Мерзлотные кладовые таблицы Менделеева
Тезисы доклада академика В.П. Мельникова на Международной научной конференции «Д.И. Менделеев и его вклад в развитие мировой науки»
В день прощания с учителем, сотрудник Дмитрия Ивановича, профессор Коновалов произнес такие слова: «В тумане невидимых атомов ты ярко осветил стройную систему элементов. Всё выдающееся, всё необычайное в природе неудержимо влекло к себе твой ум. Будь ли это солнечное затмение, полярные льды, тайна ли происхождения нефти или наконец сам мировой эфир…».
С постепенным отходом от серьезных занятий химией во второй половине жизни Дмитрий Иванович, вступая в новую для себя область работы, быстро в ней ориентировался и не оставался новичком, основательно познавая данную область.
Менделеев говорит о себе: «Сам удивляюсь чего только я не делывал на своей научной жизни, и сделано, я думаю недурно».
На сколь сложные задачи решался Дмитрий Иванович в новой для себя области говорит и его докладная записка его превосходительству Сергею Юльевичу Витте: «Об исследовании Северного Полярного океана» от 14 ноября 1901 года, т.е. когда Менделееву уже было 67 лет. И он готов был не только возглавить экспедицию к Северному полюсу, но и остаться на зимовку в случае затруднений и проводить исследования. Он считал усилия Пири, Нансена и других исследователей проникнуть к полюсу на лыжах и на собаках «почтеннейшим из видов спорта, но не могущих доставить никаких практических результатов. Победить полярные льды надобно и особенно желательно для прямой промышленной пользы человечества, в такой же, по крайней мере, как и для торжества знаний…».
Читая столь обстоятельное обоснование беспримерного похода к Северному полюсу задаешься вопросом об источниках знаний Дмитрия Ивановича о ледовой обстановке, климате, водных и воздушных потоках в Арктике.
Очевидно, что десятки томов отчетов публиковавшихся в мире в течении 7 лет после окончания Первого международного полярного года (1882-1883 гг.) не просто знакомы Дмитрию Ивановичу, а положены им в обоснование экспедиции.
В программу первого МПГ входили детальные метеорологические и магнитные измерения, а также гидрографические, гидрологические, ботанические, зоологические и геологические наблюдения. В соответствии с Программой в Арктике были развернуты 12 научно-исследовательских станций, две из которых российские - Саластырь в устье р. Лены и на западном берегу южного острова Новой Земли.
В силу обстоятельств датские и голландские ученые вынуждены были дрейфовать на двух судах и получить новые данные для науки о дрейфе судов, характеризующие схему течений и движения льдов. Опыт организации работы на дрейфующем льду был использован Нансеном во время экспедиции на судне «Фрам» а позже советскими станциями СП.
Дмитрий Иванович в записке С.Ю. Витте в P.S. пишет: «Если бы я имел возможность организовать совершенно вновь, все сначала , полярную экспедицию (на три года по указанному плану), то построил бы легко (как «Фрам») поворотливый, паровой ледокол не в 8 тыс.т. на 10 тыс. сил, как у Ермака, а всего лишь в 2-3 тыс.т. и на 3-4 тыс. сил, с сильным стальным остовом и креплением с двойною обшивкою из стали снаружи и из дерева внутри, стоимостью примерно в 500 тыс.руб. при нефтяной топке».
Другим источником информации конечно был друг Дмитрия Ивановича шведский исследователь Арктики Н.А.Э. Норденшельд, который первым в 1878-1879 гг. на «Веге» прошел Северо-Восточным проходом из Атлантического океана в Тихий океан (с зимовкой).
Из воспоминаний С. Витте явствует разногласие между адмиралом С.О.Макаровым и Д.И. Менделеевым по поводу маршрута экспедиции на Ермаке из Петербурга к Сахалину. Макаров отстаивал маршрут вдоль побережья России, а Менделеев через Северный Полюс. Разногласие оказалось столь сильным, что экспедиция состоялась без Менделеева, а оба этих великих человека с тех пор больше не встречались. К сожалению планы, ни тот ни другой, не были реализованы, а Дмитрий Иванович углубился в конструкцию нового ледокола, в составление программы нового плавания, обоснованного в записке к Витте в 1901 году.
Из заметок Дмитрия Ивановича в эти годы видно, что он так был заинтересован в широких исследованиях в экспедиции на Ермаке, что даже после конфликта с Макаровым он рекомендовал взять вместо него другого великого ученого геолога-почвоведа В.В. Докучаева, к тому времени всемирно признанного основателя науки почвоведения. Однако и это предложение не прошло. Дружба и сотрудничество с В.В. Докучаевым еще одно свидетельство глубины знаний Дмитрия Ивановича в науках о Земле и о полярных странах.
Известно, что еще 1883 году защита докторской диссертации В.В. Докучаевым о русском черноземе привлекла исключительное внимание ученых кругов Петербурга. Были и противники учения о черноземе, готовящиеся зарезать работу. Оппонентом выступил учитель Докучаева геолог А.А. Иностранцев и Д.И. Менделеев. Как пишут И. и Л. Крупенниковы, Менделеев среди петербургских ученых того времени считался особенно серьезным оппонентом, на диспутах он был грозой магистрантов и докторантов, которых часто ставил в тупик неожиданностью и оригинальностью своих возражений. Менделеев был полностью на стороне соискателя и высоко оценил его работу. Позже, в 1895 году Дмитрий Иванович знакомится с рядом других работ Докучаева. Он писал: «С огромным интересом прочел я Ваш ряд статей о почвоведении и бактериологии, это вклад за который Вам скажут спасибо в настоящем и будущем практически все люди земли и государственники. Итак, земля - труп в сказаниях, а у нас она кормилица - живая…».
Следует упомянуть и о том, что огромное влияние на Докучаева оказал князь П.А. Кропоткин – знаменитый русский революционер, геолог и географ, создавший величественную гипотезу о последовательных оледенениях, о ледниковом происхождении большинства поверхностных отложений великой русской равнины и автор термина «вечная мерзлота» введенным им в 1864 году.
Интересно как это могло преломиться в голове Дмитрия Ивановича, много работ посвятившего метеорологии, инструментам для измерения давления и температуры и поднявшимся на 3,5 км. на аэростате для измерения температуры верхних слоев атмосферы. Он повторяет, что «закон нормального распределения температуры в атмосферных слоях следует изучить, узнать и понять, а без того наши метеорологические выводы останутся суждениями краба, ползающего по дну морскому и здесь решающего вопросы морских бурь и изменений».
«В слоях отдаленных от земли, должно искать те места где образуется большинство метеорологических явлений земной поверхности» (т.е. в криосфере).
Менделеев различал учение о климате и о погоде. «Непосредственное влияние солнечных лучей на дальнюю местность и близкие к ней места определяет то, что называют климатом…Совсем иное дело погода, в тесном смысле это отступление от климата, от средних относящихся к данному месту, дню и часу».
И наконец в работах по расширению газов находим «С другой стороны идя от центра (земли) к поверхности, давление уменьшается, а вместе с тем газы и пары расширяются, а от того охлаждаются. Так на высоких горах господствует и под экватором вечная зима». Не это ли истоки учения о вечной мерзлоте в горных странах. В одном сообщении трудно даже рассказать о всем том, что находишь у Д.И. Менделеева относящегося прямо или косвенно к криосфере Земли. Недаром на выпущенной недавно серебряной монете в 100 рублей как бы впамять о великих трудах Дмитрия Ивановича рисунками изображены те области знаний, которые занимали его ум и время – воздухоплавание, нефтяное дело, метеорология, караваны судов с ледоколом, движущемся по Северному морскому пути, промышленность, люди, природа и животный мир Крайнего севера России и конечно система химических элементов.
Приведенных сведений мне кажется достаточно, чтобы отнести Д.И. Менделеева к ученым внесшим серьезный теоретический и практический вклад в становление и развитие учения о криосфере Земли. На этом основании и в память о гении рассказать вкратце о том, как сегодня мы хозяйствуем в Арктике и какие копья ломаются в борьбе за арктические ресурсы.
Со сменой крупнейших в истории Земли ледниковых эпох и межледниковий разной продолжительности и интенсивности, связывают и биотические перестройки. Как известно тренд потепления с градиентом 0,6…0,7° за сто лет наблюдается уже второе столетие, но при этом лишь за последнее десятилетие в результате наложения климатических флуктуаций разной продолжительности средняя температура воздуха повысилась на несколько десятых градуса.
Однако в последние годы благодаря журналистам и политикам проблема изменения климата стала больше спекулятивной, чем научной, а катастрофическое потепление кажется вопросом ближайших десятилетий или уж точно к концу XXI века. Обращаю ваше внимание на книгу, вышедшую в США в 1976 году, «The Cooling», в которой тридцать с небольшим лет назад очень убедительно "доказывалась" неизбежность ледникового периода. В Калифорнии стало жить неуютно из-за уменьшения количества солнечных дней, частых холодных туманов. Появилась тяга к переезду в более теплые районы. Следующая книга – А. Гора [2007], за которую он получил Нобелевскую премию – с еще большей убедительностью "доказывает" грядущее потепление, хотя российский Север ещё не прогрелся до уровня пика тепла, который наблюдался в 1935-1942 гг. То есть даже за жизнь одного поколения людей пришлось два потепления и одно похолодание с продолжительностью 35-40 лет каждое. Современное потепление сделало более доступными Арктические моря, а геологи показали, что Арктика самый богатый углеводородами регион. И моментально возобновились старые территориальные притязания. Книга «Ледовое побоище» [2009] рассказывает, как накаляются страсти в борьбе за доступ к нефти и газу Арктики, а расхожие легенды современного глобального потепления комментируют специалисты.
Если борьба за новые субаквальные месторождения газа и нефти еще впереди, то Арктическая суша осваивается уже несколько десятков лет. Для нашей страны, 2/3 территории которой находится в криолитозоне, а из 10 основных Российских нефтегазовых провинций 9 целиком или частично расположены на мерзлоте, научный подход к проблемам климата и реакции на его взаимодействие с криосферой – вопрос не конъюнктуры, а рационального хозяйствования и выживания.
Экологическая ранимость северной природы значительно выше, чем в немерзлых районах, а экономическая деятельность человека часто вызывает необратимые катастрофические изменения окружающей среды. В то же время сбережение и разумное использование многообразных природных особенностей северных территорий позволяет говорить о зоне вечной мерзлоты (о криолитозоне) как о своеобразном криогенном ресурсе общества. Это и особые ландшафты, сохраняющие уникальные виды растительности и животных, это и специфические формы рельефа, которые невозможно встретить нигде, это многометровые слои подземного льда – колоссальный запас защищенной от загрязнения пресной воды. Это возможность создания природных холодильников – хранилищ генофонда. Это и сама толща вечной мерзлоты – мощный водоупор, который задерживает у поверхности малообильные осадки Якутии и Забайкалья, не давая этим местам превратиться в пустыню, водоупор, который оберегает подмерзлотные источники водоснабжения и в тоже время не дает изливаться на поверхность подмерзлотным рассолам, который может служить прочным, как скала основанием для зданий и сооружений.
Аномально теплыми оказались 2007-2008 годы, и вот как на это прореагировала вечная мерзлота и ландшафты в целом: активизировалось криогенное растрескивание и усилился рост повторно-жильных льдов; увеличилась пучинистость грунтов; активизировались процессы термокарста и термоденудации; увеличилось количество криогенных оползней и интенсифицировалась солифлюкция; увеличились темпы термоэрозии и оврагообразования; резко увеличились площади выгорания бореальных лесов с последующей трансформацией ММТ; разрушаются льдистые берега (скорость отступания берега до 15 м/год вместо обычных 0,5-2 м/год).
Эти естественные процессы на огромных территориях усиливаются хозяйственной деятельностью человека, особенно при строительстве линейных сооружений большой протяженности.
Очаговый характер освоения начинает сменяться фронтальным. Растет аварийность геотехнических систем: криогенные факторы являются причиной 23% отказов технических систем и 29% потери добычи.
В конце XX века по-настоящему произошла смена парадигмы в отношении к криолитозоне. По существу, тогда заговорили о криогенных ресурсах, подразумевая под этим компоненты природы, формирующиеся и развивающиеся под действием криогенных процессов, либо сохраняющие или обретающие в криогенных условиях качества и свойства, которые используются или могут быть использованы человечеством. Примеры могут быть из самых разных отраслей: многие россыпные месторождения, включая золото и алмазы, формируются под действием криогенных процессов в деятельном слое, т.е. в слое сезонного промерзания и оттаивания грунтов; с конца XVIII века ведется промысел мамонтовой кости, залежи которой связаны с плейстоценовыми отложениями и обнажаются в долинах рек и побережий северных морей и озер; наконец, мерзлота – хранилище биологических объектов прошлого.
Всем известна находка на Алтае прекрасно сохранившейся в мерзлоте мумии принцессы Пазырыкской культуры ~ 2500-летней древности. На монгольском Алтае найдены погребения еще более древних культур.
Бореальные леса Якутии существуют благодаря тому, что вечная мерзлота являясь водоупором, обеспечивает достаточное количество влаги в деятельном слое за счет осадков текущего теплого периода. Границы мерзлоты и бореальных лесов в основном совпадают. Мерзлота является регулятором плавного газообмена Земли с атмосферой. Сведение леса приводит к усиленной эмиссии метана в результате оттаивания мерзлоты или увеличения сезонноталого слоя.
Нельзя не упомянуть о том, что главные реки России впадают в Северные моря, т.е. на огромном протяжении протекают в криолитозоне. Их полноводность во многом определяется тем, что атмосферные осадки в пределах их бассейна не просачиваясь глубже мерзлого водоупора в основном попадают в реки. Обь, Енисей и Лена входят в 8 крупнейших рек мира по площади бассейна, а Енисей и Лена, в основном протекающие по криолитозоне, – и по годовому стоку.
С конца 40-х годов XX века – времени интенсивного строительства на мерзлоте, криогенный потенциал – атмосферный холод стал использоваться для температурной стабилизации грунтов оснований фундаментов с помощью сезонно-действующих охлаждающих установок и систем.
Особо ценный криогенный ресурс заключен в газовых гидратах – углеводородном сырье будущего. Количество метана в газогидратах сорок лет назад преувеличивалось, но добытые за это время знания об условиях гидратообразования и их распространения позволяют утверждать, что газа в газогидратах минимум столько же сколько и свободного природного газа, но скорей всего в 1,5-2,0 раза больше.
Районы криолитозоны могут стать прекрасным хранилищем антропогенных газов в частности CO2. Закачиваемый на глубину углекислый газ в зоне соответствующих давлений и температуры превратится в газогидрат и в таком состоянии может находиться неопределенно долго.
Новая страница в исследовании криогенных ресурсов – открытие способности микроорганизмов сохранять жизнеспособность в течении сотен тысяч, миллионов лет в экстремальных условиях. Простейшие жизнеспособные микроорганизмы в мерзлоте начали изучаться в 70-х годах XX века, а в последние годы СО РАН ведется проект по древней жизнеспособной микробиоте криосферы и проводятся исследования по воздействию реликтовых микроорганизмов на современные биосистемы. Бактерии найденные в плейстоценовых отложениях на мамонтовой горе на р. Алдан в Южной Якутии оказались ранее неизвестными науке. Продукты их жизнедеятельности благоприятно сказываются на современных макроорганизмах: эксперименты на мышах и дрозофилах дали удивительные результаты. Растет мышечная масса, продлевается детородный период, растет средняя продолжительность жизни. В целом зафиксировано позитивное воздействие на иммунную систему.
Энергия фазовых переходов – выделение тепла при кристаллизации воды и поглощение при таянии – мощный регулятор климата. Наконец, многие красоты Севера связаны с криогенными ландшафтами, мощными пластами льда, ледовыми островами причудливой формы.
Если рассматривать геологический масштаб времени, то мы сейчас живем в эпоху очередного похолодания, последовавшего после климатического «оптимума» голоцена, закончившегося около 6-7 тыс. лет назад. Глобальная температура воздуха в тот период была выше современной на 1°С, а площадь сплошного распространения многолетнемерзлых пород была меньше на четверть.
Метеорологические данные показывают, что последенее т.н. "глобальное потепление" климата на Земле, начавшееся в 1960-1970-х годах, наиболее отчетливо было выражено в субарктических и умеренных широтах. Наибольшая скорость потепления климата приходилась на 1980-е годы. В России центрами потепления в ХХ веке являлись Центральная Якутия и Забайкалье, а на Европейской части России и на Дальнем Востоке темпы потепления были низкими.
Данные геокриологического мониторинга свидетельствуют о возникновении современной тенденции к повышению температуры мерзлых грунтов на севере России.
Для периферии Ледовитого океана установлено, что изменение темпов разрушения берегов обладает цикличностью, но существенного тренда не имеет. Все современные аномалии разрушения берегов синхронны гидродинамике моря и ледовитости.
Криогенный ресурс, впрочем как и многие другие виды ресурсов, крайне опасен, если в зону вечной мерзлоты вторгнуться без соответствующих знаний. Верхние горизонты мерзлой толщи могут начать таять и разрушаться, уничтожая местообиталища уникальной растительности и животных. В оттаявшем древнем грунте могут ожить неизвестные микробы и бактерии. Через заброшенные шахты начнут вытекать глубинные рассолы. Оттаявшее из-за неправильного расчета основание разрушит возведенное здание. А вся поверхность девственных северных тундр с их красотами превратится в страшный бэд-ленд.
