Эволюция криолитозоны Северного Тянь-Шаня в голоцене и прогноз ее изменения в ХХI веке

В последние десятилетия приобрели наибольшую актуальность проблемы, связанные с изучением климата, его прогноза и оценки последствий потепления, вызванного как природной динамикой климата, так и в результате антропогенного воздействия. Необходимость изучения вопросов, связанных с выявлением позитивных, негативных, неблагоприятных, а иногда, возможно, и катастрофических последствий глобального потепления климата и адаптацией в этих условиях давно уже признано мировой научной и политической общественностью. Наиболее показательна в этом плане инициатива государств, подписавших в начале 80-х годов «Рамочную конвенцию». В мае 1995 г. Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата (РКИК) ратифицировала и Республика Казахстан. В 1997 г. в Казахстане проводился семинар по подготовке Национального плана действий РКИК в рамках программы США «Поддержка разработки Национальных планов действий по изменению климата» (US SNAP Country Studies Program). Конечная цель Национального плана действий заключается в достижении стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на уровне, не допускающем опасного антропогенного воздействия на климатическую систему, в сроки, достаточные для естественной адаптации экосистем к изменению климата.

На сегодняшний день в климатологии получено несколько десятков различных сценариев изменения климата. Существуют два основных подхо да к оценке пространственных изменений компонентов геосистемы и климата: численное моделирование и метод палеоаналогов. Не останавливаясь на недостатках и преимуществах этих подходов, отметим, что в первом случае используются энергобалансовые модели (Budyko, 1968, 1969), радиационно-конвективные (Manabe and Wetherald, 1967), либо модели общей циркуляции атмосферы и океана, получившие наибольшее распространение в зарубежных исследованиях.

Второй подход в качестве основы сценариев изменений климата предусматривает использование данных палеоклиматических реконструкций для тех периодов геологического времени, которые отождествляются с уровнями потепления в будущем. Эти этапы эволюции известны как оптимум плиоцена (4,3−3,3 млн. лет назад), микулинское межледниковье (около 125 тыс. лет назад) и климатический оптимум голоцена, максимально проявившийся по различным данным и для различных территорий планеты от 10 до 6−5 тыс. лет назад. Резкое изменение природно-климатических условий при переходе от позднего дриаса (10,8−10,5 тыс. лет назад) к раннему голоцену (10,3−10,1 тыс. лет назад) может быть сопоставлено с современным потеплением. В настоящее время именно этот период привлекает особое внимание ученых, как наиболее вероятный аналог климатических условий в ближайшие десятилетия. Поэтому анализ развития природной среды в течение голоцена может служить основой для прогноза будущих естественных изменений природно-климатической обстановки.

До сих пор в Казахстане исследования по проблеме будущих климатических изменений были направлены на оценку последствий потепления климата для зернового хозяйства, процессов опустынивания территорий, гидрологических условий, трансформации ледниковых систем.

Особую группу составляют исследования последствий естественно-природного и антропогенного изменения климата в области распространения альпийской вечной мерзлоты. Решение проблемы происхождения и динамики развития многолетнемерзлых пород в средних широтах представляет научный и практический интерес. Темпы освоения высокогорных районов требуют решения сложнейших инженерно-технических задач при прокладке транспортных магистралей, возведении различных сооружений, добыче полезных ископаемых и т. д. В связи с этим крайне необходимо изучение мерз-лотно-геологических особенностей высокогорных районов, знание динамики формирования или деградации мерзлых толщ, а так же прогнозирование изменений природной обстановки при сооружении и эксплуатации объектов на участках с многолетнемерзлыми грунтами. Актуальность этих вопросов определяется полученными в результате исследований фактами, свидетельствующими о том, что изменения климата за последние десятилетия уже повлекли за собой преобразования перигляциальной среды высокогорья. Если эта тенденция сохранится в будущем, это может привести к дальнейшей активизации деструктивных посткриогенных геологических процессов и явлений, которые могут носить негативный, а иногда и катастрофический характер (гляциальные сели, оползни, сплывы, подвижки каменных глетчеров, термоэрозия, термокарстовые обрушения). Поэтому важнейшими задачами в этой области исследований являются мониторинг и прогноз изменений мерз-лотно-климатических условий в регионе и в соответствии с этим, разработка экономических и политических стратегий адаптации к предстоящим изменениям природной среды и по предотвращению экстремальных экологических ситуаций.

Проблемной стороной вопроса практической организации мониторинга в условиях высокогорья является трудно доступность объектов наблюдения. В связи с этим возникает необходимость создания математических моделей, адекватно описывающих процессы, происходящие в достаточно специфических условиях перигляциальной среды аридных гор. В месте с тем, становиться очевидным, что решение модельных задач теплообмена, создание и развитие физико-математических моделей процессов должно опираться на данные наблюдений за динамикой криогенных процессов на реальных объектах в природных условиях. Такой синтез позволяет проводить верификацию моделей на базе анализа современных трендов и оценить степень достоверности прогнозных оценок.

На сегодняшний день накоплен богатый фактический материал о многолетнеи сезонно-мерзлых породах Тянь-Шаня. Сохранение и эффективное использование накопленной климатической, геокриологической, гляциологической и др. информации определяет спектр задач, требующих неотложного решения. Одной из важнейших задач в этом направлении является проблема организации данных на основе информационных технологий и средств компьютерной картографии. Без широкого и комплексного применения компьютерных средств, процесс обработки большого объема данных просто невыполним. Основой для мерзлотно-климатического мониторинга и прогноза может являться географическая информационная система (ГИС) регионального и локального уровней. Системы накопления и отображения мерзлотно-климатической информации в электронном виде, являются банками знаний, позволяющими использовать пространственную информацию в научных и практических целях.

В условиях возрастающего дефицита водных ресурсов и сокращения наземного оледенения, скорость сокращения которого значительно опережает темпы деградации подземного, в связи с потеплением климата, доля подземных льдов в стоке рек все более будет возрастать. Это значит, что доля подземных льдов в обеспечении населения водой в будущем будет играть значительную роль. В связи с этим, прогноз изменения альпийской криоли-тозоны позволит заблаговременно построить политику водообеспечения населения именно таким образом, что бы избежать нежелательных последствий.

Таким образом, перечисленные задачи обозначили круг вопросов, попытка решить которые сделана в настоящей работе. Они же определили и актуальность работы тем, т.к. ее тема лежит в русле фундаментальных исследований, освещающих глобальный природный процесс в голоцене и возможные изменения в перигляциальной зоне Северного Тянь-Шаня в будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тесная связь климата и вечной мерзлоты определяет роль и значение последней в общепланетарной геосистеме. Не вызывает сомнений, что мно-голетнемерзлые породы и криогенные образования являются одним из лучших индикаторов климатических событий как современных, так и в достаточно отдаленном геологическом прошлом.

На протяжении всего голоцена тепловое состояние криолитозоны Северного Тянь-Шаня испытывало неоднократные колебания, вызванные как общепланетарными изменениями климатической системы, так и региональными процессами. При этом региональные и зональные факторы (горные поднятия, внутригорные замкнутые долины) порой оказывают большее влияние на климат по сравнению с глобальными процессами. В целом голоцен был деструктивным периодом истории криолитозоны Северного Тянь-Шаня, в течение которого формировалась структура современной геокриологической высотной поясности.

Максимальное потепление в горах Северного Тянь-Шаня охватывает период 7−10 тыс. лет тому назад, когда температура горных пород повышалась на 0,5−1,5°С по сравнению с современными. Затем, в среднем голоцене, имело место понижение температуры, сменившееся в позднем голоцене короткими, но ярко выраженными тремя фазами потепления. Максимальное похолодание отмечено в период 4−2 тыс. л. н. и в последнее тысячелетие, в течение некоторых периодов которого температуры горных пород были ниже современных на 1,0−1,5°С. С учетом условий теплообмена на поверхности, в местах расположения скважин, снижение средней годовой температуры воздуха в это время оценивается в 2−3 °С. Колебания высотного положения нулевой изотермы средней годовой температуры воздуха в голоцене имели амплитуду около 500 м. Максимальное ее положение в Северном Тянь-Шане достигало в раннем голоцене абсолютной высоты 2900 м, минимальное сни.

108 жение в ХУ1-ХУШ в.в. доходило до высотной отметки 2400 м (современное положение около 2700 м абс.).

Количественная оценка палеоклиматических и палеогеокриологиче-ских условий проведена на основе геотермического метода палеореконст-рукций, основанного на интерпретации современных геотермических профилей, полученных из глубоких скважин. При условии использования комплекса независимых методов индикации палеообстановки, палеогеотермический метод обладает достаточно высокой степенью достоверности полученных данных.

Прогнозная оценка изменения климата в ближайшие десятилетия показала, что самые неблагоприятные условия для существования альпийской криолитозоны в Северном Тянь-Шане можно ожидать в период 20 052 015 г. г. — в это время ожидается максимум потепления в течение последних 1000 лет. В этот же период следует ожидать максимальную активизацию посткриогенных процессов в результате значительных изменений геотермического и гидрогеологического режимов горных склонов в перигляци-альном поясе Северного Тянь-Шаня.

Анализ динамики мерзлотно-климатических показателей в регионе свидетельствует о наличии закономерной составляющей повышения температуры воздуха и горных пород. Анализ длиннопериодных наблюдений на метеостанциях Тянь-Шаня показал, что основными образующими гармониками внутривекового хода средней годовой температуры воздуха в этом регионе являются периоды около 80, 22, 8, и 3−4 года. Изменения климата, имеющие определенную периодичность, вызывают аналогичные циклические изменения термического состояния многолетнемерзлых пород.

Увеличение минимальных, максимальных и средних значений температуры воздуха за период 1937;1992 г. г. на различных высотных уровнях имеет положительную корреляцию между приростом температуры воздуха и абсолютной высотой. Наиболее тесная связь наблюдается для летнего периода. Тем не менее, в настоящее время фиксируется повышение средней годовой температуры воздуха, главным образом, за счет потепления зим. В данный момент наблюдается незначительное увеличение годовых сумм осадков, которые в ближайшие 10−20 лет будут возрастать. В настоящее время происходит сокращение площади горных ледников и повышение температур альпийской криолитозоны. Деформация геотермического режима альпийской вечной мерзлоты сопровождается увеличением мощности слоя сезонного протаивания, который в течение последних 25 лет увеличился на 30%.

Отличительной чертой предложенной модели формирования термического режима альпийской криолитозоны для аридных и семиаридных горных территорий является учет специфических особенностей теплои массопере-носа в крупноглыбовых пористых отложениях, широко распространенных в горных районах. Модель так же учитывает наличие подвижных фазовых границ, разделяющих мерзлые породы на слой, в котором происходит в основном лишь изменение термического режима, и протаявший слой пород, в котором наблюдается активный процесс массои теплопереноса. Предложенная модель может быть использована для оценки термического состояния любых пористых крупнообломочных отложений, как естественного (осыпи, обвалы, каменные глетчеры, курумы), так и искусственного (насыпи и др.) происхождения.

Количественная оценка теплового состояния многолетней мерзлоты в регионе показала, что в случае сохранения современных климатических трендов следует ожидать значительных изменений геокриологических условий. Увеличение абсолютных высот нижней границы распространения многолетней мерзлоты к 2020 г. может составить около 200−250 м (т.е. подняться от 2700 до 2900−2950 м абс.). Сокращение площади островного распространения мерзлых пород к этому моменту может достигнуть 20%. В результате потепления произойдет увеличение глубины сезонного протаивания в области криолитозоны, что вызовет ниже высотного уровня 3400 м образование мерзлоты несливающегося типа. Глубина залегания кровли многолетнемерз-лых пород на конец прогнозного периода будет около 5,5−7 м. Сезонное промерзание выше 3000 м абс. будет проникать на глубину от 3,5 до 5,0 м, в зависимости от локальных факторов.

Разработанная геокриологическая информационная система, является инструментом, позволяющим оперативно анализировать возможные преобразования геокриологической обстановки и в соответствии с результатом анализа, оценить степень значимости происходящих перемен. Она дает возможность заблаговременно предвидеть неблагоприятные, а в некоторых случаях катастрофические ситуации, вызванные изменением мерзлотно-климатической обстановки в регионе. В связи с этим появляется возможность разработки стратегии адаптации к предстоящим изменениям в периг-ляциальной зоне и принятия решений по предотвращению экстремальных экологических ситуаций.

В условиях возрастающего дефицита водных ресурсов и уменьшения площади наземного оледенения, скорость сокращения которого значительно опережает темпы деградации подземного, в связи с потеплением климата, доля подземных льдов в стоке рек будет возрастать. Это значит, что доля подземных льдов в обеспечении населения водой в будущем будет играть значительную роль. В связи с этим, прогноз изменения альпийской многолетней мерзлоты позволит заблаговременно построить политику водообеспе-чения населения таким образом, чтобы избежать негативных последствий.