Гидроаэродинамические процессы в бурящихся скважинах

Судьба  вечной мерзлоты: взгляд из прошлого в будущее 

 Изменения  климата, связанные с антропогенным  ростом концентрации парниковых  газов в атмосфере, в первую  очередь сказываются на наиболее  уязвимых компонентах природной  среды, чувствительных к переменам  термического режима. К ним относится и вечная мерзлота - многолетнемерзлые породы, подстилающие приблизительно две трети территории России. Изменение состояния грунтов при возможной деградации вечной мерзлоты отражается на инженерно-технических сооружениях (зданиях, магистральных нефте- и газопроводах, транспортной инфраструктуре, системах жизнеобеспечения) и в целом на окружающей среде.

На протяжении истории Земли эволюция вечной мерзлоты была тесно связана с глобальными  потеплениями и похолоданиями климата. В ближайшую теплую эпоху прошлого, приблизительно 6 тыс. лет назад, площадь распространения сплошной вечной мерзлоты в Северной Евразии, по данным палеоклиматических реконструкций, уменьшалась по сравнению с современной приблизительно на четверть. Еще большим было ее сокращение около 125-130 тыс. лет назад - в то время площадь сплошной вечной мерзлоты составляла менее одной пятой от нынешней. При этом среднеглобальная температура воздуха в приповерхностном слое воздуха была приблизительно на два градуса выше. Примерно таким должно быть потепление на нашей планете к середине XXI в., если выбросы в атмосферу парниковых газов будут поступать нынешними темпами. Этот сценарий, условно названный business as usual, предполагает рост содержания углекислого газа, метана, закиси азота и хлорфторуглеводородов, эквивалентный увеличению концентрации углекислого газа на 1% в год. При учете антропогенных выбросов сульфатных аэрозолей, которые увеличивают отражение солнечной радиации в космос и эффективно охлаждают поверхность, к середине XXI в. глобальная температура повысится на один градус.  
 

Метод палеоаналогов  был первым способом построения пространственных сценариев будущих состояний  климата, геосистем и их компонентов  в различных регионах. При этом палеоклиматические реконструкции строятся для тех интервалов геологического прошлого, во время которых уровни повышения среднеглобальной температуры по отношению к нынешним соответствовали ожидаемым в близком будущем. Эти построения - важный источник информации о многолетнемерзлых породах в эпохи длительных потеплений, когда приповерхностные горизонты приходили в устойчивое, равновесное с климатическими условиями, состояние. Однако темпы наблюдаемых за последние 30 лет и прогнозируемых в XXI в. изменений климата не имеют аналогов в прошлом. При таком быстром антропогенном воздействии отдельные звенья климатической системы не успевают подстроиться к внешним условиям. Можно ли применять метод палеоаналогов при моделировании быстро изменяющегося климата и дополняет ли он оценки будущих изменений компонент земной климатической системы (в том числе - криосферы) - на эти вопросы мы попытались ответить в нашей работе.

Моделирование изменений глобального  климата

Сложность изучения глобального климата связана с тем, что постановка физических экспериментов с контролем влияющих на него факторов невозможна. Такие работы можно проводить только с виртуальным (модельным) климатом, который отображает взаимодействие атмосферы, океана, криосферы, биосферы и поверхности суши на пространстве переменных физико-математических моделей. Наиболее подробные из них, называемые моделями глобального климата (общей циркуляции) - сложные динамические системы с большим числом степеней свободы и максимально подробным на настоящий момент описанием основных локальных климатообразующих процессов. В мире насчитывается несколько десятков таких моделей, которые в рамках множества международных программ непрерывно сравниваются между собой и с данными наблюдений. Поскольку они успешно воспроизводят эволюцию климата XX в., их считают “разведчиками будущего”, и в этом качестве этим моделям альтернативы пока нет.

Первые попытки  представить изменения климата  под действием антропогенных  выбросов парниковых газов на моделях  общей циркуляции были предприняты в середине 70-х годов прошлого века. Одним из слабых мест этих работ было описание океана - самого инерционного из звеньев земной климатической системы. Удвоение эквивалентной концентрации углекислого газа в атмосфере при развитии сценария business as usual ожидается уже в 70-х годах XXI в. За такой короткий период океан не успеет полностью приспособиться к изменению внешних условий. Поэтому в последнее время в мире стартовало новое поколение моделей общей циркуляции атмосферы и океана, более подробно учитывающее океанические процессы [4].

Эксперименты  с моделями такого типа требуют значительных затрат вычислительных ресурсов, в  особенности при расчетах эволюции климата до нескольких сотен лет, и могут проводиться только на самых современных ЭВМ. Поэтому развиваются и модели климата промежуточной сложности [5], требующие в сотни раз меньше машинного времени и памяти: в них многие явления, такие как конденсация водяного пара или динамика отдельных циклонов и антициклонов, описываются через характеристики крупномасштабных полей. Эти модели климата также сравниваются с данными наблюдений и результатами более подробных моделей общей циркуляции.

При воспроизведении  эволюции климата последних десятилетий  на современных моделях было замечено, что данные наблюдений согласуются  с ними лучше, если помимо парниковых газов учитывать и эффект антропогенных выбросов сульфатных аэрозолей. Сосредоточенные в основном в нижних слоях атмосферы, они приводят к выхолаживанию этих слоев вследствие эффективного отражения солнечного излучения. При прогнозировании климата охлаждающее действие аэрозолей становится еще заметнее. Расчеты изменений средней глобальной температуры приземного воздуха до конца XXI в. на одной из самых современных моделей общей циркуляции атмосферы и океана [4] показали, что антропогенная эмиссия парниковых газов приведет к увеличению средней глобальной температуры на 1.8°С к середине века по сравнению с периодом 1960-1990 гг., что близко к оценке ее повышения 125-130 тыс. лет назад, в период Микулинского межледниковья (по данным палеореконструкции). Учет аэрозольной эмиссии снижает эту величину до 1.3°С, что ближе к условиям, существовавшим 10 тыс. лет назад - в оптимум голоцена. Каковы же современные представления о многолетнемерзлых грунтах в эти эпохи?

Распространение мерзлоты в теплые эпохи

В истории становления  области многолетней мерзлоты можно  выделить несколько весьма неравноценных  по времени этапов. Сезонная, а затем  и многолетняя криолитозона возникла в результате похолодания 10-1.8 млн лет назад. Второй период (1.8-0.13 млн лет назад) характеризовался разрастанием многолетней мерзлоты в холодные эпохи и почти полным ее исчезновением в теплые межледниковые. Третий этап включает в себя последний климатический макроцикл межледниковье-оледенение и соответствует позднему плейстоцену (130-10.3 тыс. лет назад). Здесь параметры криолитозоны изменялись особенно резко - от климатического оптимума уже упомянутого Микулинского межледниковья (125 тыс. лет назад) к максимальному последнему похолоданию (20-15 тыс. лет назад).

Индекс  относительной суровости  и границы современной  криолитозоны.

Во время еще  не завершенного четвертого этапа последнего межледниковья особое место занимает оптимум голоцена (около 6 тыс. лет назад) Именно его считают палеоаналогом ближайших ожидаемых изменений климата в результате антропогенного увеличения содержания парниковых газов в атмосфере.

В это время  глобальная температура выше современной  на 0.8-1.0°С. Область многолетней мерзлоты значительно сократилась. Так, в европейской части России, к западу от низовьев Печоры, с поверхности она полностью протаяла, в западном секторе Западной Сибири южная граница криолитозоны проходила у Полярного круга, но восточнее 80°в.д. опускалась к 64-63°с.ш. На юге Восточной Сибири, на всем левобережье Ангары, ее практически не было, а восточнее Байкала южная граница мерзлоты не поднималась севернее 52-53°с.ш., на севере Западной Сибири сдвигалась к северу на 300-400 км, на западе Средней Сибири на 150-200 км. Менее значительны были изменения зоны многолетнемерзлых пород в Восточной Сибири и на северо-востоке Азии.

Из-за деградации с поверхности западного сегмента криолитозоны возник слой глубокозалегающих  многолетнемерзлых пород, не успевших протаять в климатический оптимум  голоцена. Такие породы сохранились и до сих пор на больших глубинах (сотни метров), например, в бассейне Печоры или в средней полосе Западной Сибири.

В оптимум последнего Микулинского межледниковья (палеоаналога глобального потепления на 2°С) произошло  еще более радикальное сокращение криолитозоны по сравнению с предшествующим временем. В это время на территории Восточно-Европейской равнины на поверхности она практически растаяла, на севере Западной Сибири южная граница криолитозоны проходила у Полярного круга, в Средней Сибири - вблизи 63°с.ш., и только в Северном Забайкалье она могла опускаться до 55-54°с.ш. Сплошная криолитозона (с температурами мерзлых грунтов не ниже –2-3°С) могла сохраняться только вдоль северной кромки Сибири к востоку от 90-100°в.д. Таким образом, обширные районы Сибири были заняты островками мерзлоты, что должно было вести к активной деградации сплошных многолетнемерзлых толщ, сформировавшихся в конце среднего плейстоцена. Только в Восточной Сибири, к северу от 68-70°с.ш., существовали благоприятные условия для сохранения криолитосферы.

При восстановлении динамики ее различных подзон в течение  интересующих нас двух теплых эпох был применен индекс относительной  суровости I, представляющий собой отношение  минимальной (как правило, января) и  максимальной (как правило, июля) среднемесячной температуры воздуха (в °С). Этот показатель, разработанный на основе эмпирических данных одним из авторов статьи, В.П.Нечаевым, характеризует локальные климатические условия, благоприятные для образования мерзлых грунтов [6]. С его помощью можно воспроизвести современное положение границы вечной мерзлоты: для сплошной многолетней значение индекса оказалось меньше –2, а для распространения мерзлоты вообще – меньше –1.

Тот же индекс мы использовали для сопоставления  положения границ зон вечной мерзлоты двух уже упомянутых теплых эпох прошлого с расчетами на модели общей циркуляции атмосферы и океана Института  метеорологии Макса Планка (г. Гамбург) в середине XXI в.: с учетом влияния сульфатного аэрозоля и без его учета. Оказалось, что парниковое воздействие при развитии сценария business as usual приближает положение границ мерзлотно-климатических зон к Микулинскому межледниковью, охлаждающее действие аэрозолей - к оптимуму голоцена. Выше уже отмечалось, что это справедливо и для расчетов уровня повышения средней глобальной температуры. Таким образом подтверждаются возможности метода палеоклиматических реконструкций, и в частности палеоаналогов.

Индекс  относительной суровости по расчетам климатической модели на 2040-2050 гг. и данным палеореконструкций. Вверху - полученный в эксперименте с учетом выбросов аэрозоля (цветная линия) и для климатического оптимума голоцена (6 тыс. лет назад); внизу - без учета выбросов аэрозоля (цветная линия) и для климатического оптимума Микулинского межледниковья (125 тыс. лет назад).

Глобальная  температурная чувствительность мерзлотно-климатических  условий

Метод палеоаналогов  развивался для диагностики пространственного  распределения климатических аномалий при заданном уровне изменения средней глобальной температуры. Удобство его применения было во многом связано с тем, что такая температура прогнозируется более надежно по сравнению с деталями регионального распределения этой климатической характеристики, разброс в оценках изменения среднеглобальной температуры по отдельным моделям не слишком велик. При этом зачастую привлекаются упрощенные модели климата с малым числом хорошо контролируемых параметров. При быстрых изменениях климата, когда его состояние в каждый момент времени далеко от равновесного, достижимого только в отдаленном будущем, возникает вопрос о самом существовании взаимосвязей между средней глобальной температурой и исследуемыми климатическими параметрами.

На модели общей циркуляции атмосферы и океана и модели климата промежуточной сложности, созданной в Институте физики атмосферы, мы проследили за наиболее простой характеристикой мерзлотных условий - площадью континентальных территорий Северного полушария (S_i), со значением индекса суровости меньще –2, характерным для сплошной мерзлоты, - меняющейся в зависимости от среднеглобальной температуры. Другими словами, была оценена глобальная температурная чувствительность мерзлотно-климатических условий. Результаты моделирования показали тесную линейную связь исследуемых характеристик. При этом чувствительность мерзлотно-климатических условий (на графике наклон прямых площадь-температура) практически одинакова для сценариев с учетом воздействия сульфатных аэрозолей и без них и лежит в интервале от 0.4 до 0.25 К^–1.

В среднем увеличению среднеглобальной температуры на один градус соответствует уменьшение площади  сплошной вечной мерзлоты на одну треть. По данным палеореконструкций для Северной Евразии, при увеличении средней глобальной температуры на 1°С (оптимум голоцена) площадь S_i(–2) уменьшается на 25% по сравнению с современной, что соответствует чувствительности 0.25 К^–1; при увеличении на 2°С (Микулинское межледниковье) уменьшение этой площади достигает 80%, а чувствительность - 0.4 К^–1. Другими словами, модельные и палеогеографические значения этих характеристик совпадают. Следует, правда, иметь в виду, что модельные эксперименты проводились только с учетом изменения содержания парниковых газов и сульфатного аэрозоля и не учитывали возможное влияние других воздействий на климат.

Насколько мы близки к прошлому?

Как уже отмечалось выше, глобальные потепления прошлого протекали на гораздо более длительных отрезках геологического времени в  сравнении с современными быстрыми темпами изменений климатообразующих процессов. Поэтому их следует рассматривать как возможные палеоаналоги предельных квазиравновесных состояний климатической системы, соответствующих текущему расчетному уровню глобального потепления в будущем. С другой стороны, собственная инерционность многолетних мерзлых грунтов, которая может достигать нескольких десятков лет на уровне нулевых годовых колебаний, не позволяет проводить прямые аналогии между текущим уровнем потепления на поверхности и состоянием вечной мерзлоты. Однако при моделировании нестационарного отклика климата на современных моделях общей циркуляции атмосферы и океана связь мерзлотно-климатических условий с уровнем глобального потепления оказывается тесной.