Чем грозит таяние многолетней мерзлоты для российских городов?

Физика процесса и почему мерзлый грунт теряет прочность

Многолетняя мерзлота занимает около 65 процентов территории России. В таких регионах, как Якутия, север Красноярского края, Ямало-Ненецкий и Чукотский автономные округа, вся городская и промышленная среда создавалась с расчетом на вечный мороз. В твердом состоянии мерзлая порода превосходит по прочности многие марки бетона. Это монолит из песка, глины, щебня и кристаллов льда, способный десятилетиями удерживать вес металлургических комбинатов или девятиэтажных домов.

Опасность кроется в подземном льде. Если мерзлый суглинок нагревается выше нуля градусов, заполнявший поры лед переходит в жидкое состояние. Происходит термокарст — просадка земной поверхности из-за уменьшения объема грунта и вытекания воды. В результате плотный природный постамент сменяется плывуном, теряющим сопротивление нагрузкам. Здания, рассчитанные на стабильную опору, моментально получают неравномерную осадку.

Потепление климата в арктических широтах идет в два-три раза быстрее, чем в среднем по планете. Температура верхних слоев мерзлоты в Сибири за последние полвека поднялась на полтора-два градуса Цельсия. Кажется, что это мало, но при температуре пласта минус один градус порода балансирует на грани оттаивания, и любого теплового импульса от теплотрассы или аномально жаркого лета хватает для запуска необратимых деформаций.

Масштаб последствий для городского хозяйства

Разрушение мерзлотного основания затрагивает все элементы арктических городов, от жилого фонда до объектов жизнеобеспечения.

Жилые дома и промышленные сооружения

В советское время большинство зданий в Заполярье возводили на свайных фундаментах с проветриваемым подпольем. Сваи вбивали или вмораживали в породу на глубину от шести до двадцати метров, оставляя под первым этажом просвет для свободного движения морозного воздуха. Это исключало передачу тепла от пола первого этажа в землю. Сейчас глубина сезонного протаивания увеличивается, а температура грунта на проектных глубинах растет. Сила смерзания бетона с грунтом падает, сваи выпучивает морозом зимой или они проваливаются под нагрузкой летом. В Норильске из-за подвижек грунта и повреждений фундаментов расселили и снесли более сотни многоквартирных домов, а около половины оставшихся зданий имеют заметные трещины и перекосы.

Коммунальные сети и трубопроводы

В условиях вечной мерзлоты трубы с горячей и холодной водой, а также канализацию часто прокладывают над землей на эстакадах или укладывают в специальные вентилируемые коллекторы. Когда свайные опоры эстакад теряют устойчивость, трубы прогибаются, что приводит к разрывам на стыках. Любая авария на теплотрассе с утечкой горячей воды вызывает тепловую эрозию грунта. За считанные часы под землей образуются огромные провалы, утягивающие за собой опоры соседних строений.

Дороги, железные пути и аэродромы

Линейная инфраструктура страдает от термокарста сильнее точечных объектов. Дорожные насыпи поглощают солнечное тепло и передают его подстилающим породам. Автомобильные трассы в Якутии и на севере Тюменской области покрываются волнами, трещинами и провалами. Железнодорожные пути деформируются, вынуждая поезда снижать скорость до минимума ради безопасности. Взлетно-посадочные полосы заполярных аэропортов, уложенные из тяжелых бетонных плит, теряют горизонтальность, что затрудняет прием пассажирских и грузовых бортов.

Экологическая угроза за пределами городов

Мерзлота консервирует в себе колоссальные объемы древней органики — остатки растений, пыльцы и животных, накопившиеся за сотни тысяч лет. При оттаивании этот материал начинает разлагаться бактериями. В водонасыщенной бескислородной среде выделяется метан, а в сухой — углекислый газ. Метан удерживает тепло в атмосфере в десятки раз эффективнее углекислого газа, создавая замкнутый круг. Потепление растапливает грунт, органика гниет, выбрасывает метан, и атмосфера нагревается еще сильнее.

На Ямале и Гыдане этот процесс проявляется драматично. Скопления подземного метана создают избыточное давление под промерзшей коркой, после чего происходят мощные пневматические взрывы. На месте вспучившихся бугров остаются гигантские воронки глубиной до пятидесяти метров с идеально гладкими ледяными стенами. Если такой взрыв случится рядом с магистральным газопроводом или жилым поселком, разрушения будут масштабными.

Как защищают города от разрушения

Инженеры и ученые разрабатывают способы удержания отрицательных температур в основаниях зданий, не дожидаясь окончательного разрушения конструкций.

• Установка термосифонов или сезоннодействующих охлаждающих устройств, которые за счет циркуляции хладагента без электричества откачивают тепло из глубины грунта в холодный зимний воздух.
• Монтаж систем автоматического геотехнического мониторинга со специальными датчиками температуры и наклона свай для фиксации малейших подвижек конструкций.
• Применение термоизоляционных отсыпок из пеноплекса и гранулированного пеностекла под полотном автомобильных и железных дорог для изоляции пород от летнего тепла.
• Бурение глубоких скважин с погружением свай ниже границы сезонных колебаний температуры до отметок тридцать метров и глубже.

Все эти технические решения требуют огромных финансовых затрат. По подсчетам экономистов, поддержание работоспособности зданий и трубопроводов в российской Арктике при текущих темпах потепления потребует сотен миллиардов рублей до середины двадцать первого века.