Зачем знать, как ведет себя мерзлота?
Стабильность вечной мерзлоты — это ключевой фактор, от которого зависит устойчивость экосистем и инфраструктуры в северных регионах. Однако эта стабильность все чаще оказывается под угрозой. Она напрямую зависит от климата, который в Арктике и Сибири теплеет быстрее, чем в среднем по планете. Мерзлота, которая годами служила надежным «фундаментом» для всей территории, начинает реагировать на потепление: ее верхний слой, который оттаивает летом (так называемый сезонный талый слой), становится все глубже, а сама почва теряет устойчивость.
Параллельно с этим активно растет освоение Севера: расширяются промышленные участки, ведется добыча полезных ископаемых, строятся новые объекты. Все это дополнительно нагружает хрупкие природные системы.
Постоянное воздействие природы и человека грозит нарушением баланса и разрушением инфраструктуры. Если верхние слои мерзлоты тают, то промышленные площадки, дороги и поселки начинают испытывать серьезные проблемы: появляются просадки грунта, деформации и трещины в конструкциях. На фоне этих тенденций становится критически важно научиться прогнозировать поведение почв в зонах многолетней мерзлоты.
Кто и как предсказывает ее поведение?
Предсказать, как поведет себя вечная мерзлота под действием климата и человека, — сложный научный вызов. Поэтому проект, который ведет Институт леса СО РАН при поддержке Российского научного фонда и Красноярского краевого фонда науки, объединяет специалистов из разных областей: экологов, климатологов, теплофизиков, программистов и экспертов по спутниковым данным.
Их цель — не просто фиксировать изменения, а строить надежные прогнозы: где мерзлота уже теряет устойчивость и где риски станут критическими в ближайшие годы. Работа строится на сочетании трех ключевых компонентов: спутниковых снимков, наземных обследований и численного моделирования.
Так, например, спутники позволяют с орбиты наблюдать за огромными территориями и фиксировать изменения в состоянии почвы и растительности. На основе этих данных ученые оценивают специальные показатели (спектральные индексы), которые отражают степень нарушенности ландшафта в результате деятельности человека.
Другая важная часть работы разворачивается на земле. Ученые проводят замеры температуры и влажности почв на разных глубинах, а также используют георадары. Этот метод позволяет «заглянуть» под землю и получить двух- и трехмерную картину залегания мерзлотных слоев. Полевые данные необходимы для калибровки и проверки спутниковых наблюдений, без них информация из космоса теряет точность.
Весь комплекс полученных данных объединяется в математических моделях, которые рассчитывают тепловой режим почв при разных сценариях. Это помогает не только оценивать текущее состояние арктических ландшафтов, но и прогнозировать потенциальный ущерб и уязвимость будущих проектов еще на этапе планирования.
По словам ученого Евгения Пономарева, команде уже удалось сформировать полноценный банк данных о состоянии и теплофизических характеристиках почв в зонах многолетней мерзлоты, прежде всего в Красноярском крае и арктической Сибири. Эта база ежегодно пополняется и будет расширяться.
«Нашим коллективом создано уже восемь патентов, четыре зарегистрированных 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», — отмечает кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН Евгений Пономарев.
Такой массив информации позволяет прогнозировать последствия изменений заранее и принимать корректирующие решения до начала строительства. Значительная часть работы уже автоматизируется: на основе собранных данных обучаются алгоритмы машинного анализа спутниковых снимков. В будущем это позволит вести мониторинг состояния мерзлоты в полуавтоматическом режиме — быстро, масштабно и без потери точности, что поможет принимать своевременные управленческие и инженерные решения.
Что показали многолетние наблюдения?
Один из ключевых выводов: на участках, где растительный покров деградирует из-за промышленного воздействия, глубина сезонного протаивания возрастает вдвое по сравнению с нетронутыми территориями. Это последствие нарушения естественного теплообмена, которое ускоряет деградацию мерзлоты.
Построенные сценарии показали, что до 40 % обследованных промышленных площадок в криолитозоне могут попасть в зону критического риска при определенных климатических траекториях. Эти модели хорошо согласуются с экспериментами и позволяют прогнозировать, как изменится состояние мерзлотных слоев под влиянием инфраструктурных объектов.
«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», — поясняет ученый
Прогнозы выполняются как на уровне локальных участков, так и в масштабах целых промышленных зон, позволяя оценить и обратное влияние: как сами сооружения могут пострадать от разрушающегося мерзлотного «фундамента».
Отдельное внимание уделяется вопросам рекультивации — восстановления ландшафтов после промышленного вмешательства. Дистанционные методы позволяют отслеживать, насколько успешно идет этот процесс. Одним из неожиданных выводов для ученых стало то, что сохранение естественного микрорельефа (например, отказ от выравнивания отвалов) способствует восстановлению растительности лучше, чем традиционное выравнивание. Спутниковый мониторинг показывает: в таких условиях участки быстрее возвращаются к состоянию устойчивости.
Что будет дальше?
Сегодня в распоряжении учёных находится мощный инструментарий для анализа процессов в криолитозоне. Эти технологии уже позволяют оценивать масштабы изменений, прогнозировать их последствия и вырабатывать рекомендации по рациональному природопользованию.
Следующий шаг — создание полнофункционального сервиса экологического мониторинга и прогнозирования. Этот инструмент объединит данные спутников, георадаров, численного моделирования и наземных наблюдений в единую систему.
«Наблюдения за мерзлотой — ныне необходимый инструмент для устойчивого развития северных территорий. Работы ученых интересны не только научному сообществу, но и промышленным компаниям, так как комплексные обследования помогут предприятиям оценить экологические риски», — отметил Евгений Пономарев.
В перспективе речь идет не только об исследовании природных процессов, но и о выработке механизмов, позволяющих сохранить баланс между промышленным освоением северных территорий и поддержанием их экологической устойчивости. А значит, наука о мерзлоте становится не просто актуальной, а стратегически важной для будущего.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий, фото предоставлено КНЦ СО РАН.
