Невечная мерзлота: как ученые исследуют арктический «фундамент» северной Сибири
19 августа 2025 г.
Ученые Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН (ИЛ СО РАН) разрабатывают технологии для мониторинга, моделирования и прогнозирования состояния вечной мерзлоты, опираясь на междисциплинарный подход и спутниковые данные. Об этом рассказывает к.т.н. Е. И. Пономарев, старший научный сотрудник института.
Кто и как предсказывает поведение криолитозоны
Проект, который ведут ученые ИЛ СО РАН при поддержке Российского научного фонда и Красноярского краевого фонда науки, объединяет специалистов из разных направлений: экологов, климатологов, теплофизиков, программистов и специалистов по дистанционному зондированию Земли и геоинформационным системам. Их цель – научиться не просто фиксировать изменения, но и строить надежные прогнозы: где мерзлота уже теряет устойчивость, какие зоны наиболее уязвимы, и где риски станут критическими в ближайшие годы.
Работа строится на сочетании трех ключевых компонентов: спутниковых снимков, наземных обследований и численного моделирования. Один из важнейших инструментов в руках ученых – это спутниковые данные. Благодаря технологии дистанционного зондирования с орбиты можно наблюдать огромные территории, фиксировать изменения характеристик почвы и растительности. На их основе разрабатываются технологии картографирования и мониторинга ландшафтных изменений. Оцениваются спектральные индексы, отражающие нарушенность растительного и почвенного покрова, а также анализируются временные ряды этих показателей, позволяющие понять, насколько сильна трансформация ландшафта в результате деятельности человека.
Другая важнейшая часть работы разворачивается непосредственно на земле. Ученые проводят замеры, собирают данные о температуре и влажности почв на разных глубинах, теплофизических и диэлектрических свойствах почвенных горизонтов. Отдельным блоком выполняются работы с применением средств подповерхностного георадарного сканирования пробных площадей и выявления двух- и трехмерной картин залегания мерзлотных слоев на участках различной степени антропогенной нарушенности. Это нужно для калибровки результатов дистанционного зондирования – без нее спутниковые наблюдения теряют точность и информативность. Весь комплекс получаемых данных объединяется в моделях, которые рассчитывают тепловой режим почв в разных сценариях. Всё это помогает не просто оценивать текущее состояние арктических ландшафтов и почв, но и понимать, моделировать, прогнозировать, оценивать потенциальный ущерб и уязвимость будущих проектов на этапе планирования.
«Нашим коллективом зарегистрировано уже восемь патентов, четыре программных продукта и четыре базы данных. Разработаны методы картирования почвенного профиля на основе съемки в инфракрасном диапазоне, классификации по тепловому состоянию, оценки степени трансформации ландшафтов. И главное – все эти технологии применимы на практике. Удалось сформировать полноценный банк данных состояния и теплофизических характеристик почв по зонам многолетней мерзлоты, прежде всего в пределах Красноярского края и арктической Сибири. Он пополняется и калибруется каждый год и будет расширяться дальше на основе продолжающихся наземных экспериментов. Такой массив информации позволяет прогнозировать последствия изменений заранее, принимать корректирующие решения до начала строительства или эксплуатации объектов и, самое главное, способствовать сохранению устойчивости территорий в условиях всё более нестабильного климата. Значительная часть работы уже автоматизируется: на основе собранных данных обучаются алгоритмы машинного анализа спутниковых снимков. Это значит, что в будущем мониторинг состояния ландшафтов и мерзлоты сможет вестись в полуавтоматическом режиме – быстро, масштабно и без потери точности. А это, в свою очередь, позволит принимать управленческие и инженерные решения», – отмечает Е. И. Пономарев.
Что показали многолетние наблюдения
За последние годы специалисты накопили уникальную базу данных по мониторингу криолитозоны. С помощью современных технологий сбора информации, новейшей приборной базы и численных моделей, разработанных в институте совместно со специалистами-теплофизиками, удалось построить сценарии изменения состояния сезонно-талых слоев почвы и ландшафтов в условиях различной степени техногенной нагрузки.
Выявлены закономерности в распределении тепловых потоков и температурных аномалий в почвенных профилях в зависимости от уровня промышленного воздействия на ландшафт. Один из ключевых выводов: на участках, где растительный покров деградирует, глубина сезонного протаивания возрастает вдвое по сравнению с фоновыми территориями. Это и есть последствия нарушений естественного теплообмена, ускоряющие деградацию мерзлоты.
Использование дистанционного зондирования позволило отслеживать сезонные колебания спектральных индексов, включая вегетационный индекс, и привязывать эти данные к степени трансформации ландшафта. Например, в промышленных районах Норильска заметно, что сезонные колебания сильно зависят от уровня техногенной нагрузки. Это дает возможность не только фиксировать изменения, но и оперативно реагировать на них с учетом вероятного риска для техногенных объектов и инфраструктуры.
На основе полевых и дистанционных данных ученые обнаружили, что на участках с нарушенным растительным покровом глубина протаивания вдвое выше нормы. Были выявлены закономерности тепловых потоков и изменчивости температуры почвы в зависимости от уровня техногенной нагрузки. Построенные сценарии показали, до 40% обследованных техноплощадок в криолитозоне могут попасть в зону критического риска при определённых климатических траекториях. Эти модели хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями и позволяют прогнозировать, как изменится состояние мерзлотных слоёв под влиянием инфраструктурных объектов и при различных климатических сценариях.
«Практическая ценность таких моделей в том, что они позволяют не только предсказывать глубину сезонного протаивания, но и оценивать уязвимость конкретных объектов – дорог, зданий, трубопроводов. Например, можно заранее выяснить, как изменится тепловой режим почвы после начала эксплуатации карьера, и какие инженерные решения понадобятся, чтобы минимизировать риски. Прогнозы выполняются как на уровне локальных участков, так и в масштабах целых территорий и промышленных зон. Модели позволяют с высокой степенью точности предсказывать, как изменится глубина протаивания в зависимости от характера внешней нагрузки – будь то строительство дороги, буровой площадки или складского комплекса. И, что особенно важно, позволяют оценивать обратное влияние: как сами эти сооружения могут пострадать от разрушающегося мерзлотного "фундамента"», – поясняет ученый.
Отдельное внимание уделяется вопросам рекультивации и восстановления ландшафтов после промышленного вмешательства. Дистанционные методы и алгоритмы позволяют отслеживать эффективность рекультивации – фиксировать, где восстановление идет успешно, а где процесс затормозился. Этот процесс также рассчитывается по сезонным колебаниям спектральных индексов, давая количественные оценки, когда и какими темпами участок восстанавливается и насколько эффективно. Одним из неожиданных выводов этих исследований для ученых стало то, что сохранение микрорельефа после добычи ископаемых, например, невыравнивание отвалов, способствует восстановлению растительности в отличие от традиционного выравнивания, которое не всегда позволяет формироваться условиям естественного восстановления. Дистанционный мониторинг показывает: в таких условиях участки быстрее возвращаются к состоянию устойчивости.
Взгляд в будущее
Сегодня в распоряжении ученых находится мощный инструментарий анализа процессов в криолитозоне: от дистанционных алгоритмов до численных моделей. Эти технологии уже позволяют оценивать масштабы изменений в мерзлотных ландшафтах, прогнозировать их последствия и вырабатывать рекомендации по рациональному природопользованию и восстановлению экосистем.
Следующий шаг – создание полнофункционального сервиса экологического мониторинга и прогнозирования в условиях многолетней мерзлоты. Этот инструмент призван объединить данные дистанционного зондирования, подповерхностного георадарного сканирования, численного моделирования и наземных наблюдений в единую систему, доступную как для научного сообщества, так и для промышленных компаний, надзорных органов и экологических экспертиз. При этом речь идет не только об исследовании природных процессов, а о выработке механизмов, позволяющих сохранить баланс между промышленным освоением северных территорий и поддержанием их экологической устойчивости.
«Наблюдения за мерзлотой – ныне необходимый инструмент для устойчивого развития северных территорий. Работы ученых интересны не только научному сообществу, но и промышленным компаниям. Комплексные обследования помогут предприятиям оценить экологические риски, связанные с работой в криолитозоне, и наметить пути снижения ущерба. Основная задача ближайших лет – развертывание сервисов экологического мониторинга и прогноза долговременных эффектов воздействия на мерзлоту. Это требует развития приборной базы, увеличения пропускной способности станции спутникового приема, модернизации оборудования. Кроме того, необходимо усилить инфраструктуру коллективного пользования и расширить штат исследовательских групп. Спрос на такие решения будет расти. И не только в Красноярском крае. Переход к устойчивому освоению Севера невозможен без понимания процессов, происходящих под ногами. А значит, наука о мерзлоте становится не просто актуальной, а стратегически важной для будущего», – отметил Е. И. Пономарев.
Источник: Красноярский научный центр СО РАН.
Читайте также:
Метки: мерзлота и мерзлотоведение