Ученые наблюдают усиление протаивания активного слоя вечной мерзлоты

09:05, 13 мая 2022

К Международному дню климата рассказываем о работе климатологов

Метеорологическими исследованиями Вячеслав Захаров занимается почти 25 лет. Фото: Александра Хлопотова.

В преддверии Международного дня климата, который отмечается 15 мая, рассказываем об истории и достижениях лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ. Начало лаборатории положено в 2004 году, когда профессор УрФУ Вячеслав Захаров написал совместную научную статью с профессором Жёном Жузелем — выдающимся климатологом, членом отмеченной Нобелевской премией мира Межправительственной группы экспертов по изменению климата, на тот момент директором парижского Института Лапласа.

«В начале 2000-х мы предложили пионерский метод в исследовании атмосферного водного цикла — спутниковый мониторинг „тяжелой воды“ в атмосфере, то есть так называемого изотопического трассера водного цикла. Мы первые предложили и апробировали этот метод — определили широтное распределение такой воды над Тихим океаном с помощью дистанционного зондирования атмосферы со спутника, и с этого началось наше сотрудничество с Жёном Жузелем», — описывал Вячеслав Захаров.

Через семь лет коллеги выиграли мегагрант Правительства РФ на создание в УрФУ лаборатории физики климата и окружающей среды.

Быть в Арктике

«Наша цель — исследовать углеродный и водный циклы в северных районах, спрогнозировать их изменение под влиянием глобального потепления. Главный источник информации для нас — изотопный состав воды и газов: углекислого газа и метана. Водные и углеродные циклы являются наиболее важными климатическими подсистемами. Изучая льды, мы можем реконструировать климатические процессы, которые происходили на Земле тысячи лет назад, а также строить прогностические модели», — объяснял Жён Жузель журналистам.

Лаборатория Уральского федерального университета была устроена по подобию лаборатории в Париже, где вел исследования Жён Жузель. В 2011 году профессор Жузель стал научным руководителем екатеринбургской лаборатории, а Вячеслав Захаров — ее заведующим. Благодаря участию Жузеля и еще двух десятков французских и немецких ученых лаборатория приобрела международный статус.

«Климат глобален, и для его изучения важна международная кооперация. Дело в том, что за два года происходит полное перемешивание атмосферы между Северным и Южным полушариями. Для репрезентативности данных наблюдения их нужно непрерывно собирать в различных регионах земного шара за период времени, включающий хотя бы несколько циклов перемешивания атмосферы между полушариями, обмениваться ими — и здесь Жён Жузель помог нам расширить контакты на международной арене», — рассказывал Вячеслав Захаров.

Выбор Уральского университета сам Жён Жузель объяснял важностью исследований влияния глобального потепления на вечную мерзлоту Урала и Западной Сибири.

«Причиной глобального потепления является прежде всего человеческая деятельность. За последние 50 лет она привела к резкому увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. Из-за развитой промышленности и использования ископаемого топлива уровень выбросов на Урале, в Сибири и России в целом достаточно высок... В мерзлоте „похоронено“ очень много органических материалов. И если вечная мерзлота продолжит таять, эти органические материалы станут разлагаться, начнется неконтролируемое выделение парниковых газов, наверное, даже гораздо более масштабное, чем сейчас, с еще большими последствиями... Аналогичная ситуация сейчас на Аляске, в Северной Канаде — там тоже тает вечная мерзлота, и это начинает очень серьезно сказываться на состоянии промышленной инфраструктуры, на перспективах добычи нефти и газа», — говорил французский ученый в одном из интервью.

Кроме того, научное присутствие России в Арктике в виде научных станций, оснащенных современным оборудованием для мониторинга состояния вечной мерзлоты, на тот момент считалось недостаточным. Тогда как вечная мерзлота оставляет две трети территории нашей страны и несет на себе сложную и разветвленную промышленную и социальную инфраструктуру, так как именно в этой зоне расположены крупнейшие российские месторождения нефти и газа.

По последнему слову техники

Коллектив лаборатории установил станции мониторинга в Лабытнангах (Ямало-Ненецкий АО) и Игарке (Красноярский край). Они круглогодично измеряют относительную концентрацию изотопологов (разновидностей молекул) воды в водяном паре в приземных слоях атмосферы, таким образом, в режиме реального времени предоставляя информацию об изменениях в атмосферном водном цикле в результате климатических трансформаций.

В исследованиях задействовано передовое оборудование, например, инфракрасные спектрометры, позволяющие производить непрерывные измерения содержания изотопов в водяном паре, а также наземная инфракрасная Фурье-спектрометрия: соответствующее оборудование было установлено в Коуровской астрономической обсерватории УрФУ. Таким образом, к дистанционному зондированию атмосферы со спутников, с чего ученые университета начинали еще до знакомства с Жёном Жузелем, добавилось направление наземного зондирования: с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра в Коуровской обсерватории исследователи собирали информацию о парниковых газах, количестве метана, углекислого газа, изотопологах водяного пара и так далее.

«Данные наземного зондирования атмосферы в Коуровке использовались для верификации спутниковых данных. Затем, когда мы начали сотрудничать с Жёном Жузелем, в обсерватории добавились лазерные анализаторы для рутинных измерений in situ изотопологов водяного пара в приземной атмосфере. Кроме того, стало возможным собирать осадки и анализировать их на содержание изотопологов воды в лаборатории на аналогичном лазерном анализаторе. Самым новым направлением исследований является моделирование с использованием модели общей циркуляции атмосферы», — рассказывал Вячеслав Захаров о технической стороне деятельности лаборатории.

Неутешительные прогнозы

Как поясняют ученые, на наших станциях данные — так называемые изотопические трассеры водного цикла — фиксируются каждые две секунды, накапливаются временные ряды этих данных, а затем результаты наблюдений сравниваются с результатами моделирования с использованием климатической модели.

«Мы работаем со стандартной европейской климатической моделью, у которой несколько компонентов: модель общей циркуляции атмосферы, модель циркуляции океана и подмодель обмена поверхности Земли с атмосферой. Когда мы тщательно проверим модель на результатах реальных наблюдений и при необходимости улучшим, сможем использовать ее для прогнозирования», — пояснял Захаров.

Через пять лет наблюдений сотрудники лаборатории смогли утверждать: местами активный слой вечной мерзлоты за летний сезон протаивает более чем на два метра в глубину, с годами глубина сезонного протаивания увеличивается, в последующем это может привести к разрушениям зданий и сетей. Так, в 2016 году в феврале в Салехарде, по данным метеостанции, отклонение от нормы составило +12,5 градусов, а 27 февраля температура поднималась до нуля градусов. Если не учитывать потепление и увеличение глубины оттаивания мерзлотного слоя при строительстве, то это может привести к серьезным экономическим тратам и риску для здоровья и жизни человека.

«Слой вечной мерзлоты в регионах Западной Сибири составляет в среднем около 20 метров. Соответственно, если все это растает, то провалится на те же 20 метров и, вероятно, зальется водой. Но дальше на Восток мерзлота составляет уже около 200 и более метров, там последствия могут оказаться более серьезными. К тому же при потеплении увеличиваются осадки, а они более опасны для состояния мерзлоты, чем просто повышение температуры воздуха», — информировал Вячеслав Захаров.

События и открытия

В конце 2017 года в истории лаборатории физики климата и окружающей среды наступил новый этап: по приглашению немецких коллег из Университета Бремена исследователи УрФУ, как и специалисты Санкт-Петербургского государственного университета, вошли в международный консорциум, созданный в рамках европейской программы поддержки науки Horizon 2020. В составе консорциума 38 исследовательских и научных организаций из 15 стран. Цель проекта — разработка точных и надежных методов для получения количественных данных по источникам эмиссии и стокам парниковых газов. Задача ученых УрФУ — получить и провести сравнительный анализ данных мониторинга углеродсодержащих парниковых газов в атмосфере Урала и непосредственно в Екатеринбурге.

Еще через год лаборатория выиграла грант Российского научного фонда по проекту «Методы решения некорректных обратных задач дистанционного зондирования атмосферы для восстановления изотопических трассеров водного и углеродного циклов».

«Данные по относительному содержанию изотопологов молекулы воды в атмосфере несут уникальную информацию об атмосферном гидрологическом цикле и особенностях переноса скрытого тепла с океана на сушу и с экватора к полюсам. Глобальный мониторинг предоставит нам возможность разделить вклад природных и антропогенных источников эмиссии ключевых парниковых газов, а именно углекислого газа и метана в атмосферу», — объяснил замысел проекта Вячеслав Захаров.

В 2020-м лаборатория в рамках стратегического проекта УрФУ «Мониторинг и прогнозирование состояния криосистемы Арктики» впервые совместно с европейскими коллегами осуществила верификацию ECHAM6-wiso — шестой и новейшей версии суперкомпьютерной модели глобальной циркуляции атмосферы (от предыдущих версий ECHAM6-wiso отличается тем, что моделирует взаимодействие атмосферы с почвой, в том числе на глубине до 7,5 м). Верификация ECHAM6-wiso проводилась по графикам почасовых показателей для изотопических трассеров водного цикла, снятых со спектрометров в Лабытнанги и Игарке (а также на острове Самойловский в дельте реки Лены, где размещена станция Сибирского отделения РАН), а кроме того — с датчиков на пяти ключевых по основным типам почвы и растительности участках тундры и лесотундры Южного Ямала, в 100–200 км от Лабытнанги. Датчики за семь лет до этого были погружены в грунт на различную глубину до одного метра и ежечасно замеряют температуру и влажность. С их помощью ученые определяют интенсивность и факторы сезонного протаивания активного слоя вечной мерзлоты.

К примеру, удалось установить, что глубина протаивания зависит от почвенных характеристик и типа растительности: если почва плохо пропускает влагу, то глубина протаивания меньше, и наоборот. Другими словами, активный слой вечной мерзлоты протаивает не только из-за температуры, но и из-за дождей, количество которых из-за глобального потепления становится больше.

Такая работа была впервые проведена на Урале и в Западной Сибири.

«Модель нужна, чтобы предсказать, насколько быстро происходит глобальное потепление, какие последствия могут быть. Чтобы была уверенность, что модель работает верно, нужно, чтобы она верно воспроизводила экспериментальные данные, полученные ранее», — комментировал Захаров.

Предостережения и советы

По словам Вячеслава Захарова, из-за деятельности людей за последние 1,5 века содержание в атмосфере углекислого газа выросло в 1,5 раза, метана — в 2,5. Наука установила, что это рекордная динамика за 800 тыс. лет. По современным прогнозам, к 2050 году будут наблюдаться периоды, когда летом Северный Ледовитый океан окажется полностью свободным ото льда. Сокращение «ледяной шапки» Земли приведет к уменьшению отражающего эффекта и усилению нагрева океана. Учитывая, что в Мировом океане углекислого газа в 80–100 раз больше, чем в атмосфере Земли, а нагрев воды ведет к выбросу углекислого газа, это еще больше активизирует глобальное потепление.

«Выбросы не сокращаются и даже растут, несмотря ни на какие международные соглашения. Ситуация выглядит тупиковой. В связи с этим задача климатических моделей — уже не просто фиксировать проявления глобального потепления, а с максимально возможной точностью по времени и месту предсказывать его последствия, в частности для зоны вечной мерзлоты, чтобы заблаговременно эвакуировать людей и демонтировать инфраструктуру», — отмечает Захаров.

Он, как и многие климатологи, призывает в среднесрочной перспективе переходить к низкоуглеродной энергетике, наращивать долю энергетики с низким углеродным следом.

«Это в первую очередь предполагает развитие „мирного атома“ и гидроэнергетики, возобновляемых источников энергии (ветряная, солнечная энергетика и т. д.), в вероятной дальнесрочной перспективе — термоядерной энергетики», — обращает внимание Вячеслав Захаров.