№ 4 (2024)
Статьи
Анализ результатов исследований теплового режима природных и техногенных курумов криолитозоны
Аннотация
Предметом исследований являются природные и техногенные курумы (глыбовые скопления скальных пород). Целью работы был анализ основных литературных источников, в которых опубликованы результаты исследований по формированию теплового режима скальных отвалов (курумов). Ретроспективный период составил более 50 лет. Рассмотрены отечественные и зарубежные источники информации. Выбраны для анализа наиболее представительные, в которых опубликованы результаты исследований, имеющих теоретическую ценность и практическую значимость. Анализ показал, что по многим важным аспектам формирования теплового режима природных и техногенных курумов, все авторы исследований, проведенных в различных регионах и в разные периоды времени, независимо друг от друга, пришли к одинаковым выводам. Это свидетельствует о надежности и объективности полученных результатов. В качестве метода исследований использовался аналитический обзор научных статей, в которых опубликованы материалы исследований по формированию теплового режима как собственно курумов, так и их грунтовых оснований. Рассмотрены курумы зоны многолетней и островной мерзлоты. Выполнен аналитический обзор литературных источников, содержащих теоретические и практические результаты исследований по формированию теплового режима природных и техногенных курумов. Результаты анализа позволяют сделать следующие основные выводы. 1. Любые виды, природных и техногенных курумов приводят к прогрессирующему охлаждению основания, на котором они находятся. 2. При взаимодействии с породным основанием техногенный курум работает как активная тепловая защита, изменяя свое термическое сопротивление в течение годового цикла. 3. При моделировании процесса теплового взаимодействия техногенного курума вполне допустимым является рассмотрение курума как теплозащитного слоя, термическое сопротивление которого зависит от эффективного коэффициента теплопроводности, изменяющего свое значение при изменении знака температуры атмосферного воздуха. На основании анализа результатов опубликованных работ сделаны выводы о возможности ряда упрощений при построении расчетных моделей для прогноза и управления тепловым режимом мерзлых оснований техногенных курумов.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):1-12
1-12
Роль цифровых моделей рельефа для увеличения точности геофизических исследований техногенного металлического загрязнения в условиях криолитозоны (На примере Норильского полигона)
Аннотация
Исследование направлено на повышение точности геофизических исследований антропогенного металлического загрязнения с использованием цифровых моделей рельефа (ЦМР). На примере Норильского полигона, расположенного в непосредственной близости к террикону шлаковых отвалов никелевого завода был апробирован метод комплексного изучения среды на основе данных ЦМР, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), для проведения детального геоморфологического анализа исследуемой территории. Также применялись геофизические методы естественного поля (ЕП) и частотного зондирования для выявления зон возможного распространения металлического загрязнения, а также характера и пространственного положения прогнозируемых мерзлых толщ. Основное внимание уделено преимуществам интеграции геофизических методов с ЦМР и производными картографическими материалами для повышения точности и достоверности обнаружения и картирования поверхностного металлического загрязнения с учётом геокриологической ситуции в пределах исследуемого полигона. Использованы геофизические методы естественного поля (ЕП), метод частотного зондирования для определения электрофизических характеристик среды района исследования. Проведены рекогнисцировочные работы и полётные миссии для формирования цифровой модели рельефа и ортофотоплана, а также создана схема распределения стоков поверхностных вод на основе полученых растров и проведено их дешифрирование. На основе полученных геофизических данных были выделены зоны предположительного распространения металлического загрязнения от шлакоотвального террикона, которые после анализа ЦМР подтвердились по характеру геоморфологии исследуемого участка. Картина распределения полей удельного электрического сопротивления также была проинтерпретирована с учетом полученных данных и показала свою состоятельность посредством заверки при помощи бурения. Стоит отметить, что комплексный подход позволил определить необходимость изменения плана интерпретации, так как только посредством анализа характера и интенсивности металлического загрезнения стало возможно объяснить аномально низкие значения сопротивлений в областях удаленных от термокарстовых озер и обладающих сравнительно низкими значениями глубин до многолетнемерзлых пород. Также стало возможно без определения количественного состава металлического загрязнения качественно оценить зоны накопления пылевого материала.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):13-23
13-23
Оценка потенциала местных возобновляемых энергетических ресурсов Архангельской области
Аннотация
Предметом исследования является оценка возможностей использования местных возобновляемых энергоресурсов в северных регионах России на примере Архангельской области. Проведён анализ топливно-энергетического комплекса региона, объёмов производства и структуры потребления тепловой и электрической энергии в пространственном аспекте и по источникам энергии. Проведены расчёты объёмов отходов лесозаготовок и их энергетического потенциала, рассчитана их потенциальная доля в производстве энергии в области. Обозначены также другие возобновляемые энергетические ресурсы на территории региона – гидроэнергетические, ветровые, солнечные, приливные, торфяные ресурсы, и их возможная роль в его энергообеспечении. Выявлены районы области, где создание и развитие энергетики на основе местных возобновляемых энергоресурсов наиболее востребовано. Для этих территорий проведены расчёты потребностей в автономных электроэнергетических мощностях на основе местных возобновляемых энергетических ресурсов. В качестве информационно-методической базы работы использована федеральная, региональная и отраслевая статистика по природным ресурсам и объектам генерации энергии, аналитические материалы, результаты предшествующих исследований, существующие в настоящее время методические указания по определению потенциала ВИЭ. Основными выводами работы являются: 1.Производство тепловой и электроэнергии в Архангельской области зависит примерно на 90% от углеводородных, преимущественно привозных энергоносителей. Активное расширение использования местных биоресурсов в последние годы затрагивает, прежде всего, генерирующие объекты небольшой мощности. 2.Потенциальная доля отходов лесозаготовок в производстве энергии при текущем их объёме составляет 15% – 50% от общего объёма производства энергии в настоящее время. 3.Архангельская область обладает также высоким потенциалом гидроэнергии, ветровой энергии, приливной энергии, биоэнергии на основе сельскохозяйственных отходов, локально – солнечной энергии. Теоретически, совокупный потенциал ВИЭ позволяет не только полностью удовлетворить текущие потребности региона в энергии, но и наращивать его энерговооружённость. 4.Наиболее востребовано развитие электроэнергетики на местных возобновляемых энергоресурсах, прежде всего, в малых автономных формах, на энергоизолированных сельских территориях области. В то же время, они переживают быструю депопуляцию, связанную с отрицательным естественным приростом и большим оттоком населения, что требует дополнительного анализа и учёта при подготовке проектов и программ, связанных с их развитием.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):24-41
24-41
Эффективность использования теплового насоса при строительстве зданий на участках с заглубленной кровлей льдистых многолетнемерзлых пород
Аннотация
В настоящее время существует проблема надежности зданий и сооружений, построенных на многолетнемерзлых грунтах по I принципу, которая обусловлена зависимостью стандартных проектных решений от климатической составляющей. Решение данной проблемы предусматривает внедрение методов активной термостабилизации грунтов, что позволяет эффективно управлять тепловыми потоками и обеспечивать сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии. Одним из ключевых решений, предлагаемых авторами, является использование теплового насоса с размещением охлаждающего контура в грунтовом массиве. Применение тепловых насосов в строительстве на участках с многолетнемерзлыми грунтами представляет собой инновационный подход, обеспечивающий безопасность и эффективность эксплуатации зданий. В статье на конкретном примере здания в г. Салехард рассмотрена возможность использования теплового насоса на участке с заглубленной кровлей льдистых многолетнемерзлых пород. Методы исследований включают в себя анализ и обобщение литературных источников и многовариантные вычислительные эксперименты по исследованию температурного поля грунтов основания здания с применением теплового насоса. Основным выводом проведенного исследования является целесообразность применения тепловых насосов при строительстве зданий на участках с заглубленной кровлей льдистых многолетнемерзлых пород. Предложенный в данной статье инновационный метод сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, при его практическом применении, окажется эффективным решением на фоне нового природного вызова — глобального потепления климата. Помимо сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии и обеспечения стабильной работы зданий и сооружений в криолитозоне, тепловые насосы обеспечивают значительную экономическую выгоду за счет снижения эксплуатационных затрат. Также тепловые насосы способствуют снижению выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ, что важно в контексте глобальных изменений климата и стремления к устойчивому развитию.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):42-56
42-56
Концентрация основных растворимых ионов в ледяных жилах ПЖЛ-5 и ПЖЛ-7 Батагайской едомы
Аннотация
Предметом исследования является ионный состав позднеплейстоценовых сингенетических повторно-жильных льдах (ПЖЛ) нижней части едомного комплекса: ПЖЛ-5 и ПЖЛ-7 Батагайской едомы. Образцы льда отбирались из ледяных жил по вертикали через каждые 10 см с помощью дрелей Makita и Bosch GSR со стальными коронками для льда диаметром 51 мм. Измерения макрокомпонентного состава льда проводились с помощью ионного хроматографа «Стайер». Для ПЖЛ-5 и ПЖЛ-7 были определены концентрации калия, натрия, кальция, магния, хлора, нитратов, сульфатов. Минерализация позднеплейстоценового жильного льда варьирует от 67 до 425 мг/л. В изученных ледяных жилах среди катионов доминирует кальций (ПЖЛ-5 от 17,8 до 82,5 мг/л, ПЖЛ-7 от 12,0 до 52,1 мг/л). На втором месте магний (ПЖЛ-5 от 3,1 до 13,6 мг/л, ПЖЛ-7 от 2,6 до 8,3 мг/л). Катионы натрия и калия содержатся в небольших количествах. Na в ПЖЛ-5 от 0,8 до 6,8 мг/л, ПЖЛ-7 от 0,45 до 4,0 мг/л, а К в ПЖЛ-5 от 17,8 до 82,5 мг/л, ПЖЛ-7 от 1,1 до 5,6 мг/л. Среди анионов превалируют нитраты: ПЖЛ-5 от 6,9 до 27,9 мг/л, ПЖЛ-7 от 5,0 до 54,8 мг/л, среднее содержание нитратов: ПЖЛ-5 – 14.5 мг/л, ПЖЛ-7 – 12,2 мг/л. В ПЖЛ-5 анионов сульфатов содержится от 2 до 17 мг/л, в среднем – 6,4 мг/л, хлоридов содержится от 1 до 7 мг/л, в среднем 2,6 мг/л. В ПЖЛ-7 сульфатов содержится от 1,4 до 40,5 мг/л- в среднем 5,79 мг/л, хлоридов содержится от 1,13 до 4,5 мг/л, в среднем 2 мг/л. По ионному составу лёд ПЖЛ-5 и ПЖЛ-7 соответствуют снегу, сформированному под воздействием континентальных воздушных масс.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):57-80
57-80
Влияние минерального состава, поверхностных пленок и температуры промораживания на дисперсность модельных песков при циклическом промерзании-оттаивании
Аннотация
Песчаные грунты, формирующие дневную поверхность, слагающие массивы насыпных оснований и сооружений, в условиях сезонного оттаивания или сезонного промерзания подвергаются циклическому (многократному) термическому воздействию, связанному, в том числе, с фазовыми переходами воды. Статья посвящена анализу влияния циклического промерзания-оттаивания на дисперсность песчаных грунтов. Описываются результаты лабораторного эксперимента по циклическому промерзанию-оттаиванию (120 циклов) водонасыщенных модельных песчаных грунтов разного минерального состава, с природными поверхностными пленками на зернах и без них, проведенного для изучения влияния минерального состава, температуры промораживания и наличия поверхностных пленок на изменение дисперсности. Объектами исследования стали кварцевый, полевошпатовый и карбонатный модельные пески. Для изучения влияния поверхностных пленок у части образца кварцевого песка природные пленки были удалены при помощи химической обработки. Гранулометрический анализ песчаных образцов выполнялся ситовым методом. Анализировались данные по изменению содержания отдельных фракций, а также различных показателей, привлекались опубликованные данные других исследователей. В отличие от мономинеральных и монодисперсных песков проведение анализа изменения гранулометрического состава для полидисперсных разностей выявило сложности в описании этих изменений, отсутствие комплексного показателя. По результатам исследования установлено, что в зависимости от минерального состава отмечается уменьшение интенсивности криогенного дробления в ряду: карбонатный песок, полевошпатовый песок, кварцевый песок (без пленок на зернах), что объясняется наибольшей устойчивостью кварца в зоне гипергенеза по сравнению с другими минералами. На устойчивость зерен кварца к криогенному выветриванию значительное влияние оказывают поверхностные пленки. При увеличении их удельной поверхности интенсивность дробления зерен в условиях эксперимента возросла вследствие повышения физико-химической активности поверхности зерен за счет вещества пленок. Для описания эффекта дробления предложен новый показатель – коэффициент криогенного измельчения, отражающий прирост содержания продуктов разрушения частиц грунта за единичный цикл промерзания-оттаивания. На его основе с использованием полученных данных и метода аналогии предложена методика прогноза изменения гранулометрического состава в результате процессов циклического промерзания-оттаивания, представлен пример такого прогноза.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):81-100
81-100
Возможность распознавания плоскобугристых и выпуклобугристых торфяников по соотношению углерода к азоту
Аннотация
Предметом исследования являются плоскобугристые и выпуклобугристые торфяники. В районах распространения бугристых многолетнемерзлых торфяников инженерные изыскания для строительства учитывающие совокупность характеристик геокриологических компонентов геологической среды существенно осложняются отсутствием четких критериев разделения бугров разных типов, и в первую очередь плоскобугристых и выпуклобугристых, различающихся по высоте и форме, а главное по распределению их основных инженерно-геологических свойств, в первую очередь – льдистости. Плоскобугристые торфяные блоки представляют собой, останцовые формы рельефа, которые образовались “пассивно”, за счет термокарстовых процессов по разделяющим их морозобойным трещинам с жильным льдом. Выпуклобугристые торфяные массивы распространены преимущественно в зоне островной мерзлоты, хотя нередко отмечаются и в зоне прерывистого и, даже в зоне сплошного развития многолетнемерзлых пород. Мощность торфа, как на плоских, так и выпуклых торфяных буграх, обычно высока и составляет 1–3 м, достигая в отдельных случаях 5 м, а иногда на выпуклых буграх и 8-9 м. Плоскобугристые и выпуклобугристые торфяники, различаются по генезису, высоте и форме, а главное по распределению их основных инженерно-геологических свойств, в первую очередь – льдистости. В процессе эксплуатации сооружений эти два вида бугристых многолетнемерзлых торфяников существенно по-разному реагируют на антропогенное воздействие и требуют принятия разных защитных мер. Необходима разработка способов более точной идентификации бугров уже на первых стадиях инженерно-экологических изысканий. Одним из методов может стать изучение распределения соотношения углерода и азота в торфе, перекрывающем бугры. В выпуклобугристых торфяниках содержание углерода в среднем выше 50-55%, а азота несколько ниже ниже 0,5-2,0% по сравнению с плоскобугристыми торфяниками в которых содержание углерода в среднем составляет 35-40%, а азота 1,5-2,5%. Величина C/N в этих торфяниках тоже различается: для выпуклобугристых торфяников это значение находится в пределах 30-36 (достигая — 240), а в плоскобугристых, если исключить показатели C/N для сезонно-талого слоя, редко превышает 25-27 (а часто составляет 10-20 ).
Арктика и Антарктика. 2024;(4):101-117
101-117
Использование криогенных ресурсов участниками научно-исследовательских экспедиций в арктические районы Якутии. Конец XIX – первая четверть ХХ вв.
Аннотация
Предметом статьи является анализ опыта учета традиционных знаний коренных народов Российской Арктики и применения представителями исследовательского сообщества в ходе своей профессиональной деятельности в высоких широтах криогенных ресурсов – эксплуатируемых обществом материальных объектов и сил природы, происхождение и развитие которых обусловлено сферой холода. В этой связи целью данной статьи является реконструкция практик использования криогенных ресурсов в ходе проведения в арктических районах Якутии в течение 1880-х – середины 1920-х гг. экспедиционных исследований. В этой связи внимание автора обращено к истории Ленской (1882–1884) и Русской полярных экспедиций (1900–1902), Ленско-Колымской экспедиции (1909) и некоторых других работ, выполненных на территории Якутии. Привлечен комплекс источникового материала, который включает документы из архивных фондов гг. Иркутск, Санкт-Петербург и Якутска, а также опубликованные по итогам рассматриваемых изысканий научные работы. При анализе названного круга источников использовались специальные методы исторического познания. Методологической основой разработки темы стало применение отмеченных принципов, заложенных в криософии и антропологии холода. Проведенное исследование позволило впервые показать практики эксплуатации криогенных ресурсов участниками экспедиций в арктические районы Якутии в рассмотренный период. Свойства природного холода, снега, льда и «вечной мерзлоты», как установлено, использовались при обеспечении представителей научного сообщества питанием (получение питьевой воды, криогенное воздействие при приготовлении блюд, хранение продовольствия), выполнении ими своих маршрутов (снежные и ледовые дороги, ледовые мосты, обледенение полозьев нарт), а также в процессе обустройства жилищ и павильонов для изысканий (окна из льда). Полученные в ходе проведения исследований данные также дают определенное представление об эффективности перенимания учеными опыта коренных народов Российской Арктики и в целом – плодотворности диалога между представителями исследовательского сообщества и местным населением.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):118-128
118-128
Глубина зоны теплового влияния поверхности в снежном покрове
Аннотация
Предметом исследования является снежный покров, который определяет формирование теплового режима грунтов в зимний период года. Целью работы является определение глубины зоны теплового влияния поверхности в снежном покрове. То есть, определение зоны колебаний температуры (суточных, декадных) в снежном покрове при изменении температуры атмосферного воздуха. Определение глубины этой зоны важно как для учета формирования свойств самого снежного покрова, так и для выбора метода моделирования процесса теплового взаимодействия атмосферы с грунтом при наличии снежного покрова. В частности, возможности учета снежного покрова в качестве термического сопротивления при моделировании тепловых процессов. Для оценки глубины теплового влияния использовалась известная формула Гудмена, полученная при решении соответствующей задачи теплопроводности интегральным методом и представляющая собой зависимость глубины зоны изменения температуры в твердом теле при скачкообразном изменении температуры на поверхности от времени и температуропроводности материала (в данном случае снега определенной плотности). Для определения температуропроводности использовались формулы Абельса и Осокина для определения коэффициента теплопроводности снега в зависимости от плотности. При этом учитывалось, что плотность снежного покрова является переменной по глубине величиной, определяемой по линеаризованной формуле Абэ. Как вариант, рассмотрен снежный покров с плотностью, равной средней интегральной плотности по глубине. Получены зависимости для определения длительности периода затухания колебаний температуры поверхности на определенной глубине снежного покрова. Предложен показатель изменения глубины затухания колебаний (глубины теплового влияния). Для оценки влияния снежной мелиорации предложена формула, позволяющая определить степень изменения длительности периода полного затухания температуры по глубине при уплотнении снежного покрова в зависимости от коэффициента уплотнения. Получена зависимость, связывающая глубину зоны теплового влияния с длительностью периода суточных колебаний температуры на поверхности снежного покрова и его плотностью. Сравнение расчетных данных по полученным формулам с данными, по глубине затухания суточных колебаний температуры в снежном покрове с различной плотностью снега, приведенными в литературных источниках, показали хорошую сходимость. Это позволяет рекомендовать полученные формулы для практического использования при оценках процесса формирования теплового режима снежного покрова.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):129-141
129-141
Могильный комплекс Истээх Быраан (Центральная Якутия): физико-географические и геокриологические условия, топонимы и нарратив природной среды
Аннотация
Объектом исследования является могильный комплекс Истээх Быраан, расположенный на террасах коренного берега р. Лена и на части примыкающей к ней долины. Комплекс состоит из нескольких разновременных могильников, вписанных в природный ландшафт: это вершина террасы, его южные подножия и высокий берег протекающего под террасами ручья. Предмет исследования – могильный комплекс и исторические события в контексте природного ландшафта. Цель – установление связи между историческими событиями, лицами и наименованиями мест природного ландшафта, а также введение в оборот полевого материала. Микротопонимы местности характеризуют особенности ландшафта и некоторые исторические события. Их нарратив обусловлен как природной средой, так и интерпретацией в конкретном культурном контексте, формирует локальную идентичность и восприятие себя в окружающей географической среде. Обобщены данные о физико-географических условиях могильного комплекса, так как именно природный фактор мог быть ведущим в выборе местности к качестве могильника. Был собран устный материал о микротопонимах и нарративе памятника у местных жителей, проведены обсуждения в рамках научно-практических конференций и круглых столов, посвященных истории Хангаласского улуса. Сложный рельеф местности, сложившийся ко времени обживания района скотоводами, определил расположение усыпальниц. Вероятно, живописные пейзажи отвечали эстетическим и религиозным представлениям, так как могильный комплекс и жилые зоны рядом функционировали на протяжении нескольких столетий. Обнаружено, что часть бытующих микротопонимов можно отнести к более ранним пластам и они утратили свое смысловое значение, часть являются относительно поздними и объяснение их происхождения объясняется современным населением. Часть нарратива выявленных названий имеют непосредственную связь с основными историческими фигурами Якутии XVII в. – Тыгыном и его внуком Мазары Бозековым. Вероятно, в сохранившейся устной традиции отражаются ранее бытовавшие правила распределения и наследования земель местной знатью и аристократией. Большую роль в сохранении микротопонимов и нарратива играют краеведы и региональные конференции. Исследование показало перспективность данного направления и может быть расширено в виде совместного междисциплинарного изучения памятника.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):142-156
142-156
Моделирование максимальных характеристик стока малых рек горной криолитозоны на основе данных плювиографов
Аннотация
Изменение климата приводит к трансформации гидрологических процессов в горных регионах криолитозоны, увеличивая частоту и интенсивность катастрофических паводков. Для большинства регионов Дальневосточного федерального округа методы и система краткосрочных прогнозов опасных гидрологических явлений в современных климатических условиях не разработаны. Исторически эти регионы являются наименее обеспеченной данными стандартных гидрометеорологических измерений территорией страны, в последние 30 лет произошло дальнейшее сокращение сети наблюдений. Целью работы является исследование процессов формирования и расчет максимальных расходов воды на территории Магаданской области с использованием данных плювиографов и гидрологической модели Гидрограф. Представлены результаты моделирования гидрографов речного стока на суточном расчетном интервале и исторических паводков на часовом расчетном интервале на малых водосборах горной криолитозоны с площадью от 8,4 до 932 км2, расположенных в Магаданской области. Основой исследования является распределенная детерминированная гидрологическая модель Гидрограф, ранее уже успешно использовавшаяся в зоне распространения многолетней мерзлоты, где чаще всего водосборы относятся к неизученным объектам. Параметризация модели Гидрограф для Магаданской области проведена на основе материалов Колымской водно-балансовой станции. Для моделирования внутрисуточного режима паводков использовались данные плювиографов. Модель была верифицирована на суточном интервале за периоды 1966–1994 гг. для ручья Кривуля и 1966–1987 гг. для рек Сусуман и Амбардах с медианными значениями коэффициента Нэша-Сатклиффа от 0,52 до 0,62. Моделирование проводилось для исторических паводков на часовом интервале: 16 августа 1986 года для рек Сусуман и Амбардах (максимальные наблюденные расходы – 393 м³/с и 74,7 м³/с, рассчитанные – 420 м³/с и 78,5 м³/с соответственно) и 26 июля 1984 года для ручья Кривуля (наблюденный расход – 14,2 м3/с, рассчитанный – 16,5 м³/с). Результаты исследования подтверждают возможность применения детерминированного гидрологического моделирования на внутрисуточном интервале с использование данных плювиографов. Однако основным ограничением для горной криолитозоны остается недостаток данных об осадках. Перспективным решением может стать использование данных климатических моделей.
Арктика и Антарктика. 2024;(4):157-173
157-173