Статьи

ХХ век – период активного освоения советского Севера. В это время за Полярным кругом было построено множество крупных городов. Все они находятся в зоне вечной мерзлоты, которая начинает подтаивать в результате глобального потепления. Российские и американские учёные – специалисты Университета Джорджа Вашингтона, Государственного гидрологического института,

Института криосферы Земли СО РАН и Тюменского государственного нефтегазового университета – оценили опасность климатических изменений для арктических городов.

В статье, опубликованной в журнале Geographical Review, исследователи отмечают, что прогнозируемое потепление может повлиять на способность вечной мерзлоты выдерживать городскую инфраструктуру (N. I. Shiklomanov, D. A. Streletskiy, T. B. Swales, V. A. Kokorev «Сlimate change and stability of urban infrastructure in russian permafrost regions: prognostic assessment based on GCM climate projections», Geographical Review, 2016, 106, 1–18, doi: 10.1111/gere.12214).

Вечная мерзлота – подвижная структура. Если строить дома на её поверхности, она будет нагреваться и таять. Поэтому более 75% зданий в области вечной мерзлоты стоят на бетонных свайных фундаментах, чтобы между ними и поверхностью земли была изолирующая воздушная прослойка. Исследователей интересовало, насколько при потеплении климата изменится способность вечной мерзлоты удерживать эти сваи.

Несущая способность вечной мерзлоты, то есть максимальная нагрузка, которую можно приложить к одной свае, забитой в мерзлоту, без её поломки или деформации, зависит от температуры почвы и толщины активного слоя, то есть слоя, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает.

Учёные определяли влияние климатических изменений на стандартные бетонные сваи 10×0,35×0,35 м. Для этого они использовали параметры модели вечной мерзлоты для песчано-глинистых почв, покрытых толстым слоем органики и живыми мхами, и шесть климатических моделей, наиболее адекватно описывающих климатические изменения в Северной Евразии.

На основе этих моделей исследователи создали свою модель, позволяющую оценить влияние климата на вечную мерзлоту с 1965 года (большинство арктических городов было построено примерно в это время) до 2050 года. Дальнейшие расчёты не имеют смысла, поскольку инфраструктура Арктики рассчитана на столетний срок службы.

Согласно многочисленным данным, среднегодовая температура воздуха в Арктике повышается примерно на 0,12 °С в год, и к середине XXI века увеличится в среднем на 4–6 °С. Сильнее всего эти изменения будут заметны осенью и зимой. Но разные модели указывают различную величину и скорость потепления.

Оценить изменения высоты снежного покрова ещё сложнее, поскольку разные климатические модели предсказывают его уменьшение, увеличение или отсутствие изменений. Соответственно, и прогноз изменений параметров вечной мерзлоты также получается неопределённым.

По самым консервативным прогнозам, при минимальном изменении климата несущая способность вечной мерзлоты к середине века не превысит 25%. Это значит, что даже старым зданиям, построенным в 1970-х годах, ничего не угрожает, если они возведены с запасом прочности более 25%.

В случае реализации самого экстремального климатического сценария несущая способность мерзлоты для современной инфраструктуры, построенной в 2000-е годы, к середине XXI века сократится на 75–95%.

Конструкция стандартных советских свай не рассчитана на уменьшение несущей способности более чем на 55%.

Вне зависимости от климатического сценария наиболее сильные изменения произойдут в северо-западной области российской вечной мерзлоты. В том же регионе сосредоточены основные запасы нефти у угля, и с 1980-х годов его активно застраивали. Населенных пунктов там много, и потепление климата может затронуть около 350 тысяч человек.

Помимо климата, на мерзлоту влияют и антропогенные факторы: строительство дорог и инженерных коммуникаций, уборка снега, перераспределение растительности, тепло, которое выделяют промышленные и жилые здания, ослабляют несущую способность фундаментов. Зачастую основной причиной таяния вечной мерзлоты становятся ошибки в планировании, строительстве и техническом обслуживании инфраструктуры города, а не климатические изменения.

Ситуация обострилась в 1990-е годы, когда за субсидируемыми арктическими городами перестали должным образом следить. Снег не убирают, канализация протекает, нормы застройки нарушены, в результате мерзлота тает.

Есть технические решения, позволяющие ослабить антропогенное влияние на мерзлоту, но они слишком дороги, чтобы реализовывать их в городском масштабе. Разработку стратегии затрудняет и неопределенность климатических прогнозов.

Модель, которую разработали учёные, создана для того, чтобы отделить климатические эффекты от антропогенных. Однако её авторы надеются, что представленные ими результаты могут способствовать развитию новых строительных норм и адекватных стратегий адаптации к потеплению климата для российских северных городов.

Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда США (U.S. National Science Foundation) и Российского научного фонда.