Ничто не вечно под землей

Изменение климата вызывает таяние мерзлоты. За ней необходимо следить, чтобы избежать обрушения зданий, мостов, нефте- и газопроводов. Как изучают мерзлоту, какие данные уже есть в распоряжении ученых и можно ли узнать, когда она растает, выяснила экологическая журналистка Наталья Парамонова, слетавшая за восемь тысяч километров — в Якутск, где находится Институт мерзлотоведения РАН.

20 октября 2020 года снег на Колыме еще не выпал. Начальник метеорологической станции в поселке Черский Сергей Зимов взял длинный металлический щуп длиной 4,5 метра и отправился на экспериментальную площадку, напоминающую футбольное поле. Когда он воткнул щуп в землю, тот ушел по самую рукоятку. Мерзлотовед не поверил своим глазам. Обычно мерзлота тает на 60-70 сантиметров, но в последние три года таяние было рекордным. И щуп в 2018-м был длиной 1,6 метра. Советские ученые называли мерзлоту вечной. Теперь говорят: «многолетняя».

По мнению Зимова, виной всему глобальные климатические изменения и то, что в 2018-2019 годах на Колыме выпало слишком много снега. Он, как одеялом, укрыл почву и «не пустил» в нее холод, что и позволило оттаять мерзлоте.

Гидрогеолог и специалист по мерзлоте Никита Тананаев считает, что за один год мерзлота не может «провалиться» на два метра. Дело, скорее всего, в талых водах, куда попал щуп, или в ошибке предыдущих измерений. У Никиты щуп однажды ушел на 80 см ниже обычного. Оказалось, что он пробил слой мерзлоты в 10 см, который раньше, видимо, «щупали» с меньшим усилием.

Никита поясняет, что щуп — довольно грубый инструмент. На его наконечнике нет камеры, поэтому, если он во что-то упирается, то совсем не факт, что это метры многолетней мерзлоты, а не слой в несколько сантиметров.

Слишком тонкий слой

Экспериментальная площадка рядом с поселком Черский — одна из многих мерзлотных площадок в российской Арктике. В международную сеть таких площадок CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring) входит 68 объектов, чуть менее двух третей из которых расположены в России. На некоторых из этих площадок с 1994 года ведутся регулярные измерения. Эта работа позволила измерить темп таяния. В арктической зоне сплошной мерзлоты скорость ее потепления составляет около 0,4 °C за 100 лет.

Кроме площадок CALM, есть еще 148 станций Росгидромета, на которых измеряют температуру почвы. Таковы немногочисленные работы по мониторингу мерзлоты, которые ведутся на российские деньги. Остальное — зарубежные гранты.

Мерзлотоведы не отрицают важность данных Росгидромета, но не могут обходиться только ими. Температуру мерзлоты на его станциях измеряют не глубже трех метров от поверхности. Чертовcки мало! Это же тонюсенький поверхностный слой: мерзлотная толща доходит до 1-1,5 км.

Старики и мерзлота

Институт мерзлотоведения находится на Мерзлотной улице. Если же добираться на такси, то водителю надо сказать: до «мерзлотки». Это не только институт, это микрорайон Якутска, который должен был быть построен для тогдашних молодых ученых, покорителей севера. До конца его достроить не удалось, нет больницы и школы. Зато в саду института стоит скульптура мамонтенка.

«Якутия, Красноярский край и Магадан „поделены“ между нашими учеными. Каждый занимается 2-3 участками мерзлоты и все про них знает. Старики, наши заслуженные профессора, по 40-50 лет следят за своими участками», — говорит инженер лаборатории геотермии криолитозоны в Институте мерзлотоведения Максим Сивцев.

Его участок расположен в центральной Якутии. Здесь леса, поэтому процесс растепления мерзлоты идет медленнее. «А на Колыме протаивает сильно. Там тундра», — поясняет ученый.

Якутские косы

Кроме похожих на копья щупов, в распоряжении мерзлотоведов есть более сложные приборы. Например, термокосы, в смотанном виде напоминающие бобину с проводом. Длина доходит до 30-50 метров, а есть и километровые. Расположенные на термокосах датчики позволяют определять температуры на разных глубинах. В Советском Союзе под домами были предусмотрены термотрубки, в которые опускали термокосы, чтобы снимать показания о поведении мерзлоты, контролировать грунт. Пока я размышляю о том, как ученые измеряют глубину мерзлоты в тундре или в горах, слышу сигнал мобильного. Максиму в WhatsApp пришло сообщение, что его коллеги нашли геологическую скважину.

«Эта скважина — 211 метров. Ее делали для геологоразведки, а теперь она не нужна, заброшена. Геологи консервируют скважину бетонной пробкой, а мы ее расколупаем и опустим туда термокосу. Такие заброшенные скважины с нашими косами есть по всей Якутии. За границей максимальная длина скважин — 30 метров, а у нас есть и 300. Это для изучения мерзлоты крайне важно», — поясняет Максим.

Это работенка не для всех, романтики в ней мало. Сутки напролет надо сидеть рядом со скважиной и измерять температуру. Вместо развлечения — наблюдение за дикими зверями. «Я сначала не представлял, как будет, а потом втянулся. Мы все любим свою работу. Люди ездят в поля в 70-80 лет», — говорит ученый.

Неприятности доставляют вандалы. Коса российского производства длиной 30 метров стоит 70 тыс. руб. Таких кос нужны десятки, поэтому ученые свое оборудование берегут, но без потерь не обходится.

«Мы же косу опускаем в скважину и оставляем. Через год приезжаешь, а коса вырвана, логгер украли. Мы их прячем, как наркодилеры закладку. Таблички тоже пробовали ставить, не помогает. Что угодно делаем, чтобы не нашли, но все равно находят. Грибники, ягодники», — сетует мерзлотовед.

Мерзлота с собой

Из полей ученые возвращаются с образцами мерзлого грунта. Керн извлекают с помощью специальной буровой установки. В грунт при этом загоняется труба диаметром 15-20 сантиметров, а вместе с ней извлекается попавшая внутрь порода. Обычно керны извлекают с глубины 10-15 метров, но в 2018 году на берегах Лены добурились до 95-ти. Все находки детально описываются и передаются на хранение в кернохранилище с температурой ниже нуля — подвал, вырубленный под институтом.

В кернохранилище собраны тысячи образцов мерзлого грунта из разных точек в Якутии, Красноярском и Хабаровском краях и других уголках Арктики. Ученые исследуют физические, механические свойства мерзлых грунтов, их химический состав и абсолютный возраст. Для этого керны шлифуют, обрезают до нужной величины, иногда красят. Хотя изученные керны выбрасывают, результаты их анализов продолжают жить в диссертациях и научных статьях.

Сколько лет мерзлоте

Теорию, которая позволила изучать мерзлоту и ледники, выдвинул советский гляциолог Михаил Гросвальд. Он предположил, что ледники живут своей жизнью: увеличиваются или уменьшаются в размерах. А еще записывают и хранят информацию о состоянии климата на планете. По составу воды можно определить, откуда она взялась. Был ли это дождь в голоцене, снег в плейстоцене, а может быть — талые воды кембрийского периода.

Мерзлота занимает 90% Якутии. Само это понятие включает 145 разных типов мерзлых грунтов. На северо-востоке республики — ледяные комплексы, где 80% льда. Они состоят из огромных ледяных жил. Предполагают, что это древняя равнина, которая каждый год затапливалась, а в трещины в земле проникала вода и замерзала. Постепенно на планете холодало — и вода уже не таяла, а так и оставалась льдом. Его с каждым годом становилось все больше.

Когда ученые приступают к изучению мерзлотной жилы, то намечают схему забора проб, чтобы потом изучить их и понять, в какую эпоху она образовалась. В одной из научных работ говорится о том, что мерзлота в районе Олекминска существовала непрерывно 500 тыс. лет.

Что помнит мерзлота и как на ней жить

Чтобы определить химический состав льда, ученые растапливают его и изучают получившуюся воду. Для ее анализа гляциологи в Институте мерзлотоведения используют американский прибор Picarro. Воду погружают в герметичную пробирку, чтобы она не испарялась. Из пробирки автоматический шприц забирает образец — и начинается исследование.

Чем ближе к океану выпали осадки, тем вода в них теплее и тяжелее. Если на континенте лежит ледник — значит, осадки попадают на него и сохраняются в его «климатической памяти».

Когда ученым в лабораторию приносят образцы воды, то уточняют, из какого рельефа они получены: реки, горы, озера, равнины. На основе полученных данных исследователи строят глобальные линии метеорных или осадочных вод.

Мы подходим к двери следующей лаборатории в Институте мерзлотоведения. В ней изучают теплопроводность материалов, и это самая важная характеристика грунтов, которая позволяет определить, из чего они состоят и какие нагрузки способны выдержать. Теплопроводность грунтов изучают при любом строительстве. Делают скважины, вынимают керн, везут в лабораторию и отдают на исследование. Сложность работы с мерзлыми грунтами в том, что они мерзлые. То есть исследования нужно проводить при низких температурах, чтобы лед не растаял. Именно поэтому в помещении лаборатории имеется холодильник.

Однако недостаточно проанализировать мерзлые грунты и их состав, нужно прогнозировать их будущее. Мерзлота в условиях потепления климата стала нестабильной величиной.

«Для аэропорта Маган, в 12 километрах от Якутска, мы делаем модель теплового режима грунта в будущем. Считаем, что будет через 30-50 лет. Исходя из этого, будет ясно, как строить взлетно-посадочную полосу. Нам привозят керн из Магана, мы исследуем и закладываем данные в модель», — рассказывает Максим Сивцев.

Программное обеспечение, позволяющее сделать расчет, принадлежит белорусской IT-компании. Сейчас она работает в «Сколкове». Для расчета был выбран самый сложный участок мерзлоты, где грунт залегает только на два метра, а потом идет лед. Над этим участком будет насыпь. Ученые рассчитывают, какой высоты она должна быть и каким должно быть водоотведение, чтобы талые воды или осадки ее не разрушили. В модель закладываются теплопроводность грунтов, климатические условия, осадки, температуры. Ученые учитывают, откуда будет светить солнце, какой будет толщина снега, как долго температура будет держаться около нуля.

С учетом глобального потепления модель показала ослабление грунтов. До появления моделирования считалось, что мерзлота — вечная и ничего не изменится ни через 30, ни через 100 лет.

Якутск был основан в 1632 году, и о том, что фактически тут нет земли и нельзя вести сельское хозяйство, было известно сразу. Город стоит на сплошной многолетней мерзлоте глубиной 350-450 метров. А еще в городе не оказалось воды. В попытках найти ее источник, а не топить лед руководитель конторы Российско-американской компании Федор Шергин начал рыть колодец. Он прорыл 116 метров, но воды не нашлось, только мерзлый грунт. Колодец стал первой мерзлотной лабораторией, прототипом подземелья в Институте мерзлоты. Его называют «Шахта Шергина».

Мерзлота — это лоскутное одеяло, где каждый кусочек имеет свое происхождение и свою историю.

«До сих пор точно не ясно, как образовалась вечная мерзлота. Но главный вопрос не в этом. Главное — как мы будет жить на вечной мерзлоте и как ее использовать? Например, в ней можно хранить семена. Недавно в норке у евражки (разновидность суслика. — Прим. ред.) нашли семя, которому 30 тысяч лет. Его посадили, и оно проросло. Кроме того, уже придумали, как охлаждать помещения с помощью вечной мерзлоты», — рассказывает Максим.

В мерзлоте

Под зданием Института мерзлотоведения есть подземная лаборатория. В ней круглый год −8 °C. Она расположена на нескольких подземных этажах. Перед погружением ученый Николай Торговкин надевает бушлат. У каждого мерзлотоведа есть теплая одежда для спуска в подземелье. Случайные посетители вроде туристов и чиновников могут надеть одну из шуб, висящих у входа.

Деревянная лестница уходит все ниже и ниже и, наконец, упирается в последний уровень. Здесь за заиндевевшим стеклом лежит мамонтенок Дима. На самом деле это гипсовый слепок уникальной находки 1977 года. Мамонтенок стал символом Якутии, но оригинал находится в Санкт-Петербурге. Дима жил 40 тысяч лет назад. Рядом с ним в подземелье установлена кость мамонта. «Для фотографирования», — поясняет Николай. Чем еще развлечь туристов внутри огромного холодильника? Только Дима и кости.

Минуя мамонтенка, ход идет дальше. На глубине 12 метров пролегает слой нулевых колебаний температуры. Это означает, что она здесь неизменна. Вдоль стенок хода торчат куски доисторических деревьев. Фактически это камни, тяжелые и монолитные.

В конце прохода — небольшая пещера. Здесь установлен громоздкий прибор для углеродного анализа, чтобы датировать возраст грунтов. Его больше не используют, теперь это экспонат. В пещере есть стол, несколько костей мамонтов, чей-то череп и елка. Ученые стараются сделать погружение в мерзлоту увлекательным. Если убрать прибор, елку и кости, останутся заиндевевший грунт со следами наледи, холод и куски керна, который тут складируют. Подземные ходы в мерзлоте располагаются на трех уровнях. На каждом есть пещеры, где ученые ведут наблюдения и измерения. В одной из них находятся замороженные в прошлом году горностаи и ласки. Биологи пытаются понять, как долго они могут пробыть в спячке. Пока все живы, говорит Николай. Ласок и горностаев не показывают туристам, поэтому я воображаю милых существ, прижавшихся друг к дружке и погрузившихся в сон. Возможно, когда-то, много веков спустя, их найдут наши потомки во время исследований мерзлоты.

Выражаем благодарность за помощь в подготовке статьи научному сотруднику Института мерзлотоведения Никите Тананаеву, московскому отделению фонда Генриха Белля, а также Европейской федерации научной журналистики (EFSJ) за предоставленный грант.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.