунта в зимний период не опускается ниже -1 °С, при высоте снежного покрова на уровне 2 м и более в ряде случаев (отсутствие мохового покрова, повышенная влажность грунта и др.) может сформироваться слой несливающейся мерзлоты [1], что ослабит прочностные свойства и несущую способность грунта.
Температура, °С
-30 -20 -10 0 10 0 -
Рис. 1. Температура грунта на глубине 0-80 см в районе метеостанции Баренцбург при максимальной толщине снежного покрова 150 см (2, 4) и в районе Грёндалена при толщине снежного покрова 15 см (1, 3): 1 и 2 — 4 февраля 2011г.; 3 и 4 — 5 августа 2011 г.
Fig. 1. Ground temperatures at depth of 0-80 cm near Barentsburg weather station with maximum snow cover thickness 150 cm (2, 4) and in Grandalen area with snow cover thickness 15 cm (1, 3): 1 and 2 — 04.02.2011; 3 and 4 — 05.08.2011
Если сезонный снежный покров является препятствием для выхолаживания грунта в зимний период, то влияние мохового покрова на температурный режим грунта разнонаправленно. В холодный период моховой покров увеличивает слой теплоизоляции и препятствует охлаждению ММП, тогда как в период с положительными температурами воздуха он защищает ММП от быстрого прогревания и протаивания.
Измерения в районе пос. Баренцбург показали, что температура грунта под 8-сантиметровым моховым покровом на 4 °С ниже, чем в его отсутствие (рис. 2) [3]. При моховом покрове толщиной 7-8 см скорость протаивания грунта в конце июля — начале августа составляет около 0,33 см в сутки, что в 3 раза ниже, чем при отсутствии мохового покрова.
Таким образом, в условиях небольших положительных температур воздуха на арх. Шпицберген (4-5 °С) снижение температуры грунта под моховым покровом на несколько градусов может компенсировать возможный рост температуры воздуха при потеплении, что предохраняет многолетнюю мерзлоту от деградации. В работе [4] показано, что в некоторых ландшафтах Западной Аляски отсутствие мохового слоя указывает на отсутствие вблизи поверхности многолетней мерзлоты.
Параметры снежного и мохового покровов
Рост толщины снежного покрова в расчетах принят равным 20 % за 100 лет. За основу были приняты теплофизические параметры снежного покрова Шпицбергена. Динамика снегонакопления задавалась зависимостью
hs = (0,0089т + 0,013)/1^тах,
где hs — толщина снега, м; ^тах — максимальная высота снежного покрова, м, т — время, сут. Если т > 200, то принималось условие hs = ^тах.
Плотность снега принята в виде р.5 = 250^ + 100, кг/м3, при значении р.5 > 400 кг/м3 принималось значение р.5 = 400 кг/м3.
На арх. Шпицберген часть территории суши покрыта моховым покровом, который защищает грунт от нагревания в летний период. Одним из наиболее распространенных видов мха является Hylocomium splendens var alascanum. Для исследования его теплофизических свойств проводилось измерение температурного режима мохового покрова и грунта на специально выбранных площадках [3]. Измерение температуры во мхе Hylocomium splendens var alascanum позволило установить зависимость для определения коэффициента теплопроводности мха:
• в теплый период А,мвл = 0,0003^ + 0,0645;
• в холодный период А,мвз = 0,0014^ + 0,0645, где w — весовая влажность мха.
В холодный период года теплопроводность мха в 3-4 раза больше, чем в летний [3], поэтому моховой покров не является существенным препятствием для выхолаживания подстилающих пород в холодный период года. В период с положительными температурами воздуха наличие мохового покрова снижает температуру грунта и значительно уменьшает глубину его протаивания.
Климатические изменения на арх. Шпицберген
По данным метеостанции Баренцбург, средняя суточная положительная и отрицательная температура воздуха за 2001-2010 гг. составляет 4,3 и -7,8 °С соответственно, при этом наблюдается тенденция к их росту. Тренды положительной и отрицательной температуры воздуха за период 1982-2013 гг. задаются уравнениями:
у = 0,0382х - 72,271, R2 = 0,3094 и у = 0,1189х - 246,81, R2 = 0,2725 соответственно,
где х изменяется от 1982 до 2013 гг. [1].
Комплекс региональных моделей изменения климата на арх. Шпицберген рассмотрен в работе [5]. Прогнозируемый рост средней годовой температуры воздуха за период 2071-2100 гг. относительно 1961-1990 гг., согласно работе [5], составил 3-4 °С на западе арх. Шпицберген, тогда как рост средней суточной положительной температуры воздуха по среднему значению из региональных моделей составляет 0,046 °С/год, а отрицательной — 0,08 °С/год.
Температура, °С
0 5 10 15
Рис. 2. Температура грунта: 1 — под моховым покровом толщиной 8 см; 2 — без мохового покрова
Fig. 2. Soil temperature: 1 — under moss cover thickness of 8 cm; 2 — without moss cover
Рост средних годовых осадков на большей части архипелага составляет 10-20 %, в западных районах — менее 10 %. Прогнозные оценки температуры воздуха, по разным региональным моделям, в целом соответствуют трендам температуры воздуха на территории аэропорта Свальбарда (Ьо^уеагЬуеп).
Значительно отличается динамика температуры воздуха по глобальной модели изменения климата с учетом естественного 60-летнего колебания температуры воздуха, полученной на основании работы [6]. Тренды положительной и отрицательной температуры воздуха по глобальной модели задаются уравнениями:
• за 2011 по 2030 гг.:
у = -0,1821* + 370,74 (& = 0,3915) и у = -0,1032х + 202,02 (& = 0,4462);
• за 2030 по 2070 гг.:
у = 0,0782* - 155,87 (& = 0,248) и у = 0,0552* - 118,69 (& = 0,3499).
По этой модели до 2030 г. будет происходить снижение положительной температуры воздуха на 0,18 °С/год и отрицательной — на 0,10 °С/год, после 2030 г. рост положительной и отрицательной температуры воздуха составит 0,078 и 0,055 °С/год.
Оценка условий деградации многолетней мерзлоты
Деградация многолетней мерзлоты вызывается образованием несливающейся мерзлоты, переходящей в талик. Это происходит при росте температуры воздуха и толщины снежного покрова до их критических значений. Для супеси плотностью 1450 кг/м3 и влажностью 18 % по математической модели работы [7] были рассчитаны критические значения высоты снежного покрова в комбинации с возможной положительной и отрицательной температурами воздуха. Количество незамерзшей воды на границе мерзлой и талой зоны супеси принималось в 7 %. Значения теплоемкости и коэффициента теплопроводности талого и мерзлого грунта от влажности вычислялись по данным СНиП 2.02.04-88 [8]. Толщина слоя мерзлой горной породы принималась равной 100 м. Начальная температура грунта, по данным сайта* Университетского центра на Свальбарде, была принята -3 °С.
На рис. 3 представлена зависимость критических значений максимальной толщины снежного покрова от средней суточной положительной температуры воздуха. Так, при средней отрицательной температуре воздуха -7,8 °С рост средней положительной температуры воздуха до 6 °С приводит к деградации многолетней мерзлоты при высоте снежного покрова больше 1,5 м. Критические значения комбинации высоты снежного покрова и положительной температуры воздуха находятся над кривой.
В другой серии расчетов были использованы сценарии изменения климата по региональной [5] и глобальной климатическим моделям [6]. За основу были приняты теплофизические параметры снежного и мохового покровов Западного Шпицбергена. Расчеты времени начала деградации ММП по региональной модели изменения климата показали, что при толщине снежного покрова 0,5, 1 и 1,5 м (без мохового покрова) время начала формирования несливающейся мерзлоты приходится на 2053, 2032, 2023 г. при максимальной толщине талого слоя 1,82, 1,65 и 1,5 м соответственно. Расчеты по глобальной модели изменения климата показали, что при толщине снежного покрова 1, 1,5 и 2 м (без мохового покрова) время начала формирования несливающейся мерзлоты приходится на 2057, 2047, 2041 гг. при максимальной толщине талого слоя 1,55, 1,39 и 1,35 м соответственно (рис. 4).
* ЦКЬ: unis.no.
Рис. 3. Критические значения максимальной толщины снежного покрова от средней суточной положительной температуры воздуха
Fig. 3. Critical values of maximum thickness of snow cover depending on the average daily positive air temperature
Рис. 4. Время начала формирования несливающейся мерзлоты и максимальная толщина талого слоя грунта по глобальной (а) и региональной (б) моделям изменения климата при разной толщине снежного покрова
Fig. 4. Beginning time of formation of non-merging permafrost and maximum thickness of thawed layer estimated with global (а) and regional (б) models of climate change and with different depth of snow cover
При наличии мохового покрова Hylocomium splendens var alascanum толщиной 5 см начало формирования несливающейся мерзлоты по региональной модели изменения климата для снежного покрова толщиной 1, 1,5 и 2 м произойдет в 2055, 2042 и 2034 гг. соответственно (рис. 5). Время начала формирования несливающейся мерзлоты зависит от климатических изменений, параметров снежного и мохового покровов, влажности грунта. Результаты расчетов показали, что на участках без мохового покрова в ближайшее время возможна комбинация параметров, при которых будет происходить деградация многолетней мерзлоты. Согласно расчетам по глобальной и региональной модели, скорость роста талика через 5-10 лет после его формирования составляет 8-9 см/год при толщине снежного покрова 1,5-2,0 м и 3-4 см/год при толщине снежного покрова 0,5-1,0 м. При небольшой толщине снежного покрова происходит большее выхолаживание грунта и замедляется рост талика.
Рис. 5. Время начала формирования несливающейся мерзлоты в зависимости от толщины снежного покрова по региональной модели изменения климата при разной толщине снежного покрова и наличии мохового покрова Hylocomium splendens var alascanum толщиной 5 см Fig. 5. Beginning time of formation of non-merging permafrost depending on snow cover depth estimated with regional models of climate change with moss cover (Hylocomium splendens var alascanum) thickness of 5 cm
Заключение
Данные измерений показали влияние мохового и снежного покровов на температурный режим многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене. Рост высоты снежного покрова приводит к значительному повышению температуры приповерхностного слоя грунта. В условиях небольших положительных температур воздуха на арх. Шпицберген возрастает роль мохового покрова. Снижение температуры грунта под моховым покровом на несколько градусов может компенсировать рост температуры воздуха при изменении климата и предотвратить деградацию многолетней мерзлоты. Численные эксперименты на математической модели позволили оценить критические значения высоты снежного покрова, при которых образуется талик. При средней отрицательной температуре воздуха -7,8 °С рост средней положительной температуры воздуха до 6 °С приводит к деградации многолетней мерзлоты при высоте снежного покрова больше 1,5 м. Результаты расчетов времени формирования талика по региональной модели изменения климата при разной высоте снежного покрова и наличии мохового покрова показали, что при толщине снежного покрова 1,0 и 1,5 м и в отсутствие мохового покрова образование талика произойдет в 2032 и 2023 гг., тогда как при моховом покрове толщиной 5 см — в 2055 и 2042 гг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Климатические изменения и возможная динамика многолетнемерзлых грунтов на архипелаге Шпицберген / Н. И. Осокин [и др.]// Лед и снег. 2012. № 2. С. 115-120. 2. Влияние снежного покрова на промерзание и протаивание грунта на Западном Шпицбергене / А. Б. Шмакин [и др.] // Лед и снег. 2013. № 4. С. 52-59. 3. Тишков А. А., Осокин Н. И., Сосновский А. В. Влияние синузий мохообразных на деятельный слой арктических почв // Изв. РАН. Сер. географическая. 2013. № 3. С. 39-46. 4. William L. Cablel, Vladimir E. Romanovsky and M. Torre Jorgenson // Scaling-up permafrost thermal measurements in western Alaska using an ecotype approach // The Cryosphererci 2016. 10. P. 2517-2532. 5. Temperature and Precipitation Development at Svalbard 1900-2100 / E. J. Forland [et al.] // Hindawi Publishing Corporation Advances in Meteorology, Article ID 893790. 2011. 14 p. Research Article. 6. Large W. G, Yeager S. G. The Global Climatology of an Internally Varying Air-Sea Flux Data Set. Clim. Dyn. // 2009. 33. P. 341-364. 7. Сосновский А. В. Математическое моделирование промерзания грунта с учетом пространственно-временной изменчивости параметров снежного покрова // Материалы гляциологических исследований. 2000. Т. 89. С. 30-35. 8. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Минстрой России. М.: ГУП ЦПП. 1997. 52 с.
Сведения об авторах
Сосновский Александр Вульфович — доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института географии РАН E-mail: [email protected]
Осокин Николай Иванович — кандидат географических наук, заместитель директора Института географии РАН E-mail: [email protected]
Author Affiliation
Alexander V. Sosnovsky — Dr. Sci. (Geography), Leading Researcher, Institute of Geography of RAS E-mail: [email protected]
Nikolai I. Osokin — PhD (Geography), Deputy Director of the Institute of Geography of RAS E-mail: [email protected]
Библиографическое описание статьи
Сосновский, А. В. Влияние мохового и снежного покровов на устойчивость многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене при климатических изменениях / А. В. Сосновский, Н. И. Осокин // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 3 (10). — С. 178-184.
Reference
Sosnovsky Alexander V., Osokin Nikolai I. Impact of Moss and Snow Cover on the Sustainability of Permafrost in West Spitsbergen due to Climate Change. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2018, vol. 3 (10), pp. 178-184 (In Russ.).
