Вечная мерзлота

Терминология и границы понятия

Термин «многолетняя мерзлота» используется преимущественно петербургской географической научной школой, в общепринятом понимании она называется вечной.

Также можно встретить такие обозначения явления:

• многолетняя криолитозона;
• вечная криолитозона;
• многолетние мерзлые породы.

Иногда так называют полностью промёрзшие и совсем не оттаивающие грунты, иногда допускают определённый процент оттаивания земли.

Само понятие и близкие к нему явления, которые иногда в него включают:

• многолетняя мерзлота в северном полушарии;
• районы промерзания почвы более чем на 15 суток в году;
• территории промерзания почвы менее чем на 15 суток в году.

Допустимо оттаивание верхнего слоя толщиной примерно 10 см — эта погрешность не противоречит определению термина.

Это может сбить с толку тех, кто не разбирается в явлении: им кажется, что грязи не может быть в зонах постоянной мерзлоты.

Описание

Внутренние воды России представлены не только скоплениями жидкой воды, но и воды в твердом состоянии, образующей современное покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин «вечная мерзлота»).

Распространение многолетней мерзлоты по территории России

Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000…-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

Горные породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Скопления воды в многолетнемерзлых породах образуют линзы, клинья, прослои и прожилки льда, т.е. в состав вечной мерзлоты входят и подземные льды. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта.

Многолетняя мерзлота — необычное явление природы, на которое обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. О ней упоминал в своих работах В.Н

Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я.

Какую территорию России занимает «вечная мерзлота»?

Барановым и многими другими учеными.

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км2, что составляет почти 65% территории страны.

Южная ее граница проходит по центральной части Кольского полуострова, пересекает Восточно-Европейскую равнину близ полярного круга, по Уралу отклоняется к югу почти до 60° с.ш., а вдоль Оби — к северу до устья Северной Сосьвы, далее проходит по южному склону Сибирских Увалов к Енисею в районе Подкаменной Тунгуски. Здесь граница круто поворачивает к югу, проходит вдоль Енисея, идет по склонам Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке граница мерзлоты идет от Амура к устью Селемджи (левого притока Зеи), затем по подножию гор левобережья Амура к его устью. Мерзлота отсутствует на Сахалине и в прибрежных районах южной половины Камчатки. Пятна мерзлоты встречаются южнее границы ее распространения в горах Сихотэ-Алиня и в высокогорьях Кавказа.

В пределах этой обширной территории условия развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные районы Сибири, острова азиатского сектора Арктики и северный остров Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой. Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет -6…-12°С, а его мощность достигает 300-600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (-2…-6°С), а мощность уменьшается до 50-300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25-50 м. Это — островная мерзлота.

В мерзлой толще концентрируются большие запасы воды в виде подземных льдов. Часть их образовалась одновременно с вмещающими породами (сингенетические льды), другая — при замерзании воды в ранее накопившихся толщах (эпигенетические).

На приморских низменностях от устья Хатанги до Колымы, на Новосибирских островах и на Вилюйской низменности в рыхлых отложениях распространены полигонально-жильные льды. Мощность их достигает 40-50 м, а на Большом Ляховском острове даже 70-80 м. Эти льды могут считаться «ископаемыми», так как формирование их происходило в среднечетвертичное время (в период оледенения). Жильный лед в трещинах кристаллических и метаморфических пород широко представлен в горных системах Северо-Востока и в северной части Средней Сибири. Для Западной Сибири и Печорской низменности типичны ледяные ядра торфяных бугров пучения. Ледяные интрузии — гидролакколиты (булгунняхи в Якутии) образуются в озерно-аллювиальных, делювиальных и солифлюкционных отложениях котловин Забайкалья и Северо-Востока, в Центральной Якутии и северных районах Западной Сибири.

Миграционные льды, заполняющие морозобойные трещины, распространены практически во всех районах, где встречается мерзлота.

Большая мощность многолетней мерзлоты, находки в ней хорошо сохранившихся мамонтов свидетельствуют о том, что многолетняя мерзлота — продукт весьма продолжительного накопления холода в толщах горных пород. Подавляющее большинство исследователей считает ее реликтом ледниковых эпох. Современный климат на большей части территории распространения мерзлоты лишь способствует ее сохранению, поэтому малейшее нарушение природного равновесия ведет к ее деградации. Это необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории, в пределах которой распространена мерзлота.

Многолетняя мерзлота оказывает влияние не только на подземные воды, режим и питание рек, распространение озер и болот, но и на многие другие компоненты природы (рельеф, почвы, растительность), а также на хозяйственную деятельность человека. При разработке полезных ископаемых, прокладке дорог, строительстве, при проведении сельскохозяйственных работ необходимо тщательно изучать мерзлый грунт и не допускать его деградации.

Расположение на земном шаре

География криолитозоны очень обширная. Она присутствует в высоких широтах (полярная и субполярная вечная мерзлота), но также бывает и на больших высотах (субвертикальные стены до 3500 метров над уровнем моря). Как видно по геологическим картам, она покрывает одну пятую поверхности Земли.

Распространённость в северных широтах:

• 90% Гренландия.
• 80% Аляска.
• 50% Канада и Россия.

Обычно криолитозона постоянная за пределами 60 градусов широты и более спорадична для альпийской местности. Регионы многолетней мерзлоты низменности традиционно делятся на несколько зон на основе оценки географической непрерывности ландшафта. Наука признаёт следующие виды многолетней мерзлоты:

• непрерывная мерзлота (лежащая в основе 90−100% ландшафта);
• прерывистая (50−90%);
• спорадическая (0−50%).

В северном полушарии районы, мерзлота, занимает приблизительно 25% (23 млн км ²) площади суши. В прерывистых и спорадических зонах распространение является сложным и неоднородным. Её толщина варьируется от менее одного до более 1500 метров. В горах средней и низкой широты её распределение тесно связано с характеристиками поверхности суши:

• особенности рельефа;
• растительность;
• снежный покров.

Подводная криолитозона встречается при температуре около 0 °C на больших площадях арктического континентального шельфа. Континентальный шельф — это расширенный периметр каждого континента и соответствующей прибрежной равнины, который был частью континента во время ледниковых периодов, но находится под водой в межледниковые периоды, такие как текущая эпоха.

Термически она состоит из трёх слоёв:

1. активный, оттаивает летом и может достигать трёх метров;
2. подверженный сезонным колебаниям, но постоянно ниже точки замерзания, составляет часть вечной мерзлоты и простирается на глубину от 10 до 15 метров;
3. может достигать нескольких сотен метров или превышать 1 тыс. метров (в Якутии), не испытывает сезонных колебаний температуры и постоянно находится в замёрзшем состоянии.

Температура повышается под воздействием геотермальных потоков и достигает 0 °C в нижней границе вечной мерзлоты. Здесь лёд может забивать поры почвы или образовывать ледяные тела разных генезисов. Кроме того, субарктические районы обусловлены непроницаемостью льда в бескислородных болотных и заболоченных местах, где развивались метаногенные микроорганизмы. Метан также встречается в термокарстовых озёрах.

Постоянная криолитозона может иметь разные характеристики и формы, быть богатой органическими почвами или песчаными и каменистыми, содержать замороженную воду или быть относительно сухой. Она считается как частью криосферы, так и частью геосферы, так как содержит камни и почвы. Её верхняя поверхность, называемая активным слоем, обычно оттаивает и замерзает в зависимости от времени года.

Вечная мерзлота: от Арктики и Антарктики — до Африки

Ученые считают, что образовалась вечная мерзлота 1–2 млн лет назад. Произошло это в тех районах, где климат был сухим и морозным, а толщина наземного ледникового покрова незначительной. То есть практически на всех материках. Вечная мерзлота занимает четверть суши земного шара и встречается даже в Африке! Правда, только в высокогорных районах. Единственное место, где она отсутствует, — Австралия.

В России зона вечной мерзлоты занимает 60–65% территории, в основном это Сибирь и Забайкалье: от Кольского полуострова на восток почти по Северному полярному кругу до Урала, далее на восток и на юг, за исключением юга Камчатки, острова Сахалин, Приморья и еще некоторых районов.

Посмотрите эти карты вечной мерзлоты.

• Карта распространения вечной мерзлоты в России

• Карта распространения вечной мерзлоты в мире. Мерзлые грунты распространены в основном в заполярных областях. Сибирь, а также северная часть материка Северной Америки — крупнейшие районы вечной мерзлоты. Гренландский ледник, омываемый морями со всех сторон и пропускающий мимо себя теплый Гольфстрим, выглядит географической аномалией

Что такое вечная мерзлота? Это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина вечной мерзлоты может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м. Впрочем, растения приспособились к таким суровым условиям. Летом верхний слой почвы в тундре оттаивает и корни поглощают влагу. Вот только длится тепло недолго, и выживают лишь самые неприхотливые: лишайники, мхи, некоторые травы, низкорослые кустарники и карликовые деревья.

Кстати, именно на это удивительное свойство почвы и обратили внимание русские казаки, когда в XVII веке исследовали Сибирь. В сообщениях русскому царю они упоминали наличие особых таежных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина

Это и была вечная мерзлота.

Привыкли к низким температурам и люди. В зоне вечной мерзлоты, например, особые требования к строительству. Чтобы дома не нагревали грунт и фундамент не оседал, их ставят на железобетонные сваи, оставляя между землей и зданием пространство для вентиляции.

Многоэтажные жилые дома в Норильске. Свайное основание зданий разработано специально для строительства на вечномерзлом грунте

Но глобальное потепление вносит коррективы в работу строителей, и тем приходится учитывать возможные колебания температур. Верхний слой грунта подтаивал летом и раньше, но зимой он замерзал опять. Теперь оттаять успевает больше, а замерзнуть — меньше.

Вечная мерзлота — это верхняя часть земной коры, температура которой более двух лет (и до нескольких тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. Глубина промерзания грунта может превышать 500 м, а в горах — до 1500 м.

Специалисты из 26 стран, входящие в глобальную научную сеть наблюдений за состоянием мерзлоты, с 2007 по 2017 год замеряли температуру мерзлоты в Арктике, Антарктике и горных районах на глубине более 10 м. И выяснили, что за время исследований из 123 скважин потеплело в 71, а в пяти из них температура превысила 0 °C, то есть мерзлота начала таять. Лишь в 40 точках температура осталась неизменной, а в 12 — понизилась. Потеплело и в России: в Заполярье — на 0,4 °C, в Сибири — почти на 1 °C. Результаты ученые опубликовали в журнале Nature Communications.

Молодило (суккулент семейства толстянковых) в условиях вечной мерзлоты весной

Кстати, термин «вечная мерзлота» появился не сразу. Звучали и такие: многолетнемерзлые горные породы и многолетняя криолитозона — но они не прижились. Иногда вечную мерзлоту называют многолетней мерзлотой, подразумевая, что это одно и то же. Однако времена меняются, и, похоже, скоро эти понятия не будут тождественны.

Сохранение организмов в вечной мерзлоте

Микробы

Ученые прогнозируют, что до 10 21 микробов, включая грибы и бактерии помимо вирусов, будут выпускаться из тающего льда в год. Часто эти микробы выбрасываются прямо в океан. Из-за мигрирующего характера многих видов рыб и птиц, возможно, эти микробы имеют высокую скорость передачи.

Вечная мерзлота в восточной Швейцарии была проанализирована исследователями в 2016 году на высокогорном участке вечной мерзлоты под названием «Муот-да-Барба-Пейдер». На этом участке обитало разнообразное микробное сообщество с различными бактериями и группами эукариот. Видные группы бактерий включали филум Acidobacteria , Actinobacteria , AD3, Bacteroidetes , Chloroflexi , Gemmatimonadetes , OD1, Nitrospirae , Planctomycetes , Proteobacteria и Verrucomicrobia . Известные эукариотические грибы включали Ascomycota , Basidiomycota и Zygomycota . У нынешнего вида ученые наблюдали множество приспособлений к отрицательным температурам, включая сниженные и анаэробные метаболические процессы.

Предполагается, что вспышка сибирской язвы на полуострове Ямал в 2016 году связана с таянием вечной мерзлоты. В вечной мерзлоте Сибири также присутствуют два вида вируса: Pithovirus sibericum и Mollivirus sibericum. Им обоим приблизительно 30 000 лет, и они считаются гигантскими вирусами из-за того, что они больше по размеру, чем большинство бактерий, и их геномы больше, чем у других вирусов. Оба вируса по-прежнему заразны, о чем свидетельствует их способность инфицировать Acanthamoeba , род амеб.

Было показано, что замораживание при низких температурах сохраняет инфекционность вирусов. Калицивирусы, грипп A и энтеровирусы (например, полиовирусы, эховирусы, вирусы Коксаки) были сохранены во льду и / или вечной мерзлоте. Ученые определили три характеристики, необходимые для успешного сохранения вируса во льду: высокая численность, способность переноситься во льду и способность возобновлять циклы болезней после выхода изо льда. Прямого заражения людей от вечной мерзлоты или льда не было; такие вирусы обычно распространяются через другие организмы или абиотические механизмы.

Изучение образцов вечной мерзлоты Сибири позднего плейстоцена из Колымской низменности (восточно-сибирской низменности) использовало изоляцию ДНК и клонирование генов (в частности, гены 16S рРНК), чтобы определить, к какому типу принадлежат эти микроорганизмы. Этот метод позволил сравнить известные микроорганизмы с их недавно обнаруженными образцами и выявил восемь филотипов, которые принадлежали типам Actinobacteria и Proteobacteria .

Растения

В 2012 году российские исследователи доказали, что вечная мерзлота может служить естественным хранилищем древних форм жизни, возродив Silene stenophylla из 30 000-летней ткани, найденной в норе белки ледникового периода в сибирской вечной мерзлоте. Это самая старая из когда-либо возрожденных растительных тканей. Растение было плодовитым, давало белые цветы и всходящие семена. Исследование показало, что ткани могут выдерживать ледяную консервацию в течение десятков тысяч лет.