19 авг. 2025 г.
В глубине северных широт России, среди суровых ландшафтов Красноярского края и арктических территорий, разворачивается малозаметная, но критически важная история. История о том, как вечная мерзлота — одна из самых стабильных и одновременно хрупких природных систем — начала меняться. Учёные из Института леса имени В.Н. Сукачева СО РАН не только следят за этим процессом, но и предсказывают, как он будет развиваться. Эти исследования могут войти в число ключевых направлений научно-производственного кампуса, который планируют создать в красноярском Академгородке. Специалисты разрабатывают уникальные технологии для мониторинга, моделирования и прогнозирования этих процессов, опираясь на междисциплинарный подход и спутниковые данные. Об этом рассказывает Евгений Пономарев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН.
Зачем знать, как ведет себя мерзлота
Стабильность мерзлотных почв — один из ключевых факторов, обеспечивающих устойчивость экосистем и инфраструктуры в северных регионах. Однако эта стабильность всё чаще оказывается под угрозой. Она напрямую зависит от климата, который, в свою очередь, стремительно меняется. В Арктике и Сибири теплеет быстрее, чем в среднем по планете. Та часть мерзлоты, что годами оставалась неподвижной и служила своеобразным «фундаментом» для всей территории, всё чаще реагирует на потепление, увеличивает сезонный талый слой, теряет устойчивость. При этом активно осваивается территория: расширяются промышленные участки, ведётся добыча полезных ископаемых, строятся инфраструктурные объекты. Всё это дополнительно нагружает хрупкие природные системы.
Двойная нагрузка природных и антропогенных факторов грозит нарушением природного баланса и разрушением инфраструктуры. Если верхние слои мерзлоты начинают таять, промышленные площадки, дороги и посёлки, построенные на вечной мерзлоте, начинают испытывать всё больше проблем: появляются просадки, деформации, трещины.
На фоне роста техногенного освоения арктических территорий и климатических трендов последних лет, становится критично важно научиться прогнозировать поведение почв в зонах многолетней мерзлоты.
Кто и как предсказывает поведение криолитозоны
Понять, как ведёт себя вечная мерзлота под действием климата и человека, — это один из сложных вызовов для науки. Проект, который ведут ученые Института леса имени В.Н. Сукачева СО РАН при поддержке Российского научного фонда (№ 23-14-20007) и Красноярского краевого фонда науки, объединяет специалистов из разных направлений: экологи, климатологи, теплофизики, программистов и специалистов по дистанционному зондированию Земли и геоинформационным системам. Их цель — научиться не просто фиксировать изменения, но и строить надёжные прогнозы: где мерзлота уже теряет устойчивость, какие зоны наиболее уязвимы, и где риски станут критическими в ближайшие годы.
Работа строится на сочетании трех ключевых компонентов: спутниковые снимки, наземные обследования и численное моделирование. Один из важнейших инструментов в руках учёных — это спутниковые данные. Благодаря технологии дистанционного зондирования с орбиты можно наблюдать огромные территории, фиксировать изменения характеристик почвы и растительности. На их основе разрабатываются технологии картографирования и мониторинга ландшафтных изменений. Оцениваются спектральные индексы, отражающие нарушенность растительного и почвенного покрова, а также анализируются временные ряды этих показателей, позволяющие понять, насколько сильна трансформация ландшафта в результате деятельности человека.
Другая важнейшая часть работы разворачивается непосредственно на земле. Учёные проводят замеры, собирают данные о температуре и влажности почв на разных глубинах, теплофизических и диэлектрических свойствах почвенных горизонтов. Отдельным блоком выполняются работы с применением средств подповерхностного георадарного сканирования пробных площадей и выявления двух- и трёхмерной картин залегания мерзлотных слоёв на участках различной степени антропогенной нарушенности. Это нужно для калибровки результатов дистанционного зондирования — без неё спутниковые наблюдения теряют точность и информативность. Весь комплекс получаемых данных объединяется в моделях, которые рассчитывают тепловой режим почв в разных сценариях. Всё это помогает не просто оценивать текущее состояние арктических ландшафтов и почв, но и понимать, моделировать, прогнозировать, оценивать потенциальный ущерб и уязвимость будущих проектов на этапе планирования.
«Нашим коллективом зарегистрировано уже восемь патентов, четыре программных продукта и четыре базы данных. Разработаны методы картирования почвенного профиля на основе съемки в инфракрасном диапазоне, классификации по тепловому состоянию, оценки степени трансформации ландшафтов. И главное — все эти технологии применимы на практике. Удалось сформировать полноценный банк данных состояния и теплофизических характеристик почв по зонам многолетней мерзлоты, прежде всего в пределах Красноярского края и арктической Сибири. Он пополняется и калибруется каждый год и будет расширяться дальше на основе продолжающихся наземных экспериментов. Такой массив информации позволяет прогнозировать последствия изменений заранее, принимать корректирующие решения до начала строительства или эксплуатации объектов и, самое главное, способствовать сохранению устойчивости территорий в условиях всё более нестабильного климата. Значительная часть работы уже автоматизируется: на основе собранных данных обучаются алгоритмы машинного анализа спутниковых снимков. Это значит, что в будущем мониторинг состояния ландшафтов и мерзлоты сможет вестись в полуавтоматическом режиме — быстро, масштабно и без потери точности. А это, в свою очередь, позволит принимать управленческие и инженерные решения», — отмечает Евгений Пономарев.
Что показали многолетние наблюдения
За последние годы специалисты накопили уникальную базу данных по мониторингу криолитозоны. С помощью современных технологий сбора информации, новейшей приборной базы и численных моделей, разработанных в институте совместно со специалистами-теплофизиками, удалось построить сценарии изменения состояния сезонно-талых слоёв почвы и ландшафтов в условиях различной степени техногенной нагрузки.
Выявлены закономерности в распределении тепловых потоков и температурных аномалий в почвенных профилях в зависимости от уровня промышленного воздействия на ландшафт. Один из ключевых выводов: на участках, где растительный покров деградирует, глубина сезонного протаивания возрастает вдвое по сравнению с фоновыми территориями. Это и есть последствия нарушений естественного теплообмена, ускоряющие деградацию мерзлоты.
Использование дистанционного зондирования позволило отслеживать сезонные колебания спектральных индексов, включая вегетационный индекс, и привязывать эти данные к степени трансформации ландшафта. Например, в промышленных районах Норильска заметно, что сезонные колебания сильно зависят от уровня техногенной нагрузки. Это даёт возможность не только фиксировать изменения, но и оперативно реагировать на них с учётом вероятного риска для техногенных объектов и инфраструктуры.
На основе полевых и дистанционных данных ученые обнаружили, что на участках с нарушенным растительным покровом глубина протаивания вдвое выше нормы. Были выявлены закономерности тепловых потоков и изменчивости температуры почвы в зависимости от уровня техногенной нагрузки. Построенные сценарии показали, до 40% обследованных техноплощадок в криолитозоне могут попасть в зону критического риска при определённых климатических траекториях. Эти модели хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями и позволяют прогнозировать, как изменится состояние мерзлотных слоёв под влиянием инфраструктурных объектов и при различных климатических сценариях.
«Практическая ценность таких моделей в том, что они позволяют не только предсказывать глубину сезонного протаивания, но и оценивать уязвимость конкретных объектов — дорог, зданий, трубопроводов. Например, можно заранее выяснить, как изменится тепловой режим почвы после начала эксплуатации карьера, и какие инженерные решения понадобятся, чтобы минимизировать риски. Прогнозы выполняются как на уровне локальных участков, так и в масштабах целых территорий и промышленных зон. Модели позволяют с высокой степенью точности предсказывать, как изменится глубина протаивания в зависимости от характера внешней нагрузки — будь то строительство дороги, буровой площадки или складского комплекса. И, что особенно важно, позволяют оценивать обратное влияние: как сами эти сооружения могут пострадать от разрушающегося мерзлотного «фундамента», — поясняет ученый.
Отдельное внимание уделяется вопросам рекультивации и восстановления ландшафтов после промышленного вмешательства. Дистанционные методы и алгоритмы позволяют отслеживать эффективность рекультивации — фиксировать, где восстановление идет успешно, а где процесс затормозился. Этот процесс также рассчитывается по сезонным колебаниям спектральных индексов, давая количественные оценки, когда и какими темпами участок восстанавливается и насколько эффективно. Одним из неожиданных выводов этих исследований для ученых стало то, что сохранение микрорельефа после добычи ископаемых, например, невыравнивание отвалов, способствует восстановлению растительности в отличие от традиционного выравнивания, которое не всегда позволяет формироваться условиям естественного восстановления. Дистанционный мониторинг показывает: в таких условиях участки быстрее возвращаются к состоянию устойчивости.
Взгляд в будущее
Сегодня в распоряжении учёных находится мощный инструментарий анализа процессов в криолитозоне: от дистанционных алгоритмов до численных моделей. Эти технологии уже позволяют оценивать масштабы изменений в мерзлотных ландшафтах, прогнозировать их последствия и вырабатывать рекомендации по рациональному природопользованию и восстановлению экосистем.
Следующий шаг — создание полнофункционального сервиса экологического мониторинга и прогнозирования в условиях многолетней мерзлоты. Этот инструмент призван объединить данные дистанционного зондирования, подповерхностного георадарного сканирования, численного моделирования и наземных наблюдений в единую систему, доступную как для научного сообщества, так и для промышленных компаний, надзорных органов и экологических экспертиз. При этом речь идет не только об исследовании природных процессов, а о выработке механизмов, позволяющих сохранить баланс между промышленным освоением северных территорий и поддержанием их экологической устойчивости.
«Наблюдения за мерзлотой — ныне необходимый инструмент для устойчивого развития северных территорий. Работы ученых интересны не только научному сообществу, но и промышленным компаниям. Комплексные обследования помогут предприятиям оценить экологические риски, связанные с работой в криолитозоне, и наметить пути снижения ущерба. Основная задача ближайших лет — развертывание сервисов экологического мониторинга и прогноза долговременных эффектов воздействия на мерзлоту. Это требует развития приборной базы, увеличения пропускной способности станции спутникового приёма, модернизации оборудования. Кроме того, необходимо усилить инфраструктуру коллективного пользования и расширить штат исследовательских групп. Спрос на такие решения будет расти. И не только в Красноярском крае. Переход к устойчивому освоению Севера невозможен без понимания процессов, происходящих под ногами. А значит, наука о мерзлоте становится не просто актуальной, а стратегически важной для будущего», — отметил Евгений Пономарев.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Личный кабинет