Член-корреспондент РАН Михаил Железняк: «Холод ― это тоже ресурс»
19 октября 2023 г.
Что такое вечная мерзлота? Какие бывают ее виды? Правда ли, что она деградирует? Почему важно ее изучать? Какая фундаментальная научная информация скрывается в мерзлых породах и какие практические возможности открывают эти знания? Об этом «Научной России» рассказал директор Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН член-корреспондент РАН Михаил Николаевич Железняк.
― Институт мерзлотоведения совершенно уникален. Институтов физики, химии, биологии огромное количество, а институт мерзлотоведения — единственный. Неудивительно, что он расположен в Якутии, где находится вечная мерзлота. Какого рода специалисты работают в институте?
― Специалисты самые разные. Для того чтобы говорить о мерзлоте, нам нужно знать почвы, разрезы и свойства горных пород, растительность, понимать, как изменяются климатические условия. Поэтому у нас работают специалисты географического, биологического, технического и геолого-минералогического направления, ведь мерзлые породы имеют свои особые свойства, которые в значительной степени изменяются в зависимости от температуры грунтов.
― Почему важно изучать вечную мерзлоту?
― Порядка 33–35% нашей Земли ― это территория, где развиты многолетние мерзлые породы. На территории России 63% территории с многолетними мерзлыми грунтами. На территории нашей республики, на Чукотке это 98–99% территории. Мы здесь живем, что-то строим, развивается природная среда. И чтобы отвечать на многие вопросы, связанные с состоянием природной среды, возможностью ее освоения, прогнозировать на завтра, необходимо понимать, какие могут быть изменения, быть к ним готовыми. Для этого мы изучаем мерзлоту. Это и определяет возможности комфортной человеческой жизни и эффективного строительства. Несомненно, строить можно везде, на любых грунтах, однако эти сооружения должны быть устойчивыми, надежными и целесообразными с экономической точки зрения и социально значимыми.
― Что важного для ученых несет вечная мерзлота?
― Для ученого это объект исследований, часто динамично изменяющийся, зависящий от многих факторов. Понятие «вечная мерзлота» ввел Михаил Иванович Сумгин. Конечно, нет ничего вечного, как говорят, но здесь он имел в виду век человеческой жизни. И когда мерзлые толщи существуют более 100 лет, для нас они «вечны». В некоторых регионах мерзлота существует, не протаивая, уже 2 млн лет.
Какого рода научную информацию она содержит? Во-первых, информацию о свойствах пород, о наличии или отсутствии льда, который их определяет. Наличие льда говорит о степени реакции (интенсивной или длительной) на изменение природных условий, в том числе климатических. Мы всегда хотим жить стабильно. Климатические изменения ведут к изменению мерзлотных условий, но в разных типах ландшафта и разных условиях теплообмена они совершенно различны.
Еще мерзлота несет информацию палеонтологического плана. Мы находим в ней бактерии, вирусы, при таянии они выносятся в природную среду — и это определенная угроза. Но из бактерий, которые жили десятки тысяч лет назад, делают и лекарства, которые успешно применяются. Поэтому мерзлота ― объект, в котором есть и много положительного, и много трудных моментов и нежелательных последствий. Все это надо изучать.
― А надо ли бороться с мерзлотой?
― Бороться с природной средой, формированием ее глобальных закономерностей, думаю, не стоит. С начала ХХ века мы все время пытались бороться с мерзлотой, считая ее негативным фактором для освоения территорий. Сейчас, получив знания о причинах и особенностях формирования мерзлых толщ, несомненно, нужно менять парадигму отношения к ней. Не нужно бороться с глобально формирующимися законами природной среды, в том числе с изменениями климата, нужно научиться жить в формирующихся природных условиях, прогнозировать их изменения.
Необходимо не терять разум и оценивать, что сделать возможно, а с чем необходимо бороться для сохранения жизни на Земле. Мерзлота была и будет образовываться и исчезать. Наука мерзлотоведение должна помогать человечеству, биологам, инженерам, чтобы жить на Севере и не пугаться холода и вечной мерзлоты.
― Насколько катастрофические изменения происходят с мерзлыми породами? Вы действительно наблюдаете, что их становится меньше? Или тревога преувеличена?
― Изменения климатических условий, несомненно, приводит к изменениям природной среды, в том числе мерзлых пород. Состояние последних необходимо прогнозировать, а для этого надо опираться на факты конкретных региональных изменений, создавать системы контроля состояния мерзлых толщ.
С моей точки зрения, таяние мерзлоты и эмиссия газов ― это преувеличенные страхи. Когда мы начинаем говорить об эмиссии газов, «метановых бомбах», все пугаются. Хочу сказать, что в Якутске, где я живу, мощность мерзлых толщ ― 300–350 м. Чтобы они растаяли при современных изменениях климата, нужно несколько тысяч лет. Будут ли такие условия ― большой вопрос. Да, мы ощущаем изменение климатических условий. Климат служит одним из факторов, определяющих наличие мерзлых толщ. Однако помимо изменения климата еще есть условия теплообмена на поверхности и изменяющиеся свойства пород. Когда нам холодно, мы надеваем теплую одежду. А природная среда реагирует на изменения климата изменениями условий теплообмена на поверхности (растительность, количество и динамика снежного покрова и пр.).
Мерзлые породы ― это грунты и почвы, содержащие в своем составе лед. Когда есть лед в горных породах, прежде чем эти породы примут положительные значения температуры, должен растаять весь лед. Для этого требуется дополнительная энергия (теплота фазовых переходов), это определяет некоторую консервативность мерзлых пород к изменениям теплового режима. Эта консервативность и дает определенный запас времени. Поэтому наблюдение за динамикой теплового поля позволяет прогнозировать состояние и применять превентивные инженерные мероприятия для поддержания мерзлого состояния, обеспечивать устойчивость сооружений.
― И что же мы видим?
― Мы видим, что изменения мерзлоты происходят по-разному в зависимости от изменения климатических условий, свойств пород и условий теплообмена на поверхности. В некоторых регионах, где 50–60 лет назад мерзлоты было 15–20 м, она могла протаять полностью, а где-то частично.
Несомненно, изменение теплового режима, в том числе изменение мерзлых толщ происходит, однако темпы этого различны. Так, в Западной Сибири и в ряде районов Южной Сибири наблюдается опускание верхней кровли вечной мерзлоты, формирование слоя сезонного промерзания и образование талого горизонта между многолетнемерзлыми породами и сезонно-мерзлым слоем.
Та же Арктическая зона РФ неоднородна: есть западный сектор, где мерзлоты уже, по сути, нет или же она имеет очаговый характер распространения, а есть центральный сектор Арктики, где мерзлые породы имеют деградирующий характер. Или восточный сектор Арктики, где идут изменения теплового состояния мерзлых пород. Это позволяет, учитывая опыт западных регионов, подготовиться, научиться контролировать процесс и принимать прогнозные решения, как дальше жить, осваивать территорию, вести хозяйственную деятельность.
― И каковы же ваши прогнозы на ближайшее будущее?
― В Центральной Якутии, где мы сейчас находимся, среднегодовая температура воздуха за 50 лет повысилась на 3,5°. Но реакция температуры и сезонно-талого слоя совершенно различны. Есть ландшафтные условия, лесные массивы, которые сохраняют более или менее стабильное состояние, и там за 50 лет температура изменилась на 0,3–0,6 градуса. Есть участки, где межгодовая изменчивость сезонно-талого слоя меняется в широких пределах 30–50 см, а общий тренд этого параметра близок к нулю. Это говорит о незначительной реакции мерзлоты. А есть ландшафты без древесной растительности, мерзлота на которых изменяется интенсивно. Словом, для разных участков — разные прогнозы.
― Часто говорят, что происходит деградация мерзлоты. Это так?
― Я считаю, что говорить о деградации в целом неверно. Деградация мерзлоты ― это ее исчезновение. Сегодня правильно говорить об ее изменении. Климатических моделей много, есть и альтернативная точка зрения, что в ближайшее время будет 50-летний период похолодания. Мы сейчас живем не в стадию глобального потепления, как думают многие, а в короткопериодную стадию повышения температуры. Если наступит стадия похолодания, начнутся другие процессы. Мы сейчас пытаемся вставить в законодательные документы термин «деградация», но я с этим не согласен, и в документах нужно четко говорить именно об изменениях.
― Почему это важно?
― Потому что, когда будет похолодание, мы будем говорить об аградации мерзлоты. А это другой процесс, но он тоже связан с определенными изменениями ― процессами пучения грунтов, которые зависят от состава горных пород.
― Поговорим о вашем институте. Какие научные работы сейчас у вас ведутся? Что считаете наиболее актуальным и интересным?
― Сначала скажу об образовании института. В 1939 году Михаил Иванович Сумгин приехал с первой экспедицией в Якутию. Вместе с ним был Павел Иванович Мельников, основатель института, тогда молодой сотрудник. Уже в 1941 году они подготовили документы и в Якутске была открыта мерзлотная станция. В 1956 году. она стала филиалом Института мерзлотоведения им. В.А. Обручева, который находится в Москве. А в 1960 году с легкой руки Н.С. Хрущева и при поддержке Обкома коммунистической партии Якутии был создан академический институт в Якутске. Главным объектом его исследований стала мерзлота.
С самого начала у Института мерзлотоведения было два крупных научных направления, исследования в рамках которых продолжаются и сейчас. Первое ― это современное состояние и эволюция мерзлых толщ; где и как распространена мерзлота, какой имеет состав, генезис; подземные льды; криогенные процессы и явления. Это оценка реакции территорий и мерзлотных ландшафтов на изменения климата, устойчивости природной среды, в том числе геокриологических условий. Это изучение мерзлотно-гидрогеологических условий и оценка влияния подземных вод на мерзлые толщи и устойчивость инженерных сооружений. У нас есть наработки по надмерзлотным водам.
Второе ― обеспечение устойчивости инженерных сооружений, взаимодействие зданий и сооружений с мерзлыми грунтами, влияние этих сооружений на мерзлые толщи. Холод ― это ресурс, и мы можем его использовать.
― А как его можно использовать?
― Простой пример. На территории института построен гараж. К нему не подведено центральное отопление, нет печек. Это хорошо теплоизолированное строение, которое мы два раза в сутки открываем, туда заезжают машины. На улице –50 °С и ниже, а в гараже не ниже –7 °С.
Как этого удалось достичь без всякого обогрева? В гараже стоят емкости, в них вода. Замерзая, она выделяет тепло. И подобрано такое количество воды, чтобы она, замерзая, обеспечивала тепло в гараже. Это не фантастика, а нормальная физика и умение ее применять.
― Вы сами придумали такой способ?
― Да. У нас есть патент на изобретение. Великие физики открыли, что, когда вода замерзает, она выделяет тепло. Мы просто воспользовались и сделали такую наработку. У нас есть профессор Г. П. Кузьмин, который это разработал.
Есть еще уникальные разработки, связанные с подземным хранением углеводородов. Можно не применять большие емкости на поверхности, а в определенных грунтах сделать выемки или подземные выработки, заполнить их водой, через некоторое время ее откачать, создав тем самым подземную емкость с корочкой грунтов, насыщенных водой. После этого можно закачать туда жидкое топливо, которое может десятки лет храниться под землей. В Якутске это можно осуществить на глубине 10–12 м.
Мы знаем, что есть охлаждающие системы, позволяющие охлаждать грунты, ― это вертикальные и горизонтальные термостабилизирующие устройства, которые сейчас широко применяются.
Сотрудники ИМЗ АН СССР много вложили в создание сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ), которые сейчас широко применяются во всем мире для стабилизации мерзлых грунтов. Это система, состоящая из двух труб и теплообменника на поверхности. В холодный период охлажденная жидкость становится тяжелой, она опускается вниз, вытесняя более теплую, которая по внутренней трубе поднимается наверх. Такой двигатель работает в холодный период года, охлаждая нижележащие грунты.
― На Севере дома возводят на сваях (их часто называют «куриными ножками»). Что это дает?
― В Якутске под этими зданиями температура грунтов на два градуса ниже, чем в естественных условиях, потому что зимой туда не попадает снег, нет теплоизолирующего слоя, а летом не попадает прямая солнечная радиация. Холодный ресурс можно использовать безгранично.
В 2013 году мы построили подземное хранилище для семян растений. Сделали из труб воздушную циркуляцию на глубине от 4 м, и, когда начинаются холода, охлажденный воздух циркулирует по трубам, охлаждая горный массив. Таким образом, этим инженерным решением мы понизили температуру грунтов до –10°. Даже на Шпицбергене тратят на это энергию. А мы, имея такое хранилище, платим за электроэнергию 1,5 тыс. руб. в год — только за свет, а его включают редко.
Криогенный ресурс нужно использовать. Это энергетический и биологический ресурс. Это мерзлые материалы, которые тоже можно применять.
― Что это за материалы?
― Мы можем увеличивать толщину льда, используя создание искусственных наледей, снежный покров ― в качестве теплоизоляционного материала или материала, способного сохранить определенные свойства грунтов, которые нам необходимы.
― Какие планы и перспективы имеются у института?
― Мы понимаем: чтобы управлять мерзлотой, нужно ее знать. И одна из основных задач сейчас ― создать работоспособную систему контроля над состоянием мерзлоты. Это позволит количественно и дифференцировано оценить роль факторов для различных природных условий, обеспечить адекватные прогнозы и, соответственно, проектные решения, без чего невозможно эффективно управлять ограниченными пространствами природно-технических систем.
Вторая задача ― научиться строить на мерзлых грунтах, использовать разные конструкции и мероприятия, которые придуманы нашими инженерами. Это различные системы вентилирования (СОУ, каменные наброски, защитные покровы), новые технологии строительства, ведь мы должны реально понимать, что строим объект на годы. Если мы имеем определенные прогнозы по изменению климатических условий, мы сегодня должны подобрать такое проектное решение, чтобы оно работало в период эксплуатации, и разработать превентивные решения в случае каких-либо изменений.
― Какие тут могут быть решения?
― Представьте себе замерзший глинистый грунт. Он ведет себя как скальная порода. Изменились тепловые условия, и если грунт оттаял, он себя ведет как вязкая пластичная масса ― «каша». Почему у нас в Западной Сибири есть проблема со строительством дорог? Сейчас мы вкладываем очень большие деньги, потому что там 150–250-метровые глинистые и суглинистые толщи, которые когда-то были проморожены, а сейчас протаивают. Менять эти грунты на другие очень дорого и практически невозможно. Сегодня для укрепления грунтов в большинстве случаев используют охлаждающие системы.
Если мы осваиваем северные регионы, мы должны владеть всем инструментом технических решений, а в первую очередь ― понимать, прогнозировать, знать, как поведет себя мерзлота в тех или иных условиях.
Институт мерзлотоведения готов оказывать компаниям, которые приходят работать на Север, всяческую помощь. Если использовать терминологию врачей, я всю жизнь мечтал быть терапевтом, а работаю хирургом. Как только возникает проблема ― бегут в Институт мерзлотоведения. А если бы компании начинали на стадии своего развития работать вместе с мерзлотоведами, мы бы строили устойчивые сооружения, оставалась бы нормальная природная среда.
― Думаете, это реально?
― Я занимаюсь мерзлотоведением 50 лет, и у меня нет никаких сомнений, что этим можно управлять, можно строить и нормально жить на Севере.
― Никогда не хотели перебраться куда-нибудь, где потеплее?
― Да мне тепло дома, с семьей. Я себя чувствую комфортно. Никогда не было таких желаний и планов. А отогреваюсь летом.
― На моря отправляетесь?
― Поскольку я занимаюсь мерзлотой, ее распространением, все полевые сезоны затрагивали и зиму, и лето, но в основном это летние сезоны, когда можно забраться в самые труднодоступные уголки, где мало или совсем нет дорог. Поэтому я все время на Севере, в Якутии. На лето не уезжаю. Зимой в феврале едем с семьей на Алтай.
― Чем вас привлекает Якутия? Что находите в ней неповторимого и прекрасного?
― Что неповторимого и прекрасного в любви?
― Все!
― Вот и тут! Растительность бурно оживает, природа радует, красота северного края восхищает. Люди на Севере немного другие ― более спокойные, более открытые. Институт свой очень люблю. В нем работают 220 сотрудников, и не только в Якутске. У нас есть станция в Магадане, в Игарке ― это север Красноярского края. Есть станция в Чернышевске, это Западная Якутия. Есть лаборатория в Казахстане ― там горная мерзлота. Все это позволяет собирать материал об особенностях распространения мерзлоты и понимать, что это такое.
― У вас обширные международные связи...
― Это правда. Я доволен, что начинаются более тесные отношения с КНР, потому что на севере Китая ― прерывистая и островная мерзлота (южная геокриологическая зона), а в Тибете ― горная мерзлота. Исследованиям последней я посвятил свою молодость, и это очень сложная, интересная система. Здесь просто колоссальное разнообразие геокриологических условий.
В последние годы у нас китайскими исследователями осуществляются несколько проектов, и они выполнялись, несмотря на коронавирус и политические события. Несколько дней назад я вернулся из Китая. Вспомнил, как еще в 1970-е гг. мы учили китайских коллег, что такое мерзлота, как ее исследовать.
И вот сейчас я увидел лаборатории в Ланьчжоу, Харбине. Стало радостно за китайских коллег-мерзлотоведов, но при этом обидно за свою страну, что мы не можем создать такие же условия. Моя мечта и главная задача ― чтобы наша школа мерзлотоведов не теряла передовых позиций, высоко котировалась и бурно развивалась. Хочу, чтобы правительство страны в решении задач освоения, строительства и жизнеобеспечения северных территорий услышало не только климатологов, но и мерзлотоведов.
Беседовала Наталия Лескова.
Источник: «Научная Россия»