Влияние ландшафтно-климатических особенностей на глубину сезонного протаивания грунтов

Введение

В связи с развитием во многих странах исследований по изучению современного изменения климата, возросло внимание к проблеме реакции вечной мерзлоты на потепление климата. Эти исследования охватывают широкий круг задач, включая изменения теплового состояния верхних горизонтов многолетнемерзлых пород в естественных условиях. Это стало одним из приоритетных направлений геологических исследований, имеющих важное научное и практическое значение не только в России, но и за рубежом.Исследования изменчивости термического режима грунтов при современном потеплении климата проводятся на Аляске, Канаде и в холодных регионах России: Европейский север, север Западной Сибири, Центральная Якутия. [1]Понятия ландшафта и климатаЛандшафт (нем. Landschaft - вид местности) - одно из фундаментальных понятий географии: характер геопространственной структуры участка земной поверхности; конкретная часть земной поверхности с единой структурой и динамикой.Под ландшафтом также понимают повторяющуюся мозаику взаимодействующих местообитаний и организацию визуального рисунка земной поверхности. Под ландшафтом обычно подразумевают участки земли и их свойства, обусловленные взаимодействием рельефа, климата, геологической структуры, почв, растительного и животного мира и человеческой деятельности. В то же время употребляются термины «почвенный ландшафт», «ландшафт растительности» и т. д. для обозначения монокомпонентных образований. Размеры ландшафтов составляют от нескольких километров и выше: именовать ландшафтами меньшие территории нецелесообразно.Климат (греч. Klimatos - наклон) - многолетний режим погоды, типичный для данного района Земли, так называемая средняя погода за много лет. Термин «климат» был введен в научный оборот 2200 лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом. Под «наклоном» - климатом, ученый подразумевал наклон земной поверхности к солнечным лучам, различие которого от экватора к полюсу уже тогда считалось главной причиной различий погоды в низких и высоких широтах. Позднее климатом назвали среднее состояние атмосферы в определенном районе Земли, которое характеризуется чертами, практически неизменными на протяжении одного поколения, то есть порядка 30-40 лет. К таким чертам относятся амплитуда колебания температур, атмосферное давление, атмосферная циркуляция.Различают макроклимат и микроклимат: Макроклимат - климат крупнейших территорий, это климат Земли в целом, климатических поясов, а также крупных регионов суши и акваторий океанов или морей. В макроклимате определяется уровень солнечной радиации и закономерности атмосферной циркуляции.Микроклимат - часть местного климата. Микроклимат в основном зависит от рельефа, лесных насаждений, различий в увлажнении почвогрунтов, весенне-осенних заморозков, сроков таяния снега и льда на водоемах. Учет микроклимата имеет существенное значение для размещения сельскохозяйственных культур, для строительства городов, прокладки дорог, для любой хозяйственной деятельности человека, а также для его здоровья. [2]Ландшафтно-климатические особенности3.1 Климатообразующие факторыЛандшафтные границы в тропосфере отличаются крайней изменчивостью и неопределенностью. Обычно компонентом ландшафта называют определенную совокупность свойств и процессов атмосферы - т.е. климат.Физические механизмы, определяющие внешнее воздействие на климатическую систему, а также основные взаимодействия между звеньями климатической системы, называют климатообразующими факторами. Эти факторы разделяют на две группы. К первой из них относят внешние климатообразующие факторы. Они обусловливают энергетические воздействия на климатическую систему извне. Вторую группу составляют факторы, характеризующие свойства самой климатической системы. Это внутренние климатообразующие факторы.Внешние факторы, в свою очередь, также разделяют на две группы. В первую группу включены астрономические факторы - светимость Солнца, положение орбиты Земли в Солнечной системе, характеристики орбитального движения Земли, наклон её оси к плоскости орбиты, скорость вращения Земли вокруг её оси. От этих факторов зависит, во-первых, распределение солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы Земли, во-вторых, гравитационное воздействие на Землю Солнца и других планет Солнечной системы, а также Луны.Вторую группу внешних климатообразующих факторов составляют факторы геофизические. Это размер и масса Земли, собственное гравитационное и магнитное поля Земли, внутреннее тепло, определяющее геотермические источники тепла, и вулканизм.В число внутренних климатообразующих факторов входят масса и состав атмосферы и океана, особенности распределения суши и океана, рельеф поверхности суши, структура деятельного слоя суши и океана.Динамика климатической системы определяется совокупностью взаимосвязанных внешних и внутренних факторов, находящихся в процессе постоянного изменения и развития. [2]3.2 Ледниковые формы рельефаВ современной полярной, или ледниковой, зоне со снежным климатом, охватывающей Арктику и Антарктику, основные формы рельефа созданы льдом. Это крупные ледниковые щиты и купола покровного оледенения (Антарктида и Гренландия), с выводными ледниками, спускающимися в море. С ледниками связаны гряды и холмы морен (тип ледниковых отложений) разного типа - срединные, боковые, поверхностные, конечные. При дальнейшем развитии оледенения образуются долинные, дендритовые, т. е. древовидные ледники, а затем оледенение может стать покровным. В субполярной зоне - тундре - субарктический климат способствует развитию и существованию постоянной мерзлоты (мощность ее, как указывалось выше, может достигать километра и более), которой обусловлены все экзогенные формы рельефа.  Физическое и морозное выветривание здесь происходит с участием льда, расклинивающего трещины в породах и разрушающего их. Здесь широко развиты микроформы рельефа: морозобойные трещины, полигональные грунты, кольца, полосы, а также более крупные формы - блочный рельеф, бугры пучения (гидролакколиты, бул- гунняхи). В долинах рек развиты наледи. В южной части тундры, где происходит деградация или таяние мерзлоты, широко развит термокарстовый рельеф в виде воронок, заполненных водой, озер, обширных плоских котловин - алласов; большие пространства заняты болотами. В горной тундре на пологих склонах под действием солифлюкции образуются натечные формы в виде террасок, потоков и струй - деллей. Склоны средней крутизны покрыты солифлюкционно-гравитационными плащами. В среднегорной тундре на склонах часто развиты нагорные террасы, у подножий склонов - каменные потоки или курумы. Если зона тундры сменяет ледниковую, она называется приледниковой, или перигляциальной. Рассмотренные выше различные типы экзогенного рельефа развиты на поверхности Земли неравномерно.3.3 Климатическая поясность и зональностьКлимат предопределяет развитие климатических поясов и входящих в них ландшафтно-климатических зон как по латерали на поверхности Земли (горизонтальная зональность), так и по вертикали на склонах гор (вертикальная, или ороклиматическая, зональность). Выделяются следующие субширотные климатические пояса: экваториальный и симметрично расположенные относительно него субэкваториальные, тропические, субтропические, умеренные, субарктический (в южном полушарии субантарктический) и арктический (антарктический). Входящие в пояса ландшафтно-климатические зоны разделяются по степени влажности (или сухости). В арктический (антарктический) и субарктический (субантарктический) пояса входят лишь по одной зоне - соответственно полярная, или ледниковая, и субполярная, или тундровая. Другие пояса включают влажные (гумидные) и сухие (аридные) зоны. Климатические условия каждой зоны зависят от температуры и влажности, причем сочетание этих параметров может быть различным (тепло-сухо, тепло- влажно, холодно-сухо, холодно-влажно). Эти сочетания, зависящие от многих причин (близости океана, ориентировки хребтов по отношению к странам света, направлю ветров, несущих влагу, и др.), определяют соответствующий комплекс экзогенных рельефообразующих процессов, присущий каждой ландшафтной зоне. Развитие климатических зон на склонах хребтов обусловлено тем, что по мере повышения рельефа на каждый километр средняя годовая температура понижается на 5-6°. Однако количество зон на склонах хребтов зависит не столько от высоты гор, сколько от положения гор на поверхности Земли, близости их к экватору или полюсам, т. е. от того, в каком поясе и в какой зоне находится их подножие. Так, на склонах гор Аляски, превышающих по высоте 6000 м, выделяются лишь две зоны - тундра внизу и ледниковая наверху. В это же время на склонах Тянь-Шаня и Памира, сходных с ними по высоте, выделяются все зоны - от полупустынь в нижних частях, степных, лесных в средних частях до высокогорной тундры и ледниковой зоны в верхних частях гор. Развитие одной и той же зоны на разных склонах одного хребта также не одинаково и зависит уже от местных климатических и тектонических условий. Так, ледниковая зона может быть развита на склонах северной экспозиции и отсутствовать на южных склонах, и наоборот. Границы между ландшафтными зонами на склонах гор обычно резкие, что объясняется быстрым падением температуры с увеличением высоты. По горизонтали же при движении от полюсов к экватору изменения происходят постепенно, так что всегда есть переходные зоны: лесотундра, лесостепь, полупустыня. В разных климатических зонах и на разной высоте действуют зональные экзогенные процессы, т. е. предопределенные климатическими условиями. Зональными являются, прежде всего, деятельность льда, мерзлотные процессы и созданные ими формы рельефа. [3]Сезонное протаивание грунтовСезонным промерзанием (протаиванием) грунтов называется промерзание (протаивание), длящееся более одних суток, но менее одного года с сезонной ритмичностью проявления. Многолетним протаиванием грунтов называется протаивание, длящееся более одного года. [4]Криогенными процессами называют геологические процессы, которые происходят при промерзании или оттаивании горных пород, а также замерзании подземных вод. Сезонное оттаивание - это оттаивание летом верхней части толщи мёрзлых пород. Этот оттаивающий слой называется сезонно-талым слоем.Сезонное промерзание соответственно - промерзание зимой верхней части талых пород, представляющей собой сезоно-мёрзлый слой.Промерзание поверхностных слоев земной коры обусловливает объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. Процесс такого деформирования пород в строительной практике принято называть морозным пучением, а сами грунты, подвергающиеся пучению, пучинистыми или морозоопасными.Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих морозоопасных грунтов на фундаменты и конструкции зданий и сооружений является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов. [5]В районах распространения вечномерзлых грунтов поверхностный слой грунта подвергается сезонному оттаиванию, его относят к деятельному слою. Толщину его определяют: при оттаивании летом и промерзании зимой, но без слияния с толщей вечномерзлого грунта - глубиной зимнего промерзания; при оттаивании летом и промерзании зимой до полного слияния с толщей вечномерзлого грунта - глубиной летнего оттаивания. [6] Показательным является распределение глубины оттаивания вечной мерзлоты на рис. 1.Рисунок 1 - Карта глубины оттаивания вечной мерзлотыВзаимосвязь особенностей и протаиванияМощность (глубина промерзания, м) деятельного слоя зависит от интенсивности и продолжительности прогревания поверхности и меняется от 0,2–0,3 м до 3–4 м. В одной и той же местности она неодинакова в различные годы и зависит от изменений теплоприхода в толще грунтов, вызванных интенсивностью солнечной радиации, изменениями температуры воздуха, скорости, направления и повторяемости ветра.Сезонное оттаивание на южных склонах всегда больше, чем на северных. Снегоотложения мощностью до 1,5 м мало влияют на изменение глубины сезонного оттаивания грунтов, потому что таяние снега заканчивается еще в период отрицательных среднесуточных температур воздуха. При мощности снегоотложений более 1,5 м величина сезонного оттаивания грунта уменьшается. Под растительным покровом протаивание всегда меньше, чем на свободных от растительности площадках. Влияет и характер растительности.Глубина сезонного оттаивания слоя неодинакова в грунтах различного состава и влажности. Наибольшей величиной протаивания характеризуются скальные щебенистые грунты, наименьшей – глинистые. Сильновлажные, насыщенные льдом грунты протаивают на меньшую глубину, чем маловлажные, потому что они обладают повышенной теплоемкостью и требуют большего количества тепла для плавления льда.Грунтовые воды, поток которых в фильтрующих грунтах способствует лучшему теплообмену, увеличивают глубину оттаивания. Интенсивность протаивания в течение сезона неравномерна: как правило, она снижается во второй половине лета, когда уменьшается теплоприход с поверхности.Глубину сезонного оттаивания грунтов учитывают при проектировании искусственных сооружений главным образом для определения глубины заложения фундаментов. [6]Глубина сезонного промерзания и протаивания грунтов зависит от широтного и высотного расположения местности, продолжительности периода с отрицательной температурой и ее величины, влажности грунтов, их состава - и других факторов, влияющих на теплообмен грунта с атмосферой и расположенными ниже породами. [7]На глубину сезонного промерзания верхних слоев земли большое влияние оказывает географическое местоположение. На территории России глубина промерзания увеличивается с юга на север и с запада на восток в связи с усилением континентальности климата.Основными факторами определяющим динамику температурного режима грунтов является теплозащитная роль рыхлого снежного покрова, динамика его накопления, особенно в начале зимы. [8]При увеличении высоты местности на 1000 м глубина сезонного протаивания грунтов уменьшается на 0,5–0,7 м в суглинках и на 0,8–1,3 м в песках. При продвижении на юг, наоборот, она увеличивается на каждый градус широты на 0,06–0,08 м в суглинках и на 0,10–0,14 м в песках. На основе этого известны диапазоны изменения глубины сезонного протаивания грунтов для суглинков (1,0–1,8 м) и песков (1,5–3,1 м).На участках без существенного влияния азональных факторов наибольшая многолетняя глубина сезонного протаивания грунтов составляет: для торфа – 1 м, для суглинка – 2 м, а для песка – 4 м. [9]

Заключение

Становится все более очевидным тот факт, что потепление климата на Земле - неоспоримая реальность. Основной причиной потепления считают нарастание парникового эффекта в результате постоянно увеличивающейся концентрации в атмосфере СО2, СН4, N20 и других микрогазов. Климат- главный фактор почвообразования. Почвенные процессы протекают на фоне определенной климатической обстановки и в значительной мере формируются ею. В то же время наблюдается и обратная связь. Например, почвенно-биологические процессы, в значительной степени влияя на концентрацию парниковых газов, в свою очередь приводят к климатическим изменениям. Познание пространственно-временных закономерностей формирования почв в различных природных регионах России позволяет провести ретроспективный анализ условий окружающей среды и климата. Это особенно важно в связи с разработкой прогнозов последствий все усиливающегося антропогенного пресса на биосферу Земли.Для территории России, более половины которой занято самой чувствительной к изменениям климата оболочкой вечной мерзлотой, температура почв имеет первостепенное значение, определяя резкие изменения природных обстановок и, как следствие, инфраструктурные риски. В результате потепления климата в почвах увеличивается глубина протаивания, однако неравномерно в различных регионах криолитозоны, в том числе из-за действия процессов с отрицательными и положительными обратными связями. [10]

Список используемой литературы

Варламов, С. П. Современные изменения климата и тепловой режим грунтов в естественных ландшафтах Центральной Якутии / С. П. Варламов, Ю. Б. Скачков, П. Н. Скрябин // Материалы пятой конференции геокриологов России: – Москва: Общество с ограниченной ответственностью Издательско-торговый дом «Университетская книга», 2016. – С. 20-26. // режим доступа URL для зарегистрированных пользователей: https://elibrary.ru/ (дата обращения 01.02.22).Климат и микроклимат ландшафта / электронный ресурс // режим доступа URL: https://revolution.allbest.ru/ecology/00565148_0.html (дата обращения 01.02.22).Ландшафтно-климатические зоны и формы рельефа / электронный ресурс // режим доступа URL: https://webkonspect.com/?room=profile&id=7580&labelid=107559 (дата обращения 01.02.22). Рекомендации по методике регулирования сезонного промерзания и протаивают грунтов и развития термокарста при освоении Западной Сибири: - М: Стройиздат, 1988. / электронный ресурс // режим доступа URL: http://gostrf.com/norma_data/50/50943/index.htm (дата обращения 02.02.22).Процессы в промерзающих грунтах / электронный ресурс // режим доступа URL: https://works.doklad.ru/view/tUxAxzyWuKQ.html (дата обращения 02.02.22).Глубина сезонного оттаивания грунтов / электронный ресурс // режим доступа URL: https://studfile.net/preview/3021091/page:7/ (дата обращения 02.02.22). Веревкин С. И. Повышение надежности резервуаров, газгольдеров и их оборудования. М.: Недра. 1980. C. 24. // режим доступа URL: https://www.ngpedia.ru/pg5556244WqHm61j0001644420/ (дата обращения 02.02.22).Климентов П. П. Общая гидрогеология, Высшая школа, 1980. Изд. 3. С. 29. // режим доступа URL: https://www.ngpedia.ru/pg0874869SglH6qp0003644420/ (дата обращения 02.02.22).Заболотник, С. И. Закономерности сезонного протаивания и промерзания грунтов в Южной Якутии / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Наука и образование. – 2013. – № 1(69). – С. 65-71. // режим доступа URL для зарегистрированных пользователей: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_20789132_55678079.pdf (дата обращения 02.02.22). Глобальные изменения климата и почвенный покров / В. Н. Кудеяров, В. А. Демкин, Д. А. Гиличинский [и др.] // Почвоведение. – 2009. – № 9. – С. 1027-1042. // режим доступа URL для зарегистрированных пользователей: https://elibrary.ru/download/elibrary_12901211_14600198.pdf (дата обращения 02.02.22).