About the nature of short-period fluctuations of seasonal thawing depth in tundra soils

Full Text

ВВЕДЕНИЕ¹

Уже более полувека для геокриологии остаются актуальными вопросы периодичности изменений состояния кровли многолетнемерзлых пород (ММП) – температуры, влажности и мощности сезонноталого слоя (СТС) [16, 28]. В центре внимания – климатические факторы, определяющие значения параметров сезонноталого слоя и их колебания [1, 15, 17]. Основные проблемы исследований связаны с пространственно-временной организацией внутриклиматических колебаний и с их влиянием на свойства СТС в различных ландшафтах криолитозоны [5]. В числе причин, затрудняющих решение поставленных вопросов, чаще всего упоминают непродолжительность временных рядов системных наблюдений сезонного протаивания, а также воздействие на климат природных (вулканизм) и антропогенных (выброс парниковых газов) факторов [2, 28, 19, 20].

Недавно минул 20-летний срок непрерывных наблюдений СТС на площадках циркумполярного мониторинга международной программы исследований CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring: Long-Term Observations of the Climate-Active Layer-Permafrost System) [39, 40]. Измерения, выполняемые синхронно по единой методике и находящиеся в открытом доступе, все больше привлекают внимание исследователей криолитозоны [2, 8]. Очевидно, что двадцатилетние ряды наблюдений CALM позволяют проанализировать не только тренды изменений мощности и температуры СТС, но сделать выводы о 2-5, и предположения о 8-12-летних колебаниях глубины сезонного протаивания, что и является предметом настоящей работы.

ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Прежде всего следует отделить проблему короткопериодных колебаний от поисков трендов глобального потепления или похолодания. Немало исследователей климата и мерзлотных ландшафтов, наблюдавших текущие изменения климатических параметров, делали выводы о потеплении климата, его стабилизации или наступающем похолодании. Но по прошествии лет оказывалось, что эти тенденции являются составными частями цикла внутривековых изменений климатических и мерзлотных условий. Предостережение от возможных заблуждений подобного рода было сделано еще на заре мерзлотоведения [16]. Для того чтобы прогнозировать вековые климатические изменения и трансформации криолитозоны, необходимы соответствующие порядку времени прогноза системные наблюдения климата и ММП в планетарном масштабе. Собственно, эти цели и преследует CALM. Для надежной оценки тенденций изменения глубины протаивания необходимо предварительно обоснованно “очистить” эмпирические графики наблюдений от периодической составляющей, предоставив исчерпывающую интерпретацию последней. При этом короткопериодные колебания не менее привлекательны и актуальны для исследований, чем глобальные реконструкции климата и состояния криолитозоны. Велика и их практическая значимость в части прогнозирования активизации опасных криогенных процессов в XXI в. – реальной и уже происходившей [4, 5, 18].

Определенно о влиянии внутривековых колебаний климата на динамику мерзлотных условий высказались В.А. Кудрявцев, П.Ф. Швецов, Л.Н. Максимова, С.Ю. Пармузин [16, 24, 29, 38]. В более поздних работах показано, что с колебаниями климата связаны периодические изменения активности криогенных процессов [3, 4]. В то же время многие исследователи вольно или невольно рассматривают короткопериодные колебания параметров климата и сезонного протаивания как шум и нивелируют его осреднением рядов наблюдений [26, 27]. Среди причин такого отношения к коротким флуктуациям температуры воздуха и мощности СТС – их квазипериодичность (переменная амплитуда, смещение фаз колебаний, выпадение отдельных экстремумов из рядов наблюдений по разным ландшафтам).

Ряды короткопериодных колебаний температуры воздуха, количества осадков метеорологи обычно рассматривают как климатические спектры, отражающие динамические свойства атмосферы Земли. Соответствующие экстремумы коротких периодов в климатологии принято считать “ложными”, имеющими вероятностную природу [12, 25]. Известны представления, согласно которым различают изменчивость климата (с частотой “нескольких десятилетий”), собственно колебания климата (с частотой более “нескольких десятилетий”) и климатические изменения (необратимые) [11]. Исследователи динамических связей атмосферной циркуляции и климата также акцентируют внимание на циркуляционных эпохах (закономерное соотношение меридиональной и зональной циркуляции за 25-50 лет) и синоптических периодах (устойчивое сопряжение циклонов и антициклонов в течение 5-7 суток) [9, 11, 14]. В результате между погодой и климатом (средние значения климатических показателей за 20, 30, 40, 65 лет) существует брешь в метеорологических исследованиях, которую в прогнозах заполняют осредненными данными наблюдений погоды предшествующих лет.

Выяснить причины разнопериодных колебаний климата исследователи пытаются в основном за счет поисков космических факторов, управляющих земной погодой [34]. С 3-6 и 8-11-летними циклами увязывают геометрические характеристики орбит Луны, Юпитера, Венеры, Марса, периодизацию солнечной активности и геомагнитной возмущенности Земли [12, 14, 21, 35]. По мнению исследователей, реализуется влияние космоса через закономерные флуктуации атмосферной циркуляции, которые в свою очередь вызывают периодические изменения климатических показателей.

Наиболее спорным моментом с длительной историей взаимного неприятия точек зрения является связь периодических изменений климатических показателей, прежде всего температуры воздуха с 11-летними циклами солнечной активности [42, 43]. Данный вопрос хорошо освещен в интернете и многочисленных публикациях, поэтому остановимся на главных аргументах сторон. Доводы за отсутствие этой связи сводятся к малым отклонениям (0.1 %) инсоляции в годы активизации, что с учетом защитных свойств внешних оболочек Земли исключает возможность влияния солнечных вспышек на тепловой баланс планеты. При этом отмечается нарушение синхронности солнечной активности и роста температуры воздуха или вообще его отсутствие. Сторонники связи 11-летних солнечных циклов с температурой воздуха моделируют периодические климатические изменения за счет гамма, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, вариации которых значительны (3-5 раз), а также корональных выбросов массы (КВМ) – солнечной плазмы, которые через возмущение магнитосферы, ионосферы и воздействия на озоновый слой, в итоге, выступают источниками разогрева тропосферы [22, 41]. Данные процессы в той или иной степени могут быть факторами 8-11-летних вариаций глубины сезонного протаивания.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследования являлись площадки циркумполярного мониторинга СТС², расположенные в Евразии и Северной Америке. Выбор площадок для анализа данных наблюдений определялся их сходством: единой методикой измерений (размер площадки 100х100 м, сеть пикетов 10х10 м); продолжительностью непрерывных наблюдений (≥ 20 лет); циркумполярным расположением в тундровой зоне с равнинными мерзлотными ландшафтами; мелким типом сезонного протаивания (строение профиля почв). Площадок CALM мониторинга мощности СТС, удовлетворяющих предъявленным требованиям, оказалось всего 8, но почти равномерно распределенных в полосе 65-75^оN (табл. 1).

Таблица 1. Площадки CALM мониторинга СТС

Примечание. Более подробно с природными условиями местоположения площадок CALM можно ознакомиться по адресу http://www.gwu.edu/~calm/data/

Основными объектами, для которых выполнялись расчеты и графическое моделирование, были площадки R9 мыс Рогожный и R11 гора Дионисий, расположенные в пределах Анадырской низменности Чукотки, в наблюдениях которых автор статьи принимает участие с 2002 года. По своему положению в рельефе площадки характеризуют автономный и подчиненный (транзитный) ландшафт, удалены на 22 (R11) и 25 (R9) км от города Анадырь, где расположена одноименная метеостанция (рис. 1). Подробное описание этих площадок, а также методов полевых исследований доступно на сайте данных CALM и в публикациях [32].

Рис. 1. Расположение площадок CALM мониторинга СТС на картосхеме окрестностей г. Анадыря.

В рамках настоящей работы основной задачей было изучение природы короткопериодных гармоник. Вследствие этого, главными методами исследований являлись элементарный графический, математический и статистический сравнительный анализы рядов колебаний в заданном интервале наблюдений.

При анализе временных рядов значений физических величин традиционно используется представление результатов наблюдений в виде тригонометрических рядов Фурье. Данная операция позволяет получать уравнения, достаточно полно описывающие разнопериодные и разноамплитудные колебания изучаемого параметра в заданных пределах наблюдений:

$H\left(t\right)=A_0+{\sum }_{k=1}^n\left(a_k\sin \frac{2\pi t}{T_k}\right)+\left(b_k\cos \frac{2\pi t}{T_k}\right)$ ,(1)

где H – глубина протаивания, t – порядковый номер года в ряду наблюдений, A₀ – коэффициент, определяющий смещение графика по оси ординат³, k – гармоническая составляющая, или k-гармоника, T_k – период колебаний гармоники, a_k и b_k – амплитуды колебаний гармоник, n – число гармоник.

Алгоритм разложения кривых колебаний температуры атмосферы в виде рядов Фурье неоднократно был описан в исследованиях [5, 36, 37]. В этих работах дано подробное описание методики определения периода и амплитуды гармоник.

Графический метод разложения эмпирической кривой, образованной временными рядами периодических и линейных функций, также не оригинален. Выделяются экстремумы и точки перегиба кривой. По этим точкам определяются средние величины периода колебаний и амплитуды. Далее в графическом редакторе Excel в автоматическом режиме подбираются такие параметры колебаний, чтобы график остатков приобрел форму, приближенную к прямой линии. В результате опытные кривые колебаний должны стать максимально подобными графику периодической функции, а график остатков – соответствовать прямой линейной функции.

Следует отметить, что в рамках настоящего исследования не требовалось достичь полного разложения кривых колебаний мощности СТС с представлением результата в виде ряда Фурье (уравнения) с конечным количеством гармоник. Задачей математического и графического анализа было попытаться очистить временной ряд сезонного оттаивания от коротких флуктуаций, описать эти короткие колебания и “очищенный” ряд (кривую вычисленных остатков).

ПЕРИОДИЧНОСТЬ ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ПРОТАИВАНИЯ

Эмпирические графики сезонного протаивания представлены на рис. 2. Конфигурация кривых позволяет предполагать наличие короткопериодных колебаний мощности СТС во всех меридиональных секторах северного полушария, в зоне влияния различных океанов и континентов. В среднем для площадок, по данным графического анализа, продолжительность периода коротких колебаний мощности СТС составила 2.58 (±0.1) лет при максимумах глубины протаивания (1/2 амплитуды колебаний) в экстремумах 11.2 % (табл. 2).

Рис. 2. Графики сезонного протаивания тундровых почв на площадках CALM. Треугольным значком показан пропуск наблюдений (см. табл. 1).

Таблица 2. Периоды и амплитуды колебаний мощности СТС

Примечание. Т – период, N – количество циклов, А – амплитуда в % от среднего значения мощности СТС.

Отличаются хорошим подобием конфигурации кривых мощности СТС для площадок, расположенных в одном меридиональном секторе: Чукотка (R9, R11), Аляска (U4, U6). Экстремумы совпадают или смещены на год в аномальные по величине сезонного протаивания годы (см. рис. 2). Для максимумов: 2004-2007 – R9, R11, U4, U6, R5, R2; 2011-2013 – R5, R2 U4, U6, R9, G1, R2. Для минимумов: 1999 – S2, G1, R9, R5, R2; 2009 – U4, U6, R5, R2, R9. При этом в отдельные годы колебания находятся в противофазе, даже на сопряженных, но с разной ландшафтной позицией площадках – R9, R11 (1999, 2011, 2012) (рис. 3). В целом анализ эмпирических графиков указывает на закономерный характер изменений глубины сезонного протаивания во времени и пространстве, обусловленный влиянием внешних и внутренних факторов. Последнее касается сопряженных площадок с различной ландшафтной позицией (см. табл. 1).

Рис. 3. Динамика температуры воздуха (а), атмосферных осадков (б) и продолжительности световых дней теплого периода года (в) по данным метеостанции Анадырь: 1 – среднегодовая температура; 2 – средняя температура теплого периода; 3 – средняя температура холодного периода; 4 – среднегодовое количество осадков; 5-6 – среднее количество осадков: 5 – жидких, 6 − твердых; 7 – суммарная продолжительность световых дней теплого периода года; 8-9 – приращение продолжительности теплого периода за счет световых дней: 8 – в мае-июне, 9 – в сентябре-октябре.

Причиной колебаний могут быть периодические осадки и пучение деятельного слоя после активного протаивания. Такая ситуация отчасти уже была рассмотрена для площадки R2 Аяч-Яга, Воркута [23]. В идеальных для этого условиях, когда имеется дренаж надмерзлотных вод и сохраняется неизменным растительный покров, график мощности СТС будет иметь вид кривой с затухающими колебаниями. При этом должно присутствовать изначальное возмущение колебаний внешним фактором (аномально теплый год).

Если же учитывать непрерывное внешнее воздействие, например, линейный или близкий к нему в интервале наблюдений рост температуры воздуха, график за счет разницы глубины протаивания и осадки поверхности приобретет ступенчатый вид, в котором ступени будут соответствовать годам осадки поверхности, а подступени – увеличению протаивания на фоне роста температуры. В этом варианте на участке будет развиваться термокарст, что отмечено при мониторинге площадки R2 Аяч-Яга (см. рис. 2) [23].

Еще один вариант интерпретации – рассмотреть периодические изменения мощности СТС как вынужденные колебания под воздействием внешнего переменного фактора соответствующей частоты. Реализовываться это внешнее воздействие будет через периодические изменения влажности деятельного слоя и интенсивности теплового потока (теплооборота). При этом конфигурация кривой мощности СТС, кроме вынужденных колебаний, будет отражать внутренние колебания, связанные с осадкой поверхности и новообразованиями льда, а также воздействие других внешних факторов с различной динамикой.

Здесь важно заметить, что амплитуда коротких колебаний сезонного протаивания может оказаться хорошим показателем устойчивости кровли ММП и мерзлотных ландшафтов в целом к внешнему аномальному воздействию. Известно, что глубина сезонного протаивания при прочих равных условиях определяется особенностями растительного покрова, теплофизическими свойствами почв и льдистых грунтов подошвы деятельного слоя [13, 16]. Значительная амплитуда колебаний протаивания при отсутствии признаков деградации мерзлоты показывает адаптированность мерзлотного ландшафта к аномалиям внешнего воздействия. А меньший период колебаний мощности СТС указывает на быстрое восстановление соответствия геокриологических условий мерзлотного ландшафта нормальному (среднемноголетнему) состоянию. Таким образом, мерзлотный ландшафт будет тем более устойчив (K), чем больше амплитуда коротких колебаний (A, % от среднемноголетней мощности СТС) и чем меньше период коротких колебаний (T, 2-5 лет) сезонного протаивания:

$K=\frac{A}{T}$. (2)

Для обследованных площадок показатель K составляет: R2 Ayach-Yakha – 2; R5 Vaskiny Dachy – 4.3; R9 Cape Rogozhny – 4.6; R11 Mt. Dionisy – 4.8; U4 West Dock – 6.7; U6 Deadhorse – 4.5; G1 Zackenberg – 3.4; S2 Abisko Area – 4.2.

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КОЛЕБАНИЯ ГЛУБИНЫ ПРОТАИВАНИЯ

Перечень факторов, влияющих на теплооборот мерзлотных почв, известен [16], однако в рамках настоящей работы нас интересуют процессы, определяющие короткие колебания сезонного протаивания. Глубина протаивания коррелирует с температурой воздуха, причем для различных климатических условий это могут быть положительная (среднелетняя температура) или отрицательная (среднезимняя температура) значимые корреляции. Известны работы, в которых отмечается значимая связь сезонного протаивания с высотой снежного покрова на начало зимнего периода [15]. Широкое распространение получило использование “индекса протаивания” (degree days of thawing – DDT) – сумма положительных среднесуточных температур воздуха теплого периода года [16, 33]. Величины коэффициентов корреляции любых климатических характеристик с глубиной протаивания редко превышают 0.65.

Рассмотрим воздействие флуктуаций климатических показателей на примере R9 мыс Рогожный и R11 гора Дионисия. На Чукотке в Анадырской низменности, находящейся в зоне перехода от морского к континентальному субарктическому климату, максимально значимыми для оттаивания деятельного слоя являются продолжительность теплого периода года и температура воздуха (табл. 3). Причем температуры зимнего периода и высота снежного покрова на момент полного промерзания СТС не дают значимых корреляций, а осадки как твердые, так и жидкие даже проявляют отрицательные корреляции.

Таблица 3. Коэффициенты парной корреляции¹ мощности СТС и климатических показателей по данным метеостанции Анадырь

¹Критическое значение коэффициента корреляции 5% уровня значимости для выборки − 0.423.

²Время перехода температуры через 0°С на подошве СТС изменяется в пределах 22.12-10.01.

Периодическую динамику климатических показателей наглядно иллюстрируют графики временных рядов наблюдений климатических параметров на метеостанции Анадырь (рис. 4). Температура не имеет достоверной и значимой тенденции роста. Наиболее четко короткие колебания температур просматриваются для зимнего периода. Для среднегодовых температур продолжительность периода отдельных колебаний возрастает до 5 лет. Средняя продолжительность периода колебаний температур: зимой – 2.85, летом – 2.62, среднегодовой – 3.5 года. Амплитуда колебаний изменяется в пределах 2.5-4.5°С (см. рис. 3а). Характерные экстремумы температур воздуха приходятся на годы: 1998-1999 (–), 2001 (–), 2005 (–), 2008 (–), 2012 (–), 1996 (+), 2000 (+), 2003-2004 (+), 2007(+), 2010-2011 (+), 2014(+).

Рис. 4. Динамика температуры воздуха и глубины сезонного протаивания в Анадырской низменности: 1 – среднегодовая температура; 2 – глубина сезонного протаивания на площадке R9 мыс Рогожный; 3 – глубина сезонного протаивания на площадке R11 гора Дионисия.

Здесь следует отметить общее сходство короткопериодных колебаний температуры воздуха по разным регионам различных климатических областей. Так, например, по результатам анализа многолетних наблюдений (40-60 лет) в Якутии, подобные периоды коротких колебаний (лет) были выделены для метеостанций Саскылах (2.7), Тикси (2.7), Чокурдах (2.3), Верхоянск (2.7), Туой-Хая (4.5), Чульман (4.5) [36]. Такую же периодичность (2-5 лет) показывают изменения циркуляционных процессов в атмосфере северного полушария [14].

Осадки за период наблюдений характеризуются отрицательным и малодостоверным ввиду значимой амплитуды колебаний линейным трендом – 5.6 мм/год (см. рис. 3б). Средняя продолжительность периода (лет) колебаний осадков: твердые – 2.88, жидкие – 2.75, суммы осадков – 2.75. Амплитуда колебаний существенна и изменяется в пределах 50-300 мм. Характерные экстремумы количества осадков наблюдаются в годах: 1995 (–), 1999 (–), 2003-2005 (–), 2008 (–), 2013 (–), 1998 (+), 2002 (+), 2006 (+), 2009-2011 (+), 2014-2015 (+).

Продолжительность периода с температурой выше нуля может прирастать за счет часов с положительной температурой в мае месяце и в сентябре-октябре. Ранняя весна ускоряет сход снежного покрова и начало оттаивания почв. Поздняя осень продлевает время протаивания СТС и ухудшает в случае раннего и быстрого формирования снежного покрова условия для промерзания верхних слоев ММП. Общая продолжительность теплого периода в часах светового дня за время мониторинга характеризуется положительным ростом – 11 час/год, или 240 часов за 22 года при амплитуде короткопериодных колебаний (период 2-3 года) 15-70 часов. Средняя продолжительность периода (лет) колебаний световых дней с положительной температурой: весной – 2.25, осенью – 2.22, за теплый период года – 2.57. Конфигурация годовой кривой позволяет также предположить на фоне линейного тренда колебания с периодом 10-11 лет. Колебания приращения продолжительности теплого периода весной и осенью находятся в противофазе (см. рис. 3в), то есть теплая осень сочетается с ранней весной и наоборот. С 2012 г. наблюдается увеличение продолжительности теплой осени на фоне мало меняющегося приращения теплых дней весной. Характерные экстремумы колебаний продолжительности теплого периода года в целом: 1998-1999 (–), 2007-2010 (–), 1996-1997 (+), 2004-2006 (+).

Таким образом, скоррелированность и удовлетворительное для эмпирических данных подобие кривых колебаний указывают на прямую связь флуктуаций температуры воздуха и продолжительности теплого периода с короткими колебаниями сезонного протаивания (см. рис. 3, 4). Краткие внутриклиматические циклы температуры атмосферы и продолжительности теплого периода в этом случае являются внешними факторами коротких вынужденных колебаний мощности СТС. Противоречивое влияние различных климатических факторов на сезонное протаивание обусловливает сложную форму графиков мощности СТС, затрудняющих их математическое и графическое моделирование.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Математическое и графическое выражение временных рядов – это одновременно инструмент анализа и форма представления наблюденных данных. Такая процедура в рамках настоящего исследования обусловлена необходимостью разложения эмпирических кривых и проверки достоверности выводов о периодическом характере сезонного протаивания. На рис. 5 представлен результат моделирования колебаний сезонного протаивания на площадке R9 мыс Рогожный, полученный с использованием преобразования Фурье (а) и путем опытного подбора периодов и амплитуд колебаний (б). На каждой из диаграмм приведено по три графика, два из которых внизу – кривые периодических колебаний, а верхний – график остатков, вычисленных из ряда фактических наблюдений.

Рис. 5. Математическое (а) и графическое (б) моделирование коротких колебаний сезонного протаивания для площадки R9 мыс Рогожный: 1-2 − синусоида колебаний глубины сезонного протаивания с периодом: 1 − 2.7 лет, 2 − 10 лет; 3 − расчетные остатки глубины сезонного протаивания математического моделирования; 4-5 − колебания сезонного протаивания с периодом: 4 − 2-3 года, 5 − 8-11 лет; 6 − расчетные остатки глубины сезонного протаивания графического моделирования.

Уравнение синусоид:

$H_t=A_0+A_k\times \sin \left(\frac{2\pi }{T}\times \left(t+{\phi }_1\right)\right)$, (3)

где А₀ – эмпирический коэффициент смещения графика по оси ординат, A_k – средняя амплитуда коротких колебаний, t – порядковый номер года наблюдений, φ₁ – смещение начала первого периода. Для периода колебаний глубины сезонного протаивания 2.7 лет: А₀ = 3; A_k = 3.1; φ₁ = (–1). Для периода колебаний глубины сезонного протаивания 10 лет: А₀ = 11; A_k = 4; φ₁ = 3 (см. рис. 5а).

Кривая остатков математического моделирования колебаний далека от ожидаемого идеала. Достоверность линейного тренда графика остатков малозначима (R²=0.97). Изменение значений постоянных коэффициентов функции, сведение периода 2.7 лет к ближайшему целому значению – 3 – не решает проблему.

На второй диаграмме у опытных кривых колебания негармонические, параметры переменны: периоды – 2-3 года и 8-12 лет; амплитуды – 3-5 и 10-13 см (см. рис. 5б). Смещение фаз подобрано так, что экстремумы опытной кривой соответствуют пикам графика фактических измерений сезонного протаивания (см. рис. 3). Кривая остатков по конфигурации близка к линейному графику с достоверным трендом (R²=0.59) увеличения глубины сезонного протаивания – 16 см за 23 года (см. рис. 5б).

Результат математического и графического моделирования колебаний, учитывая стохастический характер проявления природных факторов, вполне удовлетворительный. Выделяется две гармоники, с периодами, соответствующими колебаниям температуры воздуха (2-3 года) и продолжительности теплого периода (8-11 лет). Очищенный от короткопериодных флуктуаций график остатков имеет линейный вид с тенденцией роста глубины сезонного протаивания. Становится ясной проблема смещения фаз экстремумов коротких колебаний. В одних случаях максимум протаивания определяется сочетанием ранней весны и жаркого лета. В других случаях на глубину протаивания влияет сопряжение поздней осени и теплой зимы или проявление всех коррелирующих с глубиной протаивания климатических факторов.

ПЕРИОДИЧНОСТЬ МЕРЗЛОТНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Смена погодных периодов может происходить в разные сезоны календарного года, в результате чего наблюдаются квазипериодические циклы и колебания глубины протаивания с ненатуральным числом – 2.7 года, то есть циклы могут повторяться в различных комбинациях циклонической и антициклонической погоды продолжительностью 2-3 календарных года. Вопрос сопряжения различных типов атмосферной циркуляции подробно рассмотрен при анализе синоптических карт XX века [9, 14]. При этом проанализированы изменения элементарных циркуляционных процессов (ЭЦМ), сделаны выводы о соответствии циркуляционных эпох внутривековым изменениям климата. Короткие колебания (2-5 лет) продолжительности ЭЦМ и их группировок констатируются, используются для описания циркуляционных эпох, но никак не обсуждаются.

Все это в совокупности позволяет обратить внимание на существование некоего “климатического года” – статистической единицы климата, которая отличается от календарного года продолжительностью, временем смены сезонов и равна периоду колебаний мощности СТС. Допускается возможность соотнесения такой меры измерения климата с колебаниями ЭЦМ, но для этого потребуется их перегруппировка, исходя из характера воздействия сезонных зональных и меридиональных циркуляционных процессов атмосферы на глубину протаивания.

Такие “климатические года” за пределами криолитозоны, вероятно, могут быть выявлены по колебаниям глубины сезонного промерзания. В этой связи нельзя не упомянуть устные народные календари климата хлеборобов зоны рискованного земледелия северных широт, в которых по погоде ключевых календарных дат можно, по существу, распознать, какой начался (или идет) цикл (климатический год), и прогнозировать время и условия (влажность и прогрев пашни, засуха) предстоящих сельскохозяйственных работ.

Незначительное смещение фаз коротких колебаний сезонного протаивания площадок CALM в различных регионах северного полушария увязывается с мнением синоптиков о взаимообусловленности и инерционности циркуляционных процессов в Арктике, в северной части Тихого и Атлантического океанов. Тем самым можно обоснованно предполагать, что "климатический год" в долготном и широтном месторасположении территорий будет иметь примерно равный период (2-3 года), но отличаться смещением фаз (1-1.5 года).

ПЕРИОДИЧНОСТЬ ПРОТАИВАНИЯ И СОЛНЕЧНЫЕ ЦИКЛЫ

Анализируя природу коротких колебаний климата и сезонного протаивания невозможно обойти вниманием вопрос влияния на колебания мощности СТС солнечной активности. Графики 20-летних наблюдений сезонного протаивания позволяют обсуждать возможность наличия таких циклов, сопоставимых по продолжительности с динамикой солнечной активности (R5, R9, R11, U4, U6, S2) (см. рис. 2). На графике сезонного протаивания, “очищенном” от 2-3-летних колебаний, они видны более определенно – 23-й солнечный цикл (максимум 2003-2007) и 24-й солнечный цикл (максимум 2014-2016) (см. рис. 5б). Похожую, но менее очевидную динамику показывает график продолжительности теплого периода года (см. рис. 3в). Каких либо значимых 11-летних колебаний температуры атмосферы для Анадырской низменности не наблюдается.

Рассматривая доводы и контраргументы оппонентов влияния солнечных циклов, автор настоящей статьи обратил внимание на радиоволновую составляющую Солнца, которая, составляя миллионные доли процентов от энергии, поступающей на поверхность Земли, в сотни тысяч раз возрастает во время “вспышек” [10]. Прохождению радиоволн в микроволновом (5-100 см) и в метровом (1-10 м) диапазонах не препятствуют верхние слои атмосферы и облачность. В числе других доводов в пользу радиоволнового влияния Солнца на 10-летние колебания сезонного протаивания – успешные испытания в 1990-х годах электромагнитных установок для разупрочнения и оттаивания мерзлых грунтов [30]. Работы показали высокую эффективность этой технологии. За 5-10 мин при частоте 915 МГц (λ ≈ 0.33 м) глубина протаивания составила 0.25-0.35 м, при частоте 430 МГц (λ ≈ 0.7 м) эффективная глубина проникновения волнового излучения увеличилась до 0.8 м [31]. Плотность потока мощности в различных условиях испытаний была 5-20 Вт/см², энергозатраты на протаивание мерзлого грунта составляли до 24 кВт/м³ [30]. Эти значения по мощности в сотни и тысячи раз превышают поток солнечной радиации в июне – 0.016 Вт/см², но существенно меньше величины годовой солнечной радиации – 75.6 Ккал/см² (метеостанция Анадырь) и расхода солнечного тепла (16%) на протаивание слоя мощностью 0.5 м – 281.3 кВт/м³ [6]. При радиоволновом оттаивании энергетическому воздействию подвергается диэлектрик – мерзлый ледсодержащий слой (разупрочнение), а нагревание фиксируется только на фронте протаивания мерзлого слоя.

Плотность потока солнечного радиоизлучения на орбите Земли в спокойных условиях изменяется от 10^-10 Вт/м² на сантиметровых волнах до 10^-12 Вт/м² в метровом диапазоне. Она возрастает во время всплесков, связанных с крупными вспышками, до 10^-6 Вт/м² соответственно [10]. Это, даже с учетом спорадического радиоизлучения (шумовые бури), существенно ниже потока эффективной солнечной радиации (10^-3 Вт/см²). Однако речь идет не о сопоставлении и тем более не о конкуренции источников растепления мерзлых грунтов, но о возможном вкладе радиоизлучения в дезинтеграцию (разупрочнение) ледсодержащих грунтов на фронте протаивания. Важно заметить, что всплески радиоизлучения не вызывают разогрева воздуха атмосферы, тем самым исключается вопрос о прямой связи солнечных циклов с повышением температуры атмосферного воздуха.

ВЫВОДЫ

1. Короткие квазипериодические колебания глубины сезонного протаивания характеризуются периодом 2-3 года и амплитудой 4-26% от среднемноголетней глубины протаивания. По своей природе короткие колебания являются вынужденными, связанными с периодическими флуктуациями температуры воздуха и продолжительности теплого периода года. Короткие колебания мощности СТС на площадках приближены к синусоиде с периодом 2.7 года.
2. Колебания сезонного протаивания с периодом 8-12 лет связаны с соответствующими вариациями продолжительности теплого периода года при отсутствии такой периодичности у температуры атмосферы. Зафиксированный линейный тренд роста сезонного протаивания может быть составной частью колебаний с периодом, превышающим срок наблюдений мощности СТС на площадках CALM.
3. Отношение средней амплитуды коротких колебаний протаивания к периоду можно рассматривать как меру устойчивости кровли ММП к аномальному воздействию, обусловленной особенностями почвенно-растительного покрова, свойствами и строением верхних слоев многолетней мерзлоты. По данному показателю наименее устойчива кровля ММП на площадках R2 и G1 – тундры равнин на атлантической периферии криолитозоны (см. табл. 1). Наиболее устойчивыми являются промерзающие ландшафты аласов северного склона Аляски U4 и U6.
4. Введение понятия “климатический год” как периода колебания глубины протаивания позволяет выделить временные интервалы закономерного сопряжения различных типов погоды, зональной и меридиональной атмосферной циркуляции, результатом которых является увеличение или уменьшение мощности СТС. Слой сезонного протаивания в отличие от динамичных атмосферы и гидросферы – стабильная депонирующая среда для короткопериодичных возмущений климата. График колебаний сезонного протаивания в этом плане является не только характеристикой состояния кровли ММП, но и своеобразной “кардиограммой” мерзлотного ландшафта и климата.

Свойства излучения радиоволнового диапазона позволяют рассматривать возможность его значимого вклада в увеличение глубины сезонного протаивания в ходе циклов солнечной активности. Увеличение сезонного протаивания (1995-1998; 2004-2007, 2014-2017) может происходить за счет дезинтеграции льдистых прослоев с низкой диэлектрической проницаемостью под воздействием потоков радиоволнового излучения сантиметрового и метрового диапазонов с частотой менее 400 МГц и глубиной проникновения более 1 м. Данная гипотеза не исключает влияния космического и, что важно, возрастающего техногенного радиоволнового излучения на таяние кровли ММП, полярных льдов и ледников.

Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 18-05-60036, международной программы CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring), грант NSF OPP-9732051 и OPP-0225603.

Примечания:

¹ Международная программа исследований CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring: Long-Term Observations of the Climate-Active Layer-Permafrost System).

² URL: http://www.gwu.edu/~calm/data/

³ Данный коэффициент необходим для исключения отрицательных значений функции (сезонного протаивания).

About the authors

O. D. Tregubov

Author for correspondence.
Email: tregubov2@yandex.ru
Russian Federation, Portovaya ul., 16, Magadan, 685000

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The location of the CALM sites for monitoring STS on a map of the environs of Anadyr.

Download (153KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Schedules of seasonal thawing of tundra soils at CALM sites. A triangular icon indicates the omission of observations (see table. 1).

Download (692KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Dynamics of air temperature (a), atmospheric precipitation (b) and the duration of daylight hours of the warm season (c) according to the Anadyr weather station: 1 - average annual temperature; 2 - average temperature of the warm period; 3 - average temperature of the cold period; 4 - average annual rainfall; 5-6 - average rainfall: 5 - liquid, 6 - solid; 7 - the total duration of light days in the warm period of the year; 8-9 - increment of the warm period due to daylight hours: 8 - in May-June, 9 - in September-October.

Download (433KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Dynamics of air temperature and seasonal thawing depth in the Anadyr lowland: 1 - average annual temperature; 2 - the depth of seasonal thawing on the site R9 Cape Rogozhny; 3 - the depth of seasonal thawing on the site R11 Mount Dionysia.

Download (205KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Mathematical (a) and graphical (b) modeling of short fluctuations in seasonal thawing for site R9 Cape Rogozhny: 1-2 - a sinusoid of fluctuations in the depth of seasonal thawing with a period of: 1 - 2.7 years, 2 - 10 years; 3 - calculated residuals of the depth of seasonal thawing of mathematical modeling; 4-5 - fluctuations in seasonal thawing with a period of: 4 - 2-3 years, 5 - 8-11 years; 6 - calculated residuals of the depth of seasonal thawing of graphic modeling.

Download (351KB)

Indexing metadata