Многолетняя мерзлота (многолетняя криолитозона, «вечная мерзлота», многолетнемёрзлые породы) — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Под вечной мерзлотой понимают горные породы, которые имеют отрицательную температуру и содержат в составе лёд в течение минимум 2 лет. Большая часть сегодняшней вечной мерзлоты образовалась во время или после последнего ледникового периода 100 000—10 000 лет назад. Возраст самой древней приповерхностной вечной мерзлоты оценивается в 700 тысяч лет (расположена в округе Клондайк, территория Юкон, Канада).
Многолетнее промерзание () — процесс длительного промерзания горных пород, происходящий в области криосферы. Многолетнее промерзание начинается в случае охлаждения верхних слоёв литосферы ниже 0°С. Мощность зоны с отрицательной температурой и развитием многолетнего промерзания определяется длиной периода климатических колебаний и глубиной распространения тепловых волн в горных породах. Основные параметры, позволяющие анализировать условия возникновения и развития процесса многолетнего промерзания — средняя многолетняя температура на поверхности горных пород, амплитуда колебаний температуры на этой поверхности и период многолетних колебаний температур.
Самый мощный слой вечной мерзлоты образовался в плейстоцене в Сибири и имеет глубину более 1500 м. Вечная мерзлота на Аляске и западной арктической Канаде обычно имеет толщину вплоть до 700 м. В то время как самая тонкая вечная мерзлота имеет вертикальную протяжённость менее метра. Почвы в районах вечной мерзлоты обычно состоят из двух слоёв: тонкого слоя глубиной до двух метров, который оттаивает летом и снова замерзает зимой (активный слой), и постоянно замороженного слоя вечной мерзлоты под ним.
С позднего плейстоцена до современного голоцена вечная мерзлота отступила с последнего максимума в 35 млн . Оценки нынешней площади вечной мерзлоты разнятся. Большинство исследователей уверены, что она покрывает приблизительно 21—23 миллиона или 22—24 % площади суши Северного полушария. Однако во многих районах вечная мерзлота прерывиста или встречается спорадически (подстилает 10—90 % поверхности). Соответственно реальная площадь, подстилаемая вечной мерзлотой (область вечной мерзлоты), составляет приблизительно 14 миллионов (15 % от открытой поверхности суши в Северном полушарии). Вечная мерзлота расположена в арктических регионах Евразии (север Европы и значительные территории Сибири) и Северной Америки (Канада, Гренландия и Аляска, где почти 85 % штата находится на слое вечной мерзлоты). Она также встречается в высокогорных регионах, таких как Тибетском плато и Скалистые горы, и на дне Северного Ледовитого океана в виде подводной вечной мерзлоты. В южном полушарии вечная мерзлота встречается реже — в горных регионах, таких как южноамериканские Анды и новозеландские Южные Альпы, а также под Антарктидой. В континентальном масштабе двумя наиболее важными контролирующими переменными являются температура воздуха и зимний снегопад.
Потепление Арктики и другие последствия изменения климата приводят к таянию огромных участков вечной мерзлоты, создавая обратную связь, которая ускоряет глобальное потепление.
Вечная мерзлота состоит из горных пород, осадков и почвы с различным количеством льда, который действует как цемент и удерживает рыхлые осадки вместе. Когда этот грунтовый лёд тает, земля становится слабой и нестабильной. Это может привести к широкому спектру повреждений инфраструктуре и постройкам, расположенным на вечной мерзлоте.
История
Реликтовая вечная мерзлота Последний холодный этап в истории Земли начался около 3 миллионов лет назад, и именно тогда могла образоваться первая вечная мерзлота. Однако поздний плиоцен и ранний плейстоцен характеризовались частым таянием и новым образованием мерзлоты. Только в среднем и позднем плейстоцене вечная мерзлота стала более устойчивой и широко распространённой. Во время последнего ледникового периода непрерывная вечная мерзлота покрывала всю свободную ото льда Европу на юг примерно до Сегеда (юго-восточная Венгрия) и Азовского моря (тогда суша), а также Китай на юг до Пекина. В Северной Америке пояс вечной мерзлоты существовал к югу от ледяного щита примерно на широте Нью-Джерси через южную Айову и северную часть Миссури. Последовавшее потепление привело к массовому таянию вечной мерзлоты, о чем свидетельствуют формы рельефа на больших территориях Европы, Азии и Америки.
Большая часть вечной мерзлоты образовалась во время холодных ледниковых периодов и сохранялась в течение более тёплых межледниковых периодов, включая голоцен (последние 10 000 лет). Так, относительно неглубокие слои вечной мерзлоты (от 30 до 70 метров) образовались во второй половине голоцена (последние 6000 лет), а некоторые — во время малого ледникового периода (от 400 до 150 лет назад). Исследования показали, что при оттаивании высокольдистых отложений и залежей подземных льдов, особенно в тёплый период оптимума голоцена около 4—8 тыс. лет назад, на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах с поверхности образовалась толща талых пород толщиной от нескольких десятков до 200 метров и более. Однако ниже сохранились мёрзлые породы — так называемая реликтовая мерзлота, мощностью от 20 до 500 метров. Эти структуры были впервые описаны в 1957 году профессором Алексеем Земцовым в Западной Сибири.
Первые упоминания и открытия Вечномёрзлая почва впервые упоминается в 1598 году в Сибири. Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно его изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В посланиях русскому царю землепроходцы засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает, самое большее, на два аршина.
В XVIII и XIX веках несколько немецких учёных исследовали почти неизвестные территории Российской империи и в 1757 году впервые научно описали вечную мерзлоту. Информацию о находках исследователей Сибири публиковали на русском, немецком и французском языках, в основном в журналах Русского географического общества (Санкт-Петербург), в путевых заметках или в отдельных монографиях и главах книг. Западный мир впервые узнал о вечной мерзлоте в Сибири от Иоганна Георга Гмелина, который сообщил об обнаружении этого явления в Якутске. Но другие исследовали подвергли сомнению его находки, так как отказывались верить в наличие мерзлоты под растительным слоем. В результате находки Гмелина были надолго удалены из учебников.
В 1827 году были предприняты попытки раскопать вечномёрзлый грунт, чтобы достичь грунтовых вод. За 10 лет рабочим удалось раскопать до глубины 116,5 м. Шахта приобрела большое значение для учёных и дальнейших геокриологических исследований. Первые измерения температуры почвы были проведены в ней в апреле 1829 года немецким физиком Адольфом Эрманом и продолжались несколько десятилетий.
Между 1838 и 1843 годами исследователь Карл Эрнст фон Бэр собрал все доступные данные о мёрзлых грунтах в Сибири из опубликованных источников или из российских архивов. Он подготовил специальное исследование вечной мерзлоты, включив в него первую классификацию вечной мерзлоты и предложив регулярные наблюдения. Бэр также создал первую карту распространения вечной мерзлоты. Однако его исследование и карта не были опубликованы до 2000 года.
В рамках Международного полярного 1882 года проводились измерения температуры в активном приповерхностном слое на станции Сагастырь в дельте реки Лены и на Новой Земле. Наблюдения за температурой почвы включены в метеорологическую программу и осуществлялись регулярно на глубинах 0,4 м, 0,8 м и 1,6 м.
Во время исследований вечной мерзлоты на Быковском полуострове в 1799 году были обнаружены останки мамонта. В 1885—1886 годах экспедиция Петербургской академии наук на Новосибирские острова также обнаружила останки мамонтов в вечной мерзлоте. В 1901 году на берегу реки близ Среднеколымска был обнаружен первый целый шерстистый мамонт в вечной мерзлоте. Это событие увековечено стилизованным изображением красного мамонта на городском гербе.
Систематические наблюдения
Систематический мониторинг температуры вечной мерзлоты в России начался в 1950-х годах на гидрометеорологических станциях на глубине до 3,2 метров и в скважинах глубиной более 100 метров. В Северной Аляске температура вечной мерзлоты измерялась из глубоких скважин (обычно более 200 метров) с 1940-х годов и из неглубоких скважин (обычно менее 80 метров) с середины 1980-х годов. Примерно в это же время начали проводиться измерения в северной Канаде, а в 1990-х — в Европе. В 1999 году была создана Глобальная сеть мониторинга криолитозоны (GTN-P) в рамках Глобальной системы наблюдения за климатом и Глобальной системы наблюдения за сушей Всемирной метеорологической организации. К началу 2000-х годов в большинстве регионов, где проводились замеры, зафиксировано повышение температуры на 0,5—3 °C.
Содержание льда и температура вечной мерзлоты являются ключевыми параметрами, определяющими её физическое состояние. Учёные используют температуру вечной мерзлоты на глубине, где сезонные колебания прекращаются, как индикатор долгосрочных изменений и для оценки среднегодовой температуры грунта.
Определение и характеристики
Вечная мерзлота — это почва, скала или осадок, которые находятся в замороженном состоянии более двух лет подряд. Вечная мерзлота, или многолетнемёрзлый грунт, также может содержать большое количество льда. Термин «вечная мерзлота» обычно приписывается (1945), который, по-видимому, придумал это название вместо более громоздких терминов, таких как «постоянно мёрзлая земля» или «постоянный мороз». В 1946 году американский геолог предложил термин «pergélisol», однако он не был широко принят, за исключением французской литературы.
Земля под ледяными щитами не считается вечной мерзлотой. Почвы, которые замерзают во время исключительно суровой зимы и сохраняются в течение 1 или 2 лет, называются «перелетками» и часто не классифицируются как вечная мерзлота. Если земля замерзает и оттаивает каждый год, она считается «сезонно замёрзшей».
Возраст конкретного месторождения вечной мерзлоты определяется как время, прошедшее с момента замерзания почвенной системы. Определить его зачастую сложно, поскольку оттаивание и замерзание могут происходить циклически с большими интервалами и разной частотой в различных регионах Земли. Самая древняя датированная вечная мерзлота образовалась 650—800 тысяч лет назад в Юконе в Канаде и Восточной Сибири (недалеко от деревни Батагай).
Вечная мерзлота является характерным фактором арктических и субарктических экосистем и определяет множество фундаментальных гидрологических и биогеохимических процессов.
Тип покрытия Сплошная (непрерывная) вечная мерзлота Сплошная вечная мерзлота встречается преимущественно вблизи полюсов, где 90—100 % территории покрыто вечномёрзлой почвой. Северном полушарии южная граница сплошной вечной мерзлоты традиционно определяется среднегодовой изотермой −8 °C, что соответствует среднегодовой температуре воздуха. Среднегодовая температура грунта в этой зоне может варьироваться от более −1 °C в некоторых местах до −15 °C.
В этой зоне вечная мерзлота залегает под всей поверхностью, за исключением крупных рек и глубоких озёр. Большая часть сплошной вечной мерзлоты образовалась во время или до последнего ледникового периода, и её слои часто достигают толщины более 100 метров.
Прерывистая вечная мерзлота Прерывистая вечная мерзлота встречается в более низких широтах по сравнению с сплошной мерзлотой. К ней относят зоны, где покрытие составляет от 50 % до 90 %. Например, на северных территориях с лесным покровом она обычно составляет менее 80 % поверхности.