Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей России

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Разумов Сергей Олегович

Якутск 2007

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Официальные оппоненты доктор географических наук Александр Владимирович Павлов

доктор географических наук, профессор Светлана Кирилловна Аржакова

доктор геолого-минералогических наук, профессор Георгий Захарович Перльштейн

Ведущая организация Институт криосферы Земли СО РАН

Защита состоится 16 мая 2007 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Марку Михайловичу Шацу.

Копии отзывов для скорой доставки можно направлять по Факсу: 8-4112-334-476 или электронной почтой: mpi@ysn.ru .

Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.н. М.М. Шац

геологический берег море

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Предлагаемая тема относится к приоритетному направлению фундаментальных научных исследований и отражает некоторые аспекты международной проблемы роли Арктики в формировании планетарных процессов. Многие международные научные организации, объединенные межправительственной программой по окружающей среде (UNEP), отмечают необходимость изучения влияния климатических изменений на природные процессы в Арктике.

В восточном секторе российской Арктики широко распространены деструктивные береговые криогенные процессы. Термоабразия берегов здесь - масштабное явление, поскольку около одной трети общей протяженности береговой линии изучаемого региона побережья (4080 км) представлено береговыми уступами, сложенными весьма неустойчивыми к воздействию моря породами ледового и озерно-термокарстового комплексов (Григорьев и др., 2006). На побережье Северного Ледовитого океана упомянутые отложения встречаются главным образом в пределах восточных арктических морей. Такие берега отличаются высокими скоростями разрушения и продуцируют большое количество поступающих в моря наносов: по разным оценкам - до 130-153 млн. тонн обломочного материала ежегодно, в том числе более 4 млн. тонн органического углерода (Григорьев и др., 2006). В рассматриваемом регионе береговая составляющая привносимых в море терригенных осадков в несколько раз превышает твердый речной сток, что, по существу, меняет подходы к изучению формирования баланса наносов на арктическом шельфе.

Вместе с тем реакция льдистых берегов арктического побережья на изменения мерзлотно-климатических условий количественно не изучена. Различными методами исследовано менее 5% общей протяженности береговой линии морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского. В условиях интенсивного освоения и изменчивости климата Арктики изучение динамики льдистых берегов и прогнозирование скорости их разрушения приобретают особое значение. Пока мы не научимся количественно предсказывать реакцию криогенных систем этого региона на изменения климатических условий, последствия данных процессов для природного комплекса и хозяйственных объектов будут всегда неожиданны.

Разработка многофакторных моделей открывает перспективы для достаточно обоснованного прогнозирования темпов деградации морских берегов криолитозоны. В условиях относительной недоступности и высокой стоимости экспедиционных работ в Арктике, это, по-видимому, наиболее эффективный и малозатратный способ оценки и контроля активности береговых криогенных процессов и их последствий.

Теоретические проблемы, рассматриваемые в работе, касаются многофакторного математического моделирования и прогнозирования деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях. В мировой теории и практике моделирования и прогнозирования рассматриваемых процессов пока не существует отработанных методик, способных формализовать нетривиальные связи между климатическими, мерзлотно-геологическими, морфологическими и динамическими характеристиками системы «атмосфера - море - береговая криолитозона». В представленной работе делается попытка решить эту ключевую проблему аналитической динамики льдистых берегов. Для этого необходимо было разработать методологию исследований, которая позволяла бы аналитически сформулировать связи между основными природными факторами и активностью деструктивных береговых криогенных процессов, выявить закономерности их пространственно-временной изменчивости в связи с вариациями мерзлотно-климатических условий. Решение этих задач составляет теоретическую основу для разработки прогноза развития термоабразии морских берегов в XXI в.

Объект исследований - побережье морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского с береговыми уступами, сложенными льдистыми дисперсными отложениями и активно разрушающимися в современных природных условиях.

Предмет исследований - развитие современных деструктивных береговых криогенных процессов на побережье восточных арктических морей России в изменяющихся мерзлотно-геологических, геоморфологических и климатических условиях. Рассматриваются в основном термоабразия и термоденудация. В качестве мерзлотно-геологических факторов развития указанных процессов в представленной работе приняты льдистость, температура и механический состав мерзлых пород, форма и размеры массивных подземных льдов и полигонов. Геоморфологические факторы - высота и экспозиция береговых уступов, рельеф подводного берегового склона и глубина моря в его пределах; климатические - повторяемость штормов морских румбов с ветровыми нагонами и средняя температура воздуха безледного периода, включающего июль, август и сентябрь. Методы исследований: натурные и дистанционные исследования развития деструктивных береговых криогенных процессов, а также климатических, мерзлотно-геологических, геоморфологических, гидродинамических характеристик природных условий; комплексный анализ сопряженных в пространстве и времени собственных и опубликованных данных по перечисленным характеристикам; формализация закономерных связей между темпом разрушения льдистых берегов и природными факторами с помощью математических средств. Методологический подход: принципы математического моделирования и прогнозирования динамики льдистых морских берегов основываются на предлагаемой концепции разделения климатической (множество активных факторов) и субстратной (множество пассивных факторов) составляющих процесса термоабразии. Первая составляющая отвечает за потенциальную способность моря разрушать берега, вторая - за потенциальную способность клифов сопротивляться воздействию моря. Активные и пассивные факторы объединяются функциональными зависимостями внутри своих факторных множеств. В результате получены два интегральных параметра, которые функционально связаны с темпом разрушения берегов.

Цель и задачи исследований. Цель работы - выявление закономерностей развития деструктивных криогенных процессов на арктическом побережье и количественная оценка реакции береговых криогенных систем на комплексное воздействие климатических, геокриологических, геоморфологических и гидродинамических факторов, разработка прогностической модели динамики льдистых морских берегов в связи с предполагаемыми изменениями климата в XXI в.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) оценить возможности применения существующих методов прогнозирования динамики берегов морей и больших водохранилищ к льдистым берегам арктических морей;

2) проанализировать мерзлотно-геологические, геоморфологические, гидродинамические и климатические факторы динамики берегов и их роль в развитии деструктивных криогенных процессов на изучаемых участках арктического побережья;

3) формализовать активное воздействие моря на льдистые береговые уступы и их способность сопротивляться этому воздействию в различных климатических, мерзлотно-геологических и морфологических условиях;

4) изучить взаимодействие деструктивных береговых криогенных и субаквальных абразионно-аккумулятивных процессов в условиях климатических колебаний. Оценить роль криогенных факторов в динамике морских берегов;

5) обосновать функциональную структуру прогностической модели динамики криогенных берегов в нестационарных климатических условиях таким образом, чтобы она описывала реакцию льдистых берегов на сопряженные во времени вариации термической и циркуляционной составляющих климата, а также учитывала пространственные изменения геокриологических и морфологических характеристик;

6) выполнить прогноз темпов разрушения наиболее активных участков льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI в. по двум сценариям предполагаемых изменений климата.

Научная новизна работы.

1. Впервые обоснована функциональная связь динамики береговой криолитозоны восточных арктических морей с вариациями термической и циркуляционной составляющих климата. Разработана линейная теория динамики льдистых морских берегов, которая описывает их развитие в изменяющихся природных условиях посредством частных линейных взаимосвязей с влияющими факторами.

2. Впервые установлены и формализованы зависимости продолжительности безледного времени, положения границы дрейфующих льдов и сопротивления льдистых берегов воздействию моря от средней температуры воздуха безледного периода. В практику моделирования введен комплексный параметр - коэффициент сопротивления берегов. Новизна его заключается в том, что применительно к льдистым клифам он, в отличие от известного коэффициента размываемости Е.Г. Качугина, функционально связан с колебаниями средней температуры воздуха безледного периода.

3. Впервые количественно сформулирована связь между комплексами активных и пассивных природных факторов и темпом разрушения льдистых морских берегов. Аналитически обоснованы причины возможного вырождения термоабразии, оценена роль отдельных активных и пассивных природных факторов в развитии термоабразионного процесса.

4. Впервые количественно обоснована роль многолетнемерзлых пород в развитии термоабразии морских берегов. Выявлены закономерности взаимодействия надводных деструктивных береговых криогенных процессов с субаквальными абразионно-аккумулятивными процессами в условиях изменений климата.

5. Разработана нелинейная теория динамики льдистых морских берегов, предложена многофакторная математическая модель реакции береговой криолитозоны на изменения мерзлотно-климатических условий. В функциональную структуру модели заложена выявленная связь многолетних изменений штормовой активности моря с вариациями суммы горизонтальных составляющих сил приливного типа.

6. Впервые предложена модель реакции льдистых берегов на гидрометеорологические возмущения в масштабах времени одного разрушительного шторма. Выдвинуты принципы динамической типизации берегов арктических морей по количественному критерию, позволяющему учитывать пространственно-временные изменения динамических и соответствующих им генетических типов берегов в нестационарных климатических условиях.

7. На основе разработанной автором линейной и нелинейной теории динамики льдистых морских берегов выполнен количественный прогноз развития термоабразии берегов восточных арктических морей России на первую половину XXI в.

Защищаемые положения.

1. При повышении средней температуры воздуха безледного периода и стабильном уровне моря активность термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей в целом существенно возрастает относительно ее средней многолетней величины, несмотря на мелководность прибрежно-шельфовой зоны.

2. Количественно оцененный вклад термического фактора (средней температуры воздуха безледного периода) в развитие термоабразии льдистых морских берегов более чем в два раза превышает интегральный вклад штормовой активности и абразионно-аккумулятивных процессов на подводном береговом склоне.

3. Многолетнемерзлые породы подводного берегового склона препятствуют формированию равновесного штормового профиля, что обусловливает более активное, чем вне криолитозоны, воздействие моря на береговой уступ.

4. Изменения во времени скорости термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей соответствуют сопряженным во времени вариациям средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов, выявленная функциональная взаимосвязь которых является основой для прогнозирования интенсивности термоабразионного процесса.

5. Оценка тенденций развития льдистых берегов восточных арктических морей, проведенная с помощью разработанной математической модели, показывает, что по “умеренному сценарию” предполагаемых изменений средней температуры воздуха безледного периода максимальные значения и амплитуда колебаний средней скорости термоабразии в первой половине XXI в. не превысят величин, наблюдаемых в XX столетии.

Достоверность научных положений ввиду пионерного характера работы подтверждается удовлетворительной многократной сходимостью расчетных и фактических данных при тестировании на независимом материале как отдельных линейных и нелинейных математических моделей развития термоабразии, так и результатов прогноза динамики льдистых берегов на начало XXI в.

Личный вклад автора. Диссертация основывается на материалах, собранных автором с 1984 по 2002 гг. в 21 российской и международной арктических экспедициях. Автор проводил исследования в составе морского отряда Янской геологоразведочной экспедиции (1984-1988 гг.), арктического отряда Геологического факультета МГУ (1985 г.), Института мерзлотоведения СО РАН (1989-1998 гг.), Российско-Германских экспедиций (1999-2002 гг.).

Комплексные геокриологические исследования проведены на 42 участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, расположенных на п-ове Таймыр, в Анабаро-Оленекском секторе, Оленекском заливе, дельте р. Лены, заливе Буор-Хая, Янском заливе, на Новосибирских островах и в проливе Д. Лаптева, а также в Колымо-Индигирском секторе с Медвежьими островами и дельте р. Колымы.

Результаты теоретических исследований автора: линейная и нелинейная теории развития деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях; многофакторная математическая модель динамики льдистых морских берегов в нестационарных климатических условиях; прогноз скорости термоабразии льдистых берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на первую половину XXI века в связи с изменениями климата Арктики. Автор глубоко признателен коллегам, помогавшим собрать и проанализировать данные: к.г.н. М.Н. Григорьеву, д.г.-м.н. В.Б. Спектору, к.г.н. В.В. Куницкому, профессорам Ф.Э. Арэ и Х.-В. Хуббертену, доктору В. Рахольду, В. Шнейдеру. Выражаю искреннюю благодарность поддержавшему меня руководству Института мерзлотоведения СО РАН и ученому секретарю диссертационного совета М.М. Шацу за советы и критические замечания при подготовке работы. Особую признательность хочу выразить профессору В.В. Шепелеву за помощь, ценные советы и конструктивные дискуссии по сути представляемой к защите диссертации.

Апробация работы. Диссертация выполнена в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН в рамках приоритетных программ фундаментальных исследований СО РАН: 5.2.6. “Состояние криолитозоны и прогноз ее развития”, проект “Пространственно-временные закономерности развития мерзлых пород, льдов, криогенных процессов и явлений”; 24.4. “Криогенные процессы в естественных и искусственных средах. Методика мониторинга, моделирование и прогноз состояния криосферы”, проект “Процессы формирования и разрушения криолитогенных толщ”.

Исследования по теме диссертации были включены в проекты Госпрограммы 025 “Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики”, программ фундаментальных исследований Президиума РАН: № 14, проект 14.5. “Динамика морских берегов Российской Арктики”; № 16, проект 16.5. “Эрозия льдистых берегов арктических морей”; П-34, проект 3.1. “Криолитозона и природные процессы в прибрежно-шельфовой области полярных морей Евразии”, № 13, проект 13.3.2. “Влияние прогнозируемого потепления климата в криолитозоне Сибири на экосистемы Севера”. Кроме того, работы проводились по республиканскому проекту: “Исследование динамики разрушения льдистых берегов на северном побережье Республики Саха (Якутия), твердого выноса на шельф и прогноз развития термоабразии”, а также по проектам РФФИ: № 03-05-96093 р2003арктика и № 06-05-64384-а (руководитель С.О. Разумов); № 98-05-65506 (руководитель М.Н. Григорьев). Тема исследований разрабатывалась в Российско-Германских проектах “Система моря Лаптевых - 2000” и в двух международных проектах INTAS.

Результаты исследований были представлены: на заседании Комитета старших должностных лиц Арктического Совета “Охрана окружающей среды в Арктике” (Якутск, апрель 2005 г.); на заседании Совета “Некоммерческого Партнёрства по координации использования Северного Морского пути” (Якутск, ноябрь 2006 г.); в ряде важнейших научных достижений Института мерзлотоведения СО РАН в 2001-2006 гг. и в государственных докладах правительства РС(Я) “О состоянии окружающей природной среды Республики Саха (Якутия)” в 1998, 2000-2002 гг.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на II конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь 2001 г., доклад «Модель динамики льдистых берегов арктических морей в стационарных климатических условиях»;

на международной конференции “Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения”, г. Пущино, май 2003 г., доклад «Развитие эрозии льдистых морских берегов в условиях изменений средней летней температуры воздуха при стационарной повторяемости штормов»;

на международной конференции “Криосфера нефтегазоносных провинций”, г. Тюмень, май 2004 г., доклад «Прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века»;

на международной конференции “Приоритетные направления в изучении криосферы Земли”, г. Пущино, май, 2005 г., доклад «Принципы и численный критерий динамической типизации криогенных берегов арктических морей»;

на III конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь, 2005 г., доклад «Реакция береговой криолитозоны арктических морей на мезомасштабные гидрометеорологические возмущения».

По теме диссертации лично автором и в соавторстве опубликовано 43 работы.

Практическое значение работы. Развивается новое направление динамической геокриологии в области исследований береговых криогенных процессов - многофакторное математическое моделирование и прогнозирование динамики льдистых морских берегов в изменяющихся природных условиях. Исследования в рамках этой диссертации придают рассматриваемой проблеме завершенность в виде научно обоснованного количественного прогноза, который можно использовать для целей рационального природопользования, навигационного обеспечения и контроля за инженерно-техническими сооружениями и коммуникациями на побережье, а также для выработки практических решений по социально-экономическим проблемам Арктики.

Структура диссертационной работы. Диссертация включает введение, 7 глав, заключение, список использованной литературы и приложение. Содержит 231 страницу, в том числе 62 иллюстрации, 24 таблицы, 1 приложение и список литературы из 200 наименований.

В главе 1 "Изученность и обзор существующих методов” рассматривается изученность динамики берегов восточных арктических морей России. Проанализированы существующие методы прогноза развития берегов морей и больших водохранилищ в криолитозоне и вне криолитозоны. Оценены возможности применения этих методов для прогнозирования динамики льдистых морских берегов.

Многофакторный процесс разрушения льдистых морских берегов очень трудно воспроизвести в лабораторных условиях. Лабораторное моделирование даже отдельных звеньев абразионного процесса не дает приемлемых результатов, которые можно было бы сравнивать с данными измерений, полученными в естественных условиях. Представляется, что более перспективны эксперименты, поставленные в естественных условиях арктического побережья. Однако постановка натурных экспериментов на побережье арктических морей весьма проблематична. Предполагается больше внимания уделять математическому моделированию и прогнозированию развития береговых криогенных процессов в связи с изменениями природных условий. Для этого необходимо располагать комплектом данных, включающим количественные оценки природных факторов, и иметь представление об их пространственно-временных изменениях.

Исследования связей динамики льдистых берегов с природными факторами проводятся с недавних времен. Поэтому естественно, что пионеры теоретических исследований береговых криогенных процессов Н.Ф. Григорьев, Ф.Э. Арэ, Г.А. Сафьянов, Л.А. Жигарев, В.А. Совершаев, С.В. Томирдиаро, В.К. Рябчун, Е.С. Гоголев, А.И. Ермолаев и другие искали объяснения активного разрушения льдистых берегов в гидродинамике и свойствах многолетнемерзлых пород. Однако термоабразионный процесс оказался более сложным, что, вероятно, может служить упреком некоторым положениям общепринятой теории развития морских берегов, основанной на материалах исследований морей умеренных и южных широт. Согласно важнейшему положению этого учения, главной причиной динамики берегов являются изменения подводного берегового склона (Зенкович, 1962). Иными словами, динамика берегов жестко увязывается с морфодинамическими процессами на подводном береговом склоне. Полагается, что в дисперсных отложениях с увеличением уклона подводного профиля должна возрастать скорость разрушения берегового уступа.

По оценкам автора, льдистые берега восточных арктических морей с очень отмелым подводным склоном (уклоны 0.0003-0.002) разрушаются в 3-7 раз быстрее менее отмелых берегов Черного моря с уклонами дна 0.002-0.02 при прочих равных условиях. Исследования динамики берегов и подводного берегового слона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, проведенные на 12 участках соискателем и с его участием (Разумов, 2000а, б; Are et al., 2000, 2001, 2002b; Grigoriev et al., 2001), показали, что упомянутые закономерности рассматриваемого учения в применении к восточно-арктическому побережью не соответствуют действительности. Скорость отступания льдистых берегов очень мало зависит от уклонов подводного берегового склона (рис. 1). Ранее было установлено незначительное влияние уклонов подводного берегового склона на скорость термоабразии льдистых берегов моря Бофорта (Hequette, Barnes, 1990).

Рис. 1 Соотношения уклонов дна и среднемноголетней скорости отступания берегов восточных арктических морей, сложенных породами ледового комплекса

Российско-Германские исследования западного побережья дельты р. Лены (Are et al, 2002), показали, что положение песчаных берегов барьерных островов стабильно в течение последних 32 лет. Однако форма профиля подводного склона здесь не оставалась постоянной в течение этого времени. Уклоны в его верхней части увеличились примерно в 5 раз. Приведенные расхождения с общепринятым учением о развитии морских берегов требуют более тщательного и детального изучения влияния мерзлых пород на динамику береговых уступов.

Примеры математического моделирования береговых процессов можно найти в работах отечественных исследователей (Качугин, 1961, 1975; Кирлис, 1968; Бертман и др., 1971; Попов, 1981; Шадрин, 1981; Есин, 1981; Арэ, 1985; Новичихин, 1987; Косьян, Пыхов, 1991; Павлидис, Леонтьев, 2000; Леонтьев, 2002). Представлены они также в ряде зарубежных публикаций (Bruun, 1954; Hanson, Kraus, 1986, 1989; Watanabe et al, 1986; Tsujimoto, Hayakawa, 1986; Larson, Kraus, 1989; Bodge, 1992; Dean, 1997; Komar, 1998; Thieler et al., 2000). Подавляющее количество исследований с применением моделирования проведено вне области криолитозоны, т.е. без учета специфики развития льдистых морских берегов. Задачи по прогнозированию отступания берегов решаются в основном путем измерений движения донных наносов в естественных и лабораторных условиях, а также разработки методов расчета по параметрам волнения и потокам наносов с учетом изменений уровня моря (Косьян, Пыхов, 1991; Леонтьев, 2002). Кроме указанных направлений существуют методы аналитической геометрии, с помощью которых формирование предельного профиля подводного берегового склона увязывается со скоростью углубления дна и скоростью относительных изменений уровня моря (Есин, 1981; Есин и др., 1981).

Для восточных арктических морей, в связи с наличием мерзлых пылеватых пород, слабой изученностью динамики берегов и проблемами определения внешней границы подводного берегового склона (Are et al., 1999) прогнозирование такими методами выполнить нереально. Как отмечает Ф.Э. Арэ (1985), пылеватость и избыточная льдистость слагающих берега пород препятствует формированию предельного профиля. Кроме того, в исходной постановке задач климатические условия остаются неизменными в течение прогнозируемого интервала времени, что далеко от действительности.

Некоторые ученые большое внимание уделяют измерениям профиля дна в береговой зоне в естественных и лабораторных условиях для вывода математических уравнений, описывающих его форму (Komar, 1998). Базовым понятием этого подхода является профиль равновесия подводного берегового склона, который формируется при постоянном уровне моря и, по определению П. Брюна (Bruun, 1954), представляет собой среднестатистический профиль, сохраняющий свою форму на фоне колебаний, обусловленных изменениями волнового режима. Профиль равновесия подводного берегового склона отступающих берегов, сложенных рыхлыми породами, при решении прикладных задач обычно описывается уравнением, которое связывает его форму с крупностью донных наносов (Bruun, 1954; Are et al., 2001). Чем крупнее наносы, тем больше уклон дна. Таким образом, форма профиля подводного берегового склона определяется гранулометрическим составом пород и гидромеханическим воздействием на них. Формирование равновесного профиля в качественном отношении следует классической схеме Зенковича - Брюна: интенсивный размыв берегового уступа с отложением продуктов размыва на подводном береговом склоне. Математическое описание формы профиля равновесия служит основой современных расчетных методов прогноза отступания берегов (Thieler et al., 2000).

Основным предметом исследований в диссертации являются берега, сложенные рыхлыми многолетнемерзлыми породами, включающими массивные льды. Для льдистых морских берегов зависимость крупности наносов от глубины на подводном склоне выражена чрезвычайно слабо (Груздева и др., 2004). Поэтому формулы, описывающие равновесный профиль подводного склона с учетом изменений крупности донных отложений по глубине, нельзя применять для районов распространения ледового комплекса. Зависимость подвижности донных наносов от интенсивности волнения проявляется только для достаточно крупных частиц, поведение которых в водном потоке определяется силой тяжести. В связи с этим теория развития морских берегов оперирует понятием «наносов волнового поля», к которым относятся пески и более крупнозернистые разности, т.е. частицы крупнее 0.05 мм. Следовательно, в формировании равновесного профиля подводного берегового склона, сложенного рыхлыми наносами, участвуют только пески и более крупнозернистые отложения.

В рассматриваемых районах арктических морей береговые уступы и подводный склон сложены в основном тонкодисперсными пылеватыми породами с подавляющим преобладанием частиц размером менее 0.05 мм (Томирдиаро и др., 1978; Томирдиаро, Черненький, 1987; Куницкий, 1998; Разумов, 2000б). Доля наносов волнового поля здесь весьма мала. В процессе отступания таких берегов в рыхлых мерзлых породах вырабатывается слабонаклонная поверхность - глинисто-алевритовый бенч. Он обычно покрыт активным слоем тонкодисперсных осадков, содержащих до 79-93% алевритовых и глинистых частиц. Следовательно, классическое понятие “профиль равновесия” неприменимо к изучаемым берегам.

Научная литература, в которой затрагиваются вопросы количественного описания динамики льдистых берегов арктических морей, как многофакторного процесса, представлена, пожалуй, единственной часто цитируемой соискателем монографией Ф.Э. Арэ (1985) и несколькими десятками публикаций в отечественных и зарубежных изданиях. Проблема зависимости скорости термоабразии берегов арктических морей от климатических факторов наиболее четко была поставлена в 1980-е годы Ф.Э. Арэ (1985), однако реального прогресса в прогнозировании развития льдистых морских берегов тогда достигнуто не было. Подходы к решению этой задачи ограничивались в основном качественными рассуждениями о влиянии изменений отдельных климатических и мерзлотно-геологических характеристик на берегоформирующие процессы. Комплексное влияние сопряженных в пространстве и времени климатических, мерзлотно-геологических, геоморфологических и гидролитодинамических факторов на развитие береговых криогенных процессов не рассматривалось.

Ф.Э. Арэ один из первых отметил характерную особенность морской термоабразии - ведущую роль волнения в развитии этого процесса, обусловленную большими размерами и повышенной ветровой активностью у побережья. Вследствие этого практически не наблюдается чисто тепловое разрушение льдистых морских берегов, превалирует механический размыв. Энергия волн определяется их высотой, которая зависит не только от скорости ветра и длины разгона, но и от глубины моря. Ф.Э. Арэ (1985) приводит пример из работ А.П. Браславского и, ссылаясь на этого автора, делает вывод, что ввиду мелководности арктических морей увеличение пространств открытой воды при потеплении климата не приведет к усилению разрушения берегов.

Данные исследований Н.Д. Шишова (1949) и Л.Н. Иконниковой (1971), а также измерений волн в Восточно-Сибирском море (Разумов, 1996в) и в море Лаптевых (Are et al., 2000a; Grigoriev et al., 2001; Razumov, Grigoriev, 2003) показывают серьезные расхождения с выводами А.П. Браславского. Увеличение пространства открытой воды, также как и продолжительности безледного времени при потеплении климата, вызовет усиление воздействий моря на берега и повышение термоабразионной активности, особенно если учесть развитие в рассматриваемых районах Арктики высоких ветровых нагонов. Аналогичные выводы были сделаны Ю.А. Павлидисом и И.О. Леонтьевым (2000).

Некоторые выводы Ф.Э. Арэ не обоснованы фактическим материалом, являясь умозрительными, поэтому вызывают сомнения. Так, Ф.Э. Арэ (1985) доказал, что при потеплении климата будет возрастать скорость термоденудации береговых уступов, сложенных ледовым комплексом и другими сильно льдистыми породами. Но почему-то при этом он утверждает, что размыв волноприбойных ниш, обрушения берегов и отвесные береговые уступы будут наблюдаться реже, так как, по его мнению, отношение скорости термоабразии к скорости термоденудации при потеплении климата уменьшится. Между тем имеющиеся фактические данные и материалы литературных источников, в том числе из цитируемой монографии (Арэ, 1985; Григорьев, 1993; Разумов, 2000а; Are et al, 2000a; Grigoriev et al, 2001; Razumov, 2003), не подтверждают этот тезис. Соискатель показал (Разумов, 2005), что при потеплении климата, когда средняя температура воздуха безледного периода превысит 3.5-4.0 °C, скорость разрушения оснований уступов будет выше темпов термоденудации (рис. 2).

Достижения в области моделирования и прогноза развития берегов водохранилищ и морей криолитозоны, связанные с именами Ф.Э. Арэ, С.В. Томирдиаро, Г.А. Сафьянова, Е.С. Гоголева, А.И. Ермолаева, Ю.А. Павлидиса, И.О. Леонтьева, А.А. Васильева и других, были очень значительными. Однако центральную проблему - количественное описание комплексного воздействия природных факторов на динамику берегов - до сих пор нельзя было считать решенной. Тем не менее, были сделаны выводы для критического рассмотрения существующих методов прогнозирования.

Ф.Э. Арэ (1985) разработал универсальную методику прогнозирования термоабразии берегов водохранилищ. Суть ее заключается в совместном применении метода Е.Г. Качугина (1959) и теплофизических расчетов оттаивания и просадки мерзлых пород с помощью уравнений В.Т. Балобаева (Арэ и др., 1974). Вместе с тем Ф.Э. Арэ говорит о своей методике как о первом приближении в решении проблем прогнозирования. Например, при прогнозе на один год расчет потока энергии волн выполняется по среднемноголетним характеристикам ветра, т.е. межгодовые изменения энергии волн зависят только от величины предполагаемой просадки дна. При такой постановке задачи невозможно учитывать влияние многолетних изменений климата на динамику берегов.

Рис. 2 Зависимость скорости разрушения льдистых берегов восточных арктических морей от средней температуры воздуха безледного периода: 1 - в процессе термоденудации (Арэ, 1985); 2 и 3 - термоабразии (2 - рассчитанные при среднемноголетней повторяемости штормов 4.7 %, 3 - измеренные на ключевых участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского)

По мнению Ф.Э. Арэ, процессы оттаивания и тепловой осадки многолетнемерзлых пород могут играть большую роль в формировании профиля подводного берегового склона арктических морей (Are, 1996; Are et al., 2000b). Имеющиеся данные не подтверждают это предположение. При обычных гидрометеорологических условиях средний уровень арктических морей ниже оснований уступов, урез моря отделен от них осушками, а преобладающее умеренное волнение быстро нивелирует тепловые просадки дна, если таковые имеют место. Условия развития берегов водохранилищ существенно отличаются от морских, прежде всего, отсутствием многолетних дрейфующих льдов в безледный период, гидрологическими характеристиками и зависимостью колебаний уровня от режима эксплуатации. Таким образом, с помощью методов прогнозирования, разработанных для берегов водохранилищ криолитозоны, нельзя более или менее достоверно предсказать тенденцию развития льдистых берегов арктических морей в изменяющихся климатических условиях.

Существующие методы прогноза динамики морских берегов в средних и низких широтах не учитывают влияния многолетнемерзлых пород, температуры воздуха безледного периода и наличия морского льда. Поэтому одной из основных задач изучения берегов арктических морей в плане разработки прогноза скорости термоабразии является количественная оценка влияния криогенных факторов на их динамику. Результаты этих исследований позволят четко ответить на вопрос о возможности применения существующих методов прогноза к берегам высоких широт. Современные теоретические исследования в этом направлении ограничиваются главным образом использованием методов математической статистики (в основном парной и множественной корреляции), например, в работах (Hequette, Barnes, 1990; Огородов и др., 2004). Их применение необходимо, но недостаточно для правильного математического описания механизмов или закономерностей физических процессов, развивающихся на побережье арктических морей в переменных природных условиях. Примеры количественных прогнозов разрушения морских берегов в криолитозоне с использованием математического моделирования малочисленны (Павлидис, Леонтьев, 2000; Леонтьев, 2002; Васильев, Остроумов, 2005; Разумов, 1996в, 2004).

Методика прогноза, разработанная Ю.А. Павлидисом и И.О. Леонтьевым, была применена ими для исследования тенденций развития песчаных берегов Восточно-Сибирского моря в районе мыса Биллингса. По сути, это математическая модель динамики аккумулятивного песчаного вала в условиях многолетних изменений пространств открытой воды и уровня моря при неизменных мерзлотно-геологических условиях и атмосферной циркуляции. Исходной предпосылкой расчетов является предположение, что подъем уровня моря в результате потепления климата в XXI в. будет происходить равномерно и к 2100 г. достигнет 1 м. Равновесный профиль берегового склона формируется под действием достаточно сильных штормов, а время его стабилизации зависит от скорости осаждения наносов. И.О. Леонтьев (2002) предложил морфодинамическую модель развития аккумулятивных берегов Баренцева и Карского морей. В отличие от наиболее ледовитых восточно-арктических морей, изменения площади дрейфующих льдов здесь не окажут заметного влияния на развитие волнения. Поэтому в модели допускается относительное постоянство волновой активности. В связи с малой льдистостью пород, слагающих берега, и удаленностью границы дрейфующих льдов, изменения термической составляющей климата и мерзлотных условий при прогнозировании не учитываются. Результаты моделирования позволили И.О. Леонтьеву сделать важные выводы: при неизменных условиях активность процесса переформирования берегов будет убывать с течением времени, темпы разрушения берегов обнаруживают четкую зависимость от высоты уступа. Однако решить задачу прогнозирования темпов разрушения льдистых берегов, сложенных в основном тонкодисперсными пылеватыми породами, с помощью этих моделей невозможно. При разрушении таких берегов вырабатывается не профиль равновесия подводного берегового склона, а глинисто-алевритовый бенч, и преобладает взвешенный материал. Следовательно, гидравлическая крупность и время стабилизации профиля в этом случае не имеют смысла.

А.А. Васильевым (Васильев, Остроумов, 2005) предложена методика моделирования и прогноз развития термоабразионных берегов морей западного сектора Арктики, которые отличаются от рассматриваемых в диссертации по мерзлотно-геологическим характеристикам. Основу этой методики составляет комплексный показатель, связанный с “индексом арктической осцилляции” и включающий изменения циркуляции атмосферы, средней летней температуры воздуха, продолжительности безледного времени, т.е. аналог ранее предложенного автором показателя абразионной активности.

Таким образом, примеров прогнозирования наиболее динамично разрушаемых берегов, сложенных пылеватыми породами ледового комплекса, автор не нашел в опубликованной научной литературе. С помощью существующих методик прогноза невозможно более или менее достоверно предсказывать развитие термоабразии избыточно льдистых морских берегов. Для этого необходима теория развития льдистых берегов арктических морей в переменных природных условиях, на основе которой можно было бы разработать новые методы моделирования и прогноза. Стало очевидным, что для правильного понимания динамики льдистых морских берегов нужен новый, более фундаментальный подход к проблеме.

Глава 2. Методика исследований. Данная глава посвящена разработке методологии аналитического описания динамики льдистых морских берегов. Рассматриваются методы экспедиционных исследований, приводятся исходные уравнения, на основе которых выполнялось математическое моделирование и прогнозирование темпов разрушения берегов.

Следуя выводам первой главы, можно говорить, что вследствие комплексной природы, многофакторности и специфики развития морских береговых процессов в области распространения льдистых пород для разработки прогностических моделей динамики берегов арктических морей требуется новая методология, применение разных методик и изучения не только надводной, но и подводной части береговой криолитозоны. В связи с этим было необходимо, во-первых, соединить разрозненные материалы в едином комплекте данных, сопряженных в пространстве и времени. Во-вторых, создать теоретическую основу для выявления и математического анализа функциональных зависимостей динамики берегов от комплекса природных факторов. В третьих, разработать и физически обосновать структуру многофакторной математической модели динамики берегов в изменяющихся природных условиях, которая имела бы прогностический выход.

Эти задачи решены с помощью разработанной автором методологии исследований на основе мерзлотно-климатического подхода к изучению и количественному описанию (моделированию) динамики льдистых морских берегов. Суть предлагаемой концепции заключается в принципе разделения климатической и субстратной составляющих процесса термоабразии. Первая составляющая отвечает за потенциальную способность моря разрушать берега, вторая - за потенциальную способность клифов сопротивляться воздействию моря. Для обоснования методологического подхода и решения задач, поставленных в диссертации, имелись позитивные моменты, включающие:

- материалы долговременных гидрометеорологических наблюдений на полярных станциях;

- накопленные данные экспедиционных и дистанционных исследований;

- установленные российскими и американскими океанологами закономерности развития и распространения ветровых волн и колебаний уровня моря на мелководье (Шишов, 1949; Филлипс, 1969; Рутковский, 1971; Ефимов, Соловьев, 1975).

Хуже обстояло дело с изучением динамики рельефа подводного берегового склона арктических морей и ее связи с деструктивными береговыми криогенными процессами. Но и в этой области наметился прорыв, обеспеченный работами Е.В. Клюева (1967, 1970), исследованиями Российско-Германских экспедиций (Are et al, 1999, 2000, 2001, 2002a) и автора (Разумов, 1996а, 2000б).

Функциональная структура модели динамики льдистых берегов разрабатывалась по следующей методике. Все основные природные факторы берегоформирующих процессов подразделялись на две группы: активную и пассивную. В группу активных факторов входят ветро-волновой режим акватории, колебания уровня моря, дрейфующие льды, продолжительность безледного времени и гидродинамический коэффициент глубины, определяемый соотношением элементов волнения и глубин подводного берегового склона. Эти факторы связаны с циркуляционной и термической составляющими климата. Пассивные факторы представлены такими характеристиками, как высота берегов, конфигурация береговой линии, расчлененность берегового уступа при термоденудации повторно-жильных льдов, суммарная льдистость, макрольдистость и особенности механического состава отложений. Степень расчлененности берегового уступа зависит от средней температуры воздуха безледного периода.

Перечисленные характеристики объединяются функциональными зависимостями внутри факторных групп. Факторы, входящие в разные группы, независимы или проявляют опосредованную зависимость друг от друга, поскольку совокупность активных факторов, связанных математической формулой, представляет климатическую составляющую модели, а пассивных - субстратную. В результате получены два интегральных параметра, которые функционально связаны с темпом разрушения берегов и изменяются в пространственно-временных координатах в зависимости от вариаций величин уже упомянутых факторов. Эти вариации связаны с изменениями климатических, мерзлотно-геологических и геоморфологических условий.

Для формализации воздействия атмосферы и моря на береговую криолитозону предложен безразмерный показатель абразионной активности:

, (1)

где N - число градаций скоростей ветра более 10 м/с; pi - повторяемость i - той градации скоростей штормовых ветров; i - средняя скорость штормового ветра в i - той градации; б - коэффициент безледного времени по В.А. Совершаеву (1981); Z - гидродинамический коэффициент глубины, определяемый соотношением элементов волнения и глубин моря на участках разгона волн; X - длина разгона волн. В уравнении учитываются все k-тые опасные для берегов направления штормовых ветров в морском сегменте горизонта M. AK и A0 - абразионная активность акватории на каком-либо изучаемом участке арктического побережья и эталонного участка побережья Восточно-Сибирского моря, A0 = 1347.

С другой стороны, скорость разрушения льдистых берегов под воздействием моря и атмосферы была функционально связана с параметром неустойчивости массива мерзлых пород (м/год) или с его обратной величиной - коэффициентом сопротивления берега воздействиям моря:

. (2)

Этот коэффициент является функцией средней температуры воздуха безледного периода ТЛ, макрольдистости пород L и безразмерной высоты береговых уступов H. Посредством этих двух интегральных параметров сформулирована зависимость скорости термоабразии от мерзлотных, морфологических и гидрометеорологических характеристик:

. (3)

Методы математического анализа, включая гамильтоновский формализм, позволили сформулировать функциональные связи показателя абразионной активности моря и параметра неустойчивости льдистых берегов со средней температурой воздуха безледного периода. В частности, с помощью гамильтоновского формализма описана связь средней температуры воздуха безледного периода с повторяемостью штормов и реакция штормовой активности на изменения космо-геофизических сил (суммы горизонтальных составляющих приливообразующих сил Луны и Солнца и деформирующих сил, возникающих при реальных движениях полюса вращения Земли (Максимов, 1967)). Другие известные методы математического анализа многокомпонентных нелинейных динамических систем (например, факторный или корреляционный) для рассматриваемого случая будут весьма громоздки и трудно реализуемы ввиду ограниченного количества данных.

При разработке теоретического базиса моделирования и прогнозирования динамики льдистых морских берегов учитывался ряд особенностей, присущих процессу морской термоабразии и принципиально отличающих его от размыва аналогичных по составу и морфологии берегов вне криолитозоны. Это, прежде всего, мерзлое состояние пород, слагающих берега, в сочетании с их пылеватостью и массивными ледяными включениями и, особенно, наличие многолетнемерзлых отложений на подводном береговом склоне, залегающих во время сезонного протаивания вблизи от поверхности дна в волноприбойной зоне (рис. 3).

Пожалуй, одна из главных особенностей развития льдистых морских берегов, касающаяся активности их разрушения, заключается в небольшом по мощности слое штормовой переработки отложений подводного склона. Вне криолитозоны он ограничен энергией волнения, в волноприбойной зоне восточных арктических морей - глубиной сезонного протаивания субаквальных мерзлых пород. Поэтому здесь во время шторма вырабатывается аномальный профиль подводного берегового склона. Развитию абразионного профиля динамического равновесия в штормовых условиях препятствуют субаквальные мерзлые породы.

Рис. 3 Мощность слоя штормовой переработки отложений подводного берегового склона вне криолитозоны в зависимости от глубины моря: 1 - по Н.А. Айбулатову; 2 - по А.И. Введенской с соавторами; 3 - усредненная мощность сезонно талого слоя в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского (Григорьев, 1993; Григорьев, Разумов, 2005)

Задача прогнозирования скорости термоабразии решалась с помощью математического моделирования, выполняемого на основе существующих теоретических знаний и фактического материала. Такие модели удовлетворительно воспроизводят выбранные стороны динамики береговой зоны, в том числе, активность деструктивных береговых криогенных процессов.

Исследования проводились всеми доступными автору методами и носили комплексный характер (применялись геокриологические, геоморфологические, океанологические, топографо-геодезические и математические методы). Анализировались опубликованные данные, дистанционные материалы, сопрягаемые с данными теодолитных и реперных измерений. Экспедиционные работы были разнообразны: наземные, морские, вертолетные и вездеходные маршруты, изучение геокриологических разрезов, рельефа и динамики берегов по многолетним створам, теодолитные съемки берегов, бурение скважин и т.д. Исследования подводного берегового склона включали морские работы как с судов и моторных лодок, так и с поверхности морского льда.

В главе 3 “Анализ связей мерзлотно-климатических характеристик с динамикой берегов восточных арктических морей” обосновывается первое защищаемое положение: “При повышении средней температуры воздуха безледного периода и стабильном уровне моря активность термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей в целом существенно возрастает относительно ее средней многолетней величины, несмотря на мелководность прибрежно-шельфовой зоны“. Для этого проанализированы сопряженные во времени и пространстве фактические данные. Они представляют комплексную информацию о развитии береговых криогенных процессов в различных природных условиях и формируют основу для количественного описания закономерностей динамики берегов. Рассмотрены циркуляционные и термические характеристики климата, морские льды, волнение и сгонно-нагонные колебания уровня моря, мерзлотно-геологическое строение и морфология берегов. Уровень моря в XX веке автор, вслед за Ф.Э. Арэ (1985), считает относительно стабильным и не находит серьезных оснований предполагать, что он будет существенно изменяться в течение XXI столетия (Григорьев и др., 2006).

Энергетический базис динамики берегов не выходит за рамки величин, задаваемых ветровым волнением, точнее, суммарной продолжительностью местных штормов. Поэтому изучение закономерностей берегоформирующих процессов в арктических морях предполагает анализ зависимости элементов волнения от скорости ветра, батиметрических и ледовых условий в береговой зоне, с которыми связана длина разгона волн.

Изучено влияние климатических, мерзлотно-геологических и геоморфологических условий на активность береговых криогенных процессов. В годы с преобладанием атмосферных процессов антициклонического типа в Арктике, наблюдаемых при усилении циркуляции в тихоокеанском секторе Северного полушария, над акваториями восточных арктических морей значительно возрастает скорость и повторяемость ветров восточной половины горизонта - в основном северо-восточных и восточных. В эти годы в Арктике отмечается общее потепление, на фоне которого в прибрежных районах рассматриваемых морей возрастает повторяемость и продолжительность гидрометеорологических обстановок, наиболее благоприятных для интенсивного развития термоабразии берегов северных, северо-восточных и восточных экспозиций. Увеличение пространства открытой воды вызовет усиление воздействий моря на берега и повышение термоабразионной активности, несмотря на мелководность прибрежно-шельфовой зоны. Этот вывод следует из проведенного автором анализа опубликованных данных о сгонно-нагонных колебаниях уровня моря и развитии волн на мелководье в условиях изменения пространств открытой воды (Шишов, 1949; Иконникова, 1971; Разумов, 1996в; Are et al., 2000a; Grigoriev et al., 2001; Razumov, Grigoriev, 2003; Григорьев и др., 2006).

В периоды ослабления циркуляции атмосферы в тихоокеанском секторе Северного полушария, когда в Арктике преобладают процессы циклонического типа, наблюдается общее похолодание, над восточно-арктическими морями усиливается перенос с запада на восток. Возрастает скорость и повторяемость западных ветров, в то время как северо-восточные и восточные ветры ослабевают, а их повторяемость уменьшается. Поэтому создаваемые ветром гидродинамические условия в прибрежных районах арктических морей в безледный период наиболее благоприятны для развития термоабразии берегов западных экспозиций. Детальный анализ климатических условий показывает, что наиболее длительному и активному гидродинамическому воздействию подвержены берега восточной части моря Лаптевых, западной и центральной частей Восточно-Сибирского моря, а также центральной части Чукотского моря.