Тепло и холод Севера

ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА

О вечной мерзлоте как природном явлении известно давно. Еще в первой половине XVII в. на нее обратили серьезное внимание первопроходцы. Однако первые научные сведения о вечной мерзлоте были получены много позднее — экспедицией А. Ф. Миддендорфа 1843–1846 гг., снаряженной на северо-восток Сибири. Систематическое же изучение вечной мерзлоты началось лишь в конце 20-х годов XX в. Большая роль в этом принадлежит советскому ученому, основоположнику мерзлотоведения в СССР М. И. Сумгину.

Вечная мерзлота занимает громадные просторы северного полушария. Только на территории нашей страны ею сковано около 11 млн. км², особенно мощные промерзания рыхлых толщ наблюдаются на Северо-Востоке. Температура в зимнее время вблизи Оймякона опускается до –71 °C. В лютые морозы в Оймяконской впадине почва даже трескается, а от испарения снега (сухая возгонка) стоит густой туман, и в десятке метров уже ничего не видно. Выдыхаемый человеком воздух издает своеобразный шум — частицы его мгновенно превращаются в ледяные кристаллики. И еще одна особенность климата в условиях вечной мерзлоты. Известно, чем выше мы поднимаемся, тем становится холоднее. Здесь же наоборот — чем выше, тем теплее, причем разница довольно ощутима –15–20 °C (температурная инверсия).

Мощность вечномерзлых (многолетнемерзлых) толщ разная. В некоторых местах она измеряется всего лишь несколькими десятками метров, в других — многими сотнями. А в верховье реки Мархи, левого притока Вилюя, глубина вечномерзлых толщ без малого достигает 1500 м. Такое глубокое промерзание объясняется поступлением холодных рассолов из Анабарского кристаллического массива, которые, имея отрицательную температуру, находятся в нем ближе к поверхности.

Что же представляет собой вечная мерзлота? Это мощная толща рыхлых пород, пронизанная ледяными жилами и прожилками. Температура здесь всегда ниже нуля. Промерзание почвы зависит не только от географического положения — ведь вечная мерзлота отмечена в Средней Азии и на Кавказе, правда, масштабы ее несопоставимы с северными. Имеет значение высота над уровнем моря, рельеф местности и состав рыхлых пород.

Как полагает академик П. И. Мельников, мерзлые толщи — наследие климата, который в определенных местах существовал тысячи — сотни тысяч лет назад. Например, возраст мерзлых толщ в Центральной Якутии — 300 тыс. лет. В пределах же Аляски и на севере Канады возраст мерзлых толщ оценивается в 1–1,5 млн. лет.

Член-корреспондент АН СССР П. Ф. Швецов считает, что мерзлота — продукт водотеплообмена. Это подтверждается тем, что наиболее мощный слой мерзлоты (до 1500 м) находится не в самом холодном месте. У полюса же холода северного полушария слой мерзлоты намного меньше (250 м). Дело в том, что в обычных, неполярных, геологических условиях теплообмен и движение вод рассматриваются отдельно. В районах же вечной мерзлоты эти процессы неразделимы: движение грунтовых вод происходит в условиях непрерывно изменяющейся температуры.

В связи с определенными трудностями проживания в районах вечной мерзлоты нередко возникал такой вопрос — а нельзя ли сделать эти края хотя бы немного теплее? На этот счет предлагались даже своеобразные проекты об отеплении районов вечной мерзлоты преимущественно за счет использования тепла искусственно проложенных водных каналов. Высказывалась даже мысль об уничтожении полярных льдов (что также утеплило бы Север). Но для этого следовало бы перегородить Берингов пролив!

Допустим, что это удалось бы осуществить. В таком случае произошло бы, причем незамедлительно, нарушение установившегося многовекового равновесия в природе. К чему бы это привело? Прежде всего мощные вечномерзлые толщи начали бы таять и оседать, а значительные участки суши вовсе исчезли под водой.

Однако следует отметить и другую сторону вечной мерзлоты — ее важность и полезность для человека. Советскому академику А. А. Трофимуку и другим ученым удалось установить, что при определенных условиях природный газ в мерзлой толще переходит в твердое состояние. Доказано, что в недрах Земли на значительных глубинах при давлении более 200 атм и температуре до 25 °C вода с природным газом (метаном) дает твердые соединения — гидраты. При этом 1 м³ воды способен образовать химическую связь с 200 м³ природного газа. В обычных условиях данный объем воды может аккумулировать не более 4 м³ газа. Такое накопление гидрата происходит в результате круговорота льда и рассолов в мерзлых толщах на протяжении десятков тысяч лет. Это очень важный резерв природного газа, которого вполне достаточно на многие десятилетия. Открытие твердого газа (газоконденсата) уже заметно сказывается на балансе страны: некоторые города и поселки, причем очень удаленные от центральных районов, уже пользуются им и в настоящее время. Это сырье можно транспортировать в любое место, но лишь при соблюдении определенных условий.

Не поскупилась вечная мерзлота и на нефть. Только в Якутии нефть и газ выявлены на территории сотен тысяч квадратных километров. Здесь же, в условиях вечной мерзлоты, обнаружены и железорудные месторождения, а также залежи каменного угля.

Другое ценное свойство вечной мерзлоты она очень облегчает сооружение столь необходимых для Северо-Востока холодильников. Складские помещения сооружаются под землей либо прокладкой штолен в сопках. Температура в таких холодильниках отрицательная, и они могут существовать очень долго — столько же, сколько и вечная мерзлота. Оборудовать их на определенной глубине куда легче и дешевле, чем сооружать искусственный холодильник.

И еще одно достоинство вечной мерзлоты: в ее пределах расположены громадные лесные массивы нашей страны, едва ли не самые большие на земном шаре. Площадь их измеряется многими миллионами гектаров. В вечномерзлых толщах облегчается и технология работ при добыче полезных ископаемых, ибо нет необходимости в материалах для крепления горных выработок.

А как долго могут находиться в вечной мерзлоте продукты в замороженном виде? Ответить на этот вопрос помогают находки мамонтов. В бассейне Индигирки был обнаружен мамонт, который пролежал в мерзлой толще около 80 тыс. лет. Здесь же впервые в мире был найден зубр, который пролежал в вечной мерзлоте 40 тыс. лет. Самая же знаменитая находка сделана в 1972 г. на берегу одного из притоков Индигирки — реке Шандрин — экспедицией Б. С. Русанова. Громадный мамонт, проживший 150 лет, пролежал в вечной мерзлоте свыше 20 тыс. лет. Но главное даже не в этом. Самое удивительное, что у животного полностью сохранился не только скелет, но и внутренности грудной и брюшной полостей общим весом более 400 кг. Отчасти уцелели и мягкие ткани.

А вот еще один редчайший случай. В бассейне Колымы, в глыбе льда, извлеченной с 11-метровой глубины, обнаружено существо, чем-то напоминающее саламандру. И вот глыба льда растаяла и случилось невероятное: существо ожило. Как потом выяснилось, это был углозуб. Возраст его равен почти 100 годам. Обычная же продолжительность жизни этих земноводных 10–15 лет. Значит углозуб «проспал» в вечной мерзлоте почти 10 жизней. До этого не была известна консервация какого-либо организма в вечной мерзлоте.

Конечно, вечная мерзлота не простое явление природы. Она может быть и врагом и союзником. Не в последнюю очередь это зависит и от деятельности человека. В качестве примера можно привести важнейшую стройку в нашей стране — Байкало-Амурскую магистраль. Еще в начале 30-х годов мерзлотоведы и геологи приложили много усилий для решения многих важных вопросов, касающихся вечной мерзлоты. Как писал П. И. Мельников, «результаты наших исследований и выданные проектировщикам рекомендации по особенностям проектирования железной дороги в южном районе области вечной мерзлоты полностью оправдались».

В наши дни и строители принимают необходимые меры для придания надежной стабильности вечномерзлым грунтам. Дома возводятся не на самом вечномерзлом грунте, а на опорах, прочно покоящихся в вечной мерзлоте. В дальнейшем в качестве опор будут применяться термосифоны (металлическая замкнутая труба, заполненная хладагентом). Практика уже подтвердила их надежность.

В вечной мерзлоте находятся и минеральные источники, в том числе и высокотемпературные. Наиболее известны Тальские источники в бассейне реки Талой (верховье Колымы). Здесь даже в 50-градусные морозы бурлит горячая вода. Источники богаты микроэлементами. Благодаря содержанию радона и сероводорода источники целебны.

Известны источники и в других местах. Так, на Чукотском полуострове температура их достигает почти 95 °C. В других источниках температура ниже. В верховьях Индигирки, в 100 км южнее поселка Оймякон, располагается теплый источник Сытыган-Сылба. Даже при температуре воздуха –40° температура в нем +26 °C. Источник приурочен к моренным холмам у подножия гор на высоте 1000–1100 м над уровнем моря. В бассейне Момы обнаружена незамерзающая полынья с температурой воды в верхней части 7,1° при температуре воздуха –36 °C. Такие выходы относительно теплой воды расположены по всей зоне Момского разлома. Как же они возникли в районах вечной мерзлоты?

Объясняется это следующим образом. Известно, что во многих районах образуются разрывы, разломы, трещины, которые порой достигают больших глубин. А чем дальше в глубь Земли, тем температура становится выше. В эти разломы и трещины попадает поверхностная (атмосферная) вода. Она нагревается и в дальнейшем устремляется к поверхности, иногда даже в виде парогазовых струй. Во многих случаях образуются естественные выходы источников, иногда же они выводятся искусственным путем (скважинами). Горячая вода на пути к поверхности взаимодействует с теми породами, в которые она проникает. В результате такого взаимодействия и получается минеральная вода определенного состава.

В пределах вечной мерзлоты есть и горячие озера (бассейн реки Вилюй). Одно из таких озер — Моксого-лоох. Замеры показали, что на поверхности его температура воды 13° (при той же температуре воздуха), а на глубине 1,3 м 32 °C. Установлено, что наиболее высокая температура наблюдается только в поверхностном слое ила (грязи), состоящем в основном из опавшей хвои, листьев и других органических остатков.

Высокая температура в этих озерах объясняется интенсивным развитием биохимических реакций, протекающих между продуктами разложения органических веществ и сульфидами.

И еще одна особенность вечной мерзлоты — сверху она перекрыта так называемым деятельным слоем: летом он всегда оттаивает, а зимой замерзает. Мощность этой зоны незначительна, даже в Заполярье она не превышает одного метра. Однако роль ее велика. В оттаявшем в летнюю пору слое сосредоточена жизнедеятельность животных и растительных организмов.

В деятельном слое происходят и очень важные физико-механические процессы. Особенно они заметны на склонах, с которых текут переувлажненные рыхлые толщи горных пород, порой в какой-то мере изменяя даже рельеф местности. Сказываются такие потоки и на растительном покрове. Последний либо сносится вместе с рыхлой толщей, либо же перекрывается ею. Во многих местах хорошо заметно пучение грунтов, возникающее за счет грунтовых надмерзлотных вод. В вечной мерзлоте, в том числе и в деятельном слое, образуются купола грибовидной формы, или гидролакколиты. Формирование таких куполов обусловлено поднимающимися снизу подмерзлотными водами. Вечной мерзлоте свойственны ледяные поля, именуемые еще гидроэффузивами. Образуются они при замерзании изливающихся на поверхность подземных и грунтовых вод. Для вечной мерзлоты и ее деятельного слоя характерны и термокарсты. Они появляются вследствие вытаивания содержащегося в грунте льда и оседания горных пород.

На характер деятельного слоя отрицательно влияет вырубка леса, особенно на склонах, уничтожение растительного покрова, а также пожары. Не проходят бесследно для деятельного слоя всевозможные горные выработки, прокладка шоссейных дорог и т. д.