Рефераты. Оценка геокриологических условий Ямала в целях перспектив развития нефтегазовой отрасли







 

5.2 Глобальные климатические тенденции и прогноз развития криолитозоны района


Анализ циклических колебаний климата

В настоящее время имеется  большое число исследований по динамике климата, построены кривые отклонения в прошлом температуры воздуха от ее современных значений для самых разных отрезков времени. Эти данные по-разному интерпретируются различными исследователями. Как правило, времена холодных и теплых периодов в основном совпадают по результатам разных авторов, и это свидетельствует об однотипном глобальном колебательном климатическом ходе; в эпохи потеплений температура воздуха превышала современную не более чем на 2-3°C, в то время как в эпохи похолодания она иногда была ниже современной на 9-10°. Также современный период находится на нисходящей ветви климатического макроцикла, что свидетельствует о направленности современного климата в сторону очередного ледникового периода.

Основой для прогноза вероятного изменения современного климата может послужить анализ последнего климатического этапа за период примерно 20 тыс. лет, охватывающего холодную эпоху позднего плейстоцена с минимумом 20-18 тыс. лет назад и сменившую его теплую эпоху голоцена, начавшегося 10,5 тыс. лет назад с максимумом потепления 5-8 тыс. лет назад. Внутри этого этапа выделяются более короткие периоды колебания температуры, которые могут рассматриваться как аналоги ближайших будущих изменений климата.

На рисунке 8 г видно, что в голоцене выделяется одна волна потепления, от 8 до 4,5 тыс. л. н. Температура поднялась на 2-2,5º по сравнению с современной. Эта эпоха, известная как эпоха голоценового климатического оптимума, оказала огромное влияние на природу Северного полушария Земли в его высоких и умеренных широтах. Например, в субарктических широтах, особенно в европейском и западно-сибирском районах в это время существовали леса, которые продвинулись к северу до 68º-70º с.ш. площадь криолитозоны сократилась.

Колебания температуры прослеживаются и в период после голоценового оптимума. На рис. 8 д и е представлены температуры воздуха уже в историческое время: за последние 4 тыс. лет и 500 лет. Видно, что в середине 1-го тысячелетия нашей эры имела место так называемая историческая стадия оледенения, получившая в старинных документах название “века страшных зим”.

В конце 1-го – начале 2-го тысячелетия  нашей эры известна теплая “эпоха викингов”, когда температура воздуха на широтах Балтийского моря была на 1,5-2º выше современной, в Гренландии – на 2-3º выше, и викинги успешно занимались животноводством. В XVI-XVIII веках наступил так называемый “малый ледниковый период”, проявившийся в понижении на 1,5-2º средней годовой температуры воздуха, некотором увеличении ареала морских льдов и разрастании горных ледников, в том числе на арктических островах. С середины XIX века началось новое потепление, фиксируемое уже постоянными инструментальными наблюдениями. Эта восходящая ветвь осложнена еще более мелкими по амплитуде и длительности периода волнами (рис. 9), среди которых отчетливо выделяется так называемая “эпоха потепления Арктики 30-х годов” и похолодание 60-х годов.

Имеются достаточные основания считать, что колебательный характер изменения климата является естественным свойством его развития, а потому сохранится и в будущем. Периодичность, по-видимому, сохранится в том же разнообразии.

Изучение всех этих климатических циклов позволяет высказать некоторые предположения для будущего. Заметные изменения климата происходят в связи с длиннопериодными (примерно 35-40-тысячелетними) циклами. Более короткие циклы имеют заметно меньшие амплитуды.


Рис. 8 Отклонения температуры воздуха от современной (Δtв)

а – в период среднего плейстоцена-голоцена для Северной Атлантики [Emiliani, 1970]; б – в период позднего плейстоцена-голоцена для Западной Сибири [Кинд, 1974]; в – в период среднего плейстоцена-голоцена для Антарктиды (материалы станции “Восток” [Trend’s, 1994]; г – в период голоцена для европейской территории России [Хотинский и др., 1991]; д – в исторический период для европейской территории России [Кинд, 1974; Климанов, 1988]; е – за последние 500 лет (средние тридцатилетние) [Чернавская, 1988].



Рис. 9  Многолетний ход температуры воздуха (tв) по метеостанциям севера Западной Сибири (скользящие средние десятилетние за период от начала наблюдений (составлено Н.А. Шполянской).

 

Анализ реакции криолитозоны на изменение климата

Реакция криолитозоны на изменение климата связана с проникновением колебаний температуры воздуха в горные породы и последующим изменением температурного поля самой криолитозоны. Глубина такого проникновения, по законам Фурье, находится в прямой зависимости от длины и амплитуды периода колебаний и может быть оценена по формуле:

,

где Z – глубина проникновения тепловой волны от подошвы слоя сезонного промерзания-протаивания, см; α – коэффициент температуропроводности грунтов; τ – время распространения волны, равной половине периода колебаний среднегодовой температуры воздуха, сек.; A0 – амплитуда колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания-протаивания, град.; Az – амплитуда температуры на глубине Z, где она должна затухать, принятая равной 0,1˚ C. Некоторые оценки по этой формуле для севера Западной Сибири рассчитаны ниже (a= 0,0036 см2/с):

·        при t = 5 лет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 2° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

;


Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 3° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

;


·        при t = 500 лет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 2° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 5° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

·        при t = 1000 лет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 2° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 5° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 8° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

·        при t = 5000 лет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 2° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 5° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Для амплитуды колебания температуры в подошве слоя сезонного промерзания - протаивания, равной 8° C, глубина проникновения тепловой волны от подошвы данного слоя составляет:

Следует оговорить, что перестройка температурного поля мерзлой толщи всегда связана с фазовыми переходами вода-лед и обратно и влиянием теплопроводности горных пород. Это, во-первых, приводит к запаздыванию во времени реакции мерзлой толщи на изменение климата, во-вторых, уменьшает глубину проникновения температурных колебаний. Данная формула не учитывает фазовых процессов и поэтому дает максимальные глубины. Однако в условиях Арктики с низкими температурами грунтов колебания температуры чаще всего не выходят из области отрицательных значений, поэтому оценки по этой формуле близки к реальности.

Результаты расчетов показывают, что тепловая волна за 5000 и даже 3000 лет проникает на большую глубину, и потепление, например, климатического оптимума 4-8 тыс. л.н. с амплитудой 2-2,5˚ C успело изменить температурное поле криолитозоны до глубины 400 м. Температурный разрез мерзлой толщи северных районов Западной Сибири подтверждает это. Именно с потеплением 8-5 тыс. л.н. в рамках этого цикла в Западно-Евразийском секторе Арктики связывают глубокое (до 80-150 м) протаивание вечной мерзлоты к югу от Полярного круга. Более мелкие колебания оказывали тем меньшее влияние, чем меньше были их период и амплитуда. Так, последовавшее за “оптимумом” похолодание, проявившееся между 2 и 4 тыс. л.н. двумя волнами примерно по 750 лет с амплитудой около 2˚ C, должно было проникнуть на глубину 130-180 м и в арктических районах затронуть лишь верхнюю половину мерзлой толщи. В Западной Сибири на широте Полярного круга с этим похолоданием связывают новое промерзание (до 80-100 м) оттаявших перед этим толщ. Еще более мелкие потепления и похолодания в пределах последних 2000 лет имели продолжительность периодов 350-400 лет и амплитуду 1-1,5˚. Их влияние ограничивается лишь самыми верхами мерзлой толщи, и это тоже подтверждается фактическим материалом.

Если длина периода колебаний температуры достаточна для того, чтобы изменения температуры проникли до подошвы мерзлой толщи, то меняется мощность последней, даже если температура остается отрицательной. Согласно этому явлению, протаивание мерзлой толщи снизу начинается еще при отрицательной температуре поверхности, если она повысилась по сравнению с предыдущей, и продолжается до тех пор, пока мощность мерзлых пород не будет вновь соответствовать изменившемуся климату.

Перестройка температуры и мощности криолитозоны происходит по-разному в разных районах и с разной скоростью, поскольку она зависит от величины внутриземного теплового потока и характера самой толщи (литологии, льдистости и т.п.). Как отмечалось выше, следует выделить три крупных сектора Арктики, различающиеся между собой историей геологического развития территории: Атлантический, включающий в себя европейскую территорию России и Западную Сибирь; Азиатский, включающий Восточную Сибирь и Северо-Восток России, и Американский, включающий Аляску, Канадский щит, Канадский архипелаг и Гренландию.

По расчетам для северных районов  Западной Сибири, при достижении температуры поверхности 0˚C мерзлая толща мощностью 500 м должна полностью протаять за счет теплового потока  снизу примерно за 35-40 тыс. лет. Моделирование в Западной Сибири показало, что мерзлая толща мощностью около 350 м, сложенная рыхлыми отложениями, приходит в равновесие с новым изменившимся климатом за 20-25 тыс. лет.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.