Судьба вечной мерзлоты: взгляд из прошлого в будущее

Изменения климата, связанные с антропогенным ростом концентрации парниковых газов в атмосфере, в первую очередь сказываются на наиболее уязвимых компонентах природной среды, чувствительных к переменам термического режима. К ним относится и вечная мерзлота - многолетнемерзлые породы, подстилающие приблизительно две трети территории России. Изменение состояния грунтов при возможной деградации вечной мерзлоты отражается на инженерно-технических сооружениях (зданиях, магистральных нефте- и газопроводах, транспортной инфраструктуре, системах жизнеобеспечения) и в целом на окружающей среде.

На протяжении истории Земли эволюция вечной мерзлоты была тесно связана с глобальными потеплениями и похолоданиями климата. В ближайшую теплую эпоху прошлого, приблизительно 6 тыс. лет назад, площадь распространения сплошной вечной мерзлоты в Северной Евразии, по данным палеоклиматических реконструкций, уменьшалась по сравнению с современной приблизительно на четверть [1]. Еще большим было ее сокращение около 125-130 тыс. лет назад - в то время площадь сплошной вечной мерзлоты составляла менее одной пятой от нынешней. При этом среднеглобальная температура воздуха в приповерхностном слое воздуха была приблизительно на два градуса выше. Примерно таким должно быть потепление на нашей планете к середине XXI в., если выбросы в атмосферу парниковых газов будут поступать нынешними темпами [2]. Этот сценарий, условно названный business as usual, предполагает рост содержания углекислого газа, метана, закиси азота и хлорфторуглеводородов, эквивалентный увеличению концентрации углекислого газа на 1% в год. При учете антропогенных выбросов сульфатных аэрозолей, которые увеличивают отражение солнечной радиации в космос и эффективно охлаждают поверхность, к середине XXI в. глобальная температура повысится на один градус.

Метод палеоаналогов был первым способом построения пространственных сценариев будущих состояний климата, геосистем и их компонентов в различных регионах [3]. При этом палеоклиматические реконструкции строятся для тех интервалов геологического прошлого, во время которых уровни повышения среднеглобальной температуры по отношению к нынешним соответствовали ожидаемым в близком будущем. Эти построения - важный источник информации о многолетнемерзлых породах в эпохи длительных потеплений, когда приповерхностные горизонты приходили в устойчивое, равновесное с климатическими условиями, состояние. Однако темпы наблюдаемых за последние 30 лет и прогнозируемых в XXI в. изменений климата не имеют аналогов в прошлом. При таком быстром антропогенном воздействии отдельные звенья климатической системы не успевают подстроиться к внешним условиям. Можно ли применять метод палеоаналогов при моделировании быстро изменяющегося климата и дополняет ли он оценки будущих изменений компонент земной климатической системы (в том числе - криосферы) - на эти вопросы мы попытались ответить в нашей работе.

Моделирование изменений глобального климата

Сложность изучения глобального климата связана с тем, что постановка физических экспериментов с контролем влияющих на него факторов невозможна. Такие работы можно проводить только с виртуальным (модельным) климатом, который отображает взаимодействие атмосферы, океана, криосферы, биосферы и поверхности суши на пространстве переменных физико-математических моделей. Наиболее подробные из них, называемые моделями глобального климата (общей циркуляции) - сложные динамические системы с большим числом степеней свободы и максимально подробным на настоящий момент описанием основных локальных климатообразующих процессов. В мире насчитывается несколько десятков таких моделей, которые в рамках множества международных программ непрерывно сравниваются между собой и с данными наблюдений. Поскольку они успешно воспроизводят эволюцию климата XX в., их считают “разведчиками будущего”, и в этом качестве этим моделям альтернативы пока нет.

Первые попытки представить изменения климата под действием антропогенных выбросов парниковых газов на моделях общей циркуляции были предприняты в середине 70-х годов прошлого века. Одним из слабых мест этих работ было описание океана - самого инерционного из звеньев земной климатической системы. Удвоение эквивалентной концентрации углекислого газа в атмосфере при развитии сценария business as usual ожидается уже в 70-х годах XXI в. За такой короткий период океан не успеет полностью приспособиться к изменению внешних условий. Поэтому в последнее время в мире стартовало новое поколение моделей общей циркуляции атмосферы и океана, более подробно учитывающее океанические процессы [4].

Эксперименты с моделями такого типа требуют значительных затрат вычислительных ресурсов, в особенности при расчетах эволюции климата до нескольких сотен лет, и могут проводиться только на самых современных ЭВМ. Поэтому развиваются и модели климата промежуточной сложности [5], требующие в сотни раз меньше машинного времени и памяти: в них многие явления, такие как конденсация водяного пара или динамика отдельных циклонов и антициклонов, описываются через характеристики крупномасштабных поле