В Норильске завершилась вторая зимняя полевая школа по изучению снежных отложений. При поддержке компании «Норникель» объединённая команда студентов Заполярного и Московского государственного университетов провела исследования на территории от Талнаха до Дудинки. На этот раз организаторы привлекли к арктической экспедиции молодёжь. В научную группу в основном вошли студенты младших курсов географического факультета МГУ, кафедры строительства ЗГУ и будущие горняки Политехнического колледжа ЗГУ. Рассказываем, что делали 20 студентов в течение 10 дней, и к каким выводам они пришли.
В этом году всё намного масштабнее
Именно так оценили молодые исследователи результаты экспедиции. Объединенная команда увеличилась в 1,5 раза, но и работы прибавилось. Студентам предстояло провести снегомерные съёмки на застроенных территориях, оценить особенности перераспределения снега, характер снегоотложений в природных ландшафтах и его влияние на температурный режим вечномерзлых грунтов.
«Мы затрагиваем больше районов и делаем больше исследований. Я считаю, что такая масштабность работ связана с востребованностью вопроса, - отметила студентка 3 курса ЗГУ Анастасия Лобанова. - Зачем мы изучаем снег? Без исследования снежных покровов мы не сможем точно определить температуру грунта под снежной массой. Снег оказывает отепляющее действие в зимний период, что приводит к повышению температуры грунта и сезонного оттаивания, а это в будущем может вызвать осадку оснований и фундаментов зданий, построенных на мерзлоте. Это очень актуальный вопрос в нашем регионе».
«Мы используем гораздо более новые технологии, - добавила студентка 1 курса магистратуры МГУ Татьяна Сидорова. - В прошлом году мы отработали специальную методику для того, чтобы корректнее оценивать состояние снегозаносимости в пределах урбанизированных зон Норильского района и в природных условиях тундры».
Научный квест в городской застройке был тщательно спланирован. Используя методы спутникового позиционирования, территории Норильска и Дудинки поделили на зоны, в которых проходили полевые исследования в 2024, 2019 и 1988 годах. Задача – узнать, в каком конкретно месте сейчас складируется снег и какова его мощность.
Вооружившись рулеткой, металлическим щупом длиной 1,7 м, прибором для определения плотности – снегомером и специальным мобильным приложением, студенты измеряли основные параметры: положение, высоту и общий характер каждого снегоотвала. Порой, им приходилось торопиться, чтобы успеть документально зафиксировать сугробы до приезда коммунальных служб Норильска.
«Наблюдается колоссальная уборка. Буквально на наших глазах увозили из города объекты наших исследований, не давая нам ни «отбить» их, ни нарисовать», - призналась Татьяна Сидорова.
Каждый день научного приключения завершался камеральной обработкой данных. Студенты строили профиль на карте ландшафтного районирования, который сделали их предшественники во время летней полевой школы. Затем для каждого ландшафта определяли среднюю высоту и плотность, рассчитывали теплопроводность снежного покрова и термическое сопротивление. В составе объединенной команды зимней школы впервые работал студент-картограф. Его задача – составить так называемые «карты снегоотложений» - важный элемент в процессе изучения мерзлоты.
«Велика актуальность «зимних» топографических карт, хотя они так и не получили достойного распространения. Готовясь к данной экспедиции, я искал тематические статьи по снегомерным исследованиям и их картографированию, и я практически ничего не нашел, - рассказал студент МГУ Дмитрий Шалимов. – Сейчас мы сделаем карту снегонакоплений, т.е. карту «постоянно живущих из зимы в зиму» мощных снегоотвалов. Она позволит нам вывести все участки ослабленной в какой-то степени мерзлоты».
Особо тщательно студенты изучали, на каком расстоянии от соседних зданий находится снегоотвал. Если ширина сооружения составляет 13 метров, столько же свободного пространства должно быть до того места, где складируется снег.
«Если это близко расположенный или причленённый к зданиям отвал, то под этим сооружением оттепление уходит не строго вниз, а в виде груши. Эта «груша» может на какой-то глубине затронуть замороженные сваи. Например, рассчитывали, что там будет 5 кг на один см2 мерзлоты, а стало уже 0,5. То есть мерзлота слабеет, - пояснил доцент МГУ Валерий Гребенец. - Есть данные 1940 года, полученные в ходе изысканий под руководством Николая Васильевича Кима в районе улиц Комсомольской, Завенягина, Ленинского проспекта и Дзержинского. На глубине 10 метров, куда не доходят сезонные колебания, тогда были температуры минус 5 - 6,5 градусов. Сейчас мы там с трудом находим минус 2,5 – 3 градуса. Сваи остались на той же глубине, а силы-то смерзания стали другие. Повысился общий фон, но не столько потому, что в последние 30-40 лет идет тренд к потеплению климата. Он повысился за счет тепловыделения, снегонакопления и повседневной человеческой жизни. Поэтому в геотехнических системах, в городской среде, желательно максимально обеспечить очистку и вывоз снега».
Карта снегонакоплений поможет применить в Норильске и Дудинке методику корректирования снегоотвалов. Если каждый год менять их локацию, то участки мерзлоты, свободные от снега, успеют охладиться, а прочность грунтов усилится.
Технологии родом из Норильска
На геотехнической экскурсии руководители зимней полевой школы на примере конкретных зданий показали студентам, что Норильск имеет весьма контрастную застройку, которая относится к разным историческим периодам. Кардинально отличаются и геологические условия даже близко расположенных друг к другу объектов. Например, под историческим зданием ЗГУ скала находится на глубине 5 метров, а в двух минутах ходьбы, возле гостиницы «Полярная звезда» - на 10 метрах. Гвардейская площадь стоит уже не на скальном основании, а на крупнообломочных грунтах. Есть в Норильске и такие здания, которые лишь частично опираются на скалу, а другая часть объекта нависает на участок между грунтами. Когда в 40-х годах прошлого века начинали застраивать северный город, приходилось одновременно изобретать и уникальные технологии мерзлотного строительства.
«Тогда никто не знал, как возводить здания на мерзлоте, как изучать ее. Поэтому те люди, которые здесь находились, проводили большую научную работу, для того чтобы обосновывать проектные решения строительства. Труды норильских ученых вошли в нормативные документы. Тот опыт, который был получен здесь, использовался в других арктических регионах», - рассказал организатор полевой школы Павел Котов.
«Норильск - уникальное место потому, что многие пионерные решения были получены именно здесь, - отметил Валерий Гребенец, доцент кафедры криолитологиии и гляциологии географического факультета МГУ. - Был разработан индустриальный метод устройства фундаментов. А в 70-е, 80-е годы - буронабивные сваи повышенной несущей способности. Например, под драмтеатром находятся огромные, хорошо проармированные сваи, в которые подавался бетон. Но опять же, бетон должен застывать при положительных значениях температуры, а если мы сделаем прогрев, тогда у нас мерзлота уйдет. Ученые-практики придумали специальные противоморозные добавки, чтобы при минус 2-3 градусах бетон набирал свою прочность. Кроме того, именно в Норильске родилась идея устройства холодных проветриваемых подпольев. Воздух в них выступает, как теплоизолятор, отделяя от поверхности вечной мерзлоты здание, выделяющее тепло. Там нет снега, туда не светит солнце и, оказывается, что под этими объектами с нормальной эксплуатацией подпольев мерзлота укрепляется, силы смерзания увеличиваются».
Исторические факты удивили не только московских гостей, но и норильчан. По словам студента Политехнического колледжа Егора Конева, он никогда даже не задумывался ни о снеге, ни о мерзлоте.
«Для нас, жителей Норильска, снег просто лежит и лежит. Мы никогда не задумывались, как происходит строительство, для чего нужно изучать снег. Оказывается, что это один из важнейших факторов для нашего города. Мы - горные мастера, изучаем структуру горных выработок. То есть мы знаем, как идет разработка месторождения, как с поверхности добраться до рудного тела. И вот эта информация о мерзлых грунтах нам очень пригодится при строительстве технических сооружений, вентиляционных стволов», - признался Егор.
Норильск до сих пор остаётся научной лабораторией под открытым небом. Сейчас здесь реализуется самый масштабный мерзлотный проект в России. С 2023 года ЗГУ и «Норникелю» удалось создать региональную систему фонового мониторинга мерзлоты. Она объединяет 31 геологическую скважину глубиной от 10 до 200 м. Для сравнения, в государственную систему мониторинга мерзлоты в регионе включены только 2 скважины.
В агломерации Норильск-Дудинка действует 11 мерзлотных полигонов, где уже 2 года ведется непрерывный мониторинг температурного режима грунтов. На сервер ЗГУ имени Н.М. Федоровского поступают данные со всех скважин, расположенных, в природных и техногенных условиях. В создании и развитии региональной системы фонового мониторинга мерзлоты непосредственно участвуют студенты Заполярного и Московского государственного университетов.
«Мы располагаем данными 5 метеостанций, которые находятся на территории: двух государственных и трех автоматических. Оценку термометрического сопротивления растительности мы проводим в рамках летней полевой школы, а снегомерную съемку выполнили в этом году. Таким образом у нас есть все необходимые данные для построения математических моделей влияния климата на мерзлоту», - заверил второкурсник Заполярного университета Виктор Журавлёв.
Норильск – остров тепла
Предварительные итоги своих исследований участники зимней полевой школы представили в итоговом отчете. По данным двух метеостанций наблюдается тренд на повышение температуры, начиная с 90х-годов. При этом показатели в разных городах агломерации сильно отличаются. В Дудинке в 2 раза больше снега, чем Норильске, а температуры - более низкие.
«Измерения были проведены на 5 мерзлотных полигонах. Наибольшая температура зафиксирована в районе турбаз в районе Талнаха. Температура воздуха минус 280, а под снегом - минус 6,20. Наименьшее термическое сопротивление характерно для районов Дудинки, где температура воздуха -250, а показатели под снегом -160. Все это свидетельствует о различных условиях снегонакопления на мерзлотных полигонах», - сделал вывод студент 1 курса ЗГУ Максим Тюхтин.
«Исследования показали рост температуры воздуха в Норильске. Кроме этого, здесь образуется «остров тепла», когда в урбанизированных территориях наблюдаются более высокие температуры по сравнению с окружающими природными условиями. Можно увидеть, что наибольшие температуры в городе - возле Зуб-горы. Этот факт на данный момент никак не учитывается в существующих прогнозных моделях», - добавила Анастасия Лобанова.
Участники зимней полевой школы впервые попытались учесть влияние на мерзлоту снега – столь «нестабильной системы, которая то исчезает, то появляется». В этом году в Норильске более снежная зима, чем в прошлом. Снегоотвалы стали выше, шире, длиннее и порой достигают 5-6 м, тогда как год назад средние значения были около 3 метров. Однако, даже в таких условиях молодые исследователи отметили положительные тенденции.
«Очень хорошо почищены подполья зданий и протоки. Это очень важный момент. Нужно держать план и продолжать в таком же духе. И я думаю, тогда мы сможем стабилизировать ситуацию в Норильске, и все будет хорошо в этом городе», - сделала прогноз Татьяна Сидорова.
75% изученных снеготвалов немного смещены по отношению к прошлогодней локации, что тоже способствует укреплению грунтов. Построив прогнозную модель, студенты показали, как довольно просто снизить отепляющее влияние снега на мерзлоту.
«Мы видим на этой схеме снегоотвал мощностью примерно 3,5 метра, который находится на большем расстоянии, чем ширина здания. В результате анализа было выявлено, что отепляющие свойства отвала никак не повлияют на сохранность фундамента. Обратите внимание, что наибольшее воздействие наблюдается не на поверхности, а возрастает с глубиной. Все мы знаем, что большая часть зданий построена на свайных фундаментах и главное для них - это боковое смерзание с мерзлотой. Если сбоку будет проникать дополнительное растепление от снегоотвалов, расположенных близко к зданию, устойчивость свайных фундаментов снизится в разы, – пояснил студент МГУ Александр Епишин.
Молодые учёные также рекомендовали обратить внимание на район горы Отдельная, где сейчас строится горнообогатительный комбинат – «там лавины только так могут сходить». Чтобы нивелировать опасные для людей и компаний последствия природного процесса, нужно увеличить количество противолавинных сооружений. По словам докладчиков, точно учесть и «загнать» воздействие снежных масс в прогнозные модели пока не получается. Но эта задача им по силам.
«Я думаю, что благодаря нашим совместным исследованиям мы сможем приблизиться к ее полному разрешению. Студенты обладают достойными компетенциями, чтобы попробовать создать собственные модели и внедрить в вашу систему мониторинга с учетом города, который оказывает влияние практически во всем Норильском промышленном районе», - подытожила магистрант МГУ Татьяна Сидорова.
Глобальное значение полевой школы
После завершения докладов мы попросили экспертов оценить итоги очередной совместной полевой школы ЗГУ имени Н.М. Федоровского и МГУ имени М.В. Ломоносова.
Павел Котов, директор научно-исследовательского центра технологий строительства и мониторинга зданий и сооружений Арктики ЗГУ:
«У нас все взаимосвязано. Если на летние полевые школы мы ездим чтобы там проводить геофизические, геокриологические исследования, то зимняя школа нацелена на поведение снегомерных работ. Мы увидели, что термическое сопротивление снежного покрова на полигонах абсолютно разное, из-за этого у нас температурный режим грунтов сильно отличается. Исследования показали, что этот фактор оказывает определяющее влияние и его необходимо учитывать. Собственно, обработкой этих данных мы и займемся, и будем строить наши математические модели.
Так как у нас теперь есть снегомерные съемки, которых нам не хватало, то уже в этом году будут сделаны модели для разных мерзлотных полигонов. Пока что нам нужны данные температурного режима для того, чтобы верифицировать наши модели. Чем больше у нас данных, тем более точными будут наши прогнозы».
Денис Шмелев, директор Центра мониторинга зданий и сооружений Заполярного филиала «Норникеля»:
«Сейчас мы услышали доклад, потом мы получим отчет о выполненной работе, который будет содержать синтезированную информацию по наблюдениям, которые мы выполняли. Можно будет сравнить с прошлым годом, дополнить те регулярные наблюдения, которые выполняются в рамках фонового мониторинга, что позволит оценивать отклик природных систем на имеющиеся изменения климата. Соответственно, мы можем говорить о скорости реакции, какие процессы у нас происходят с вечной мерзлотой. В дальнейшем это позволит нам проводить научные исследования, давать долгосрочные прогнозы, и участвовать в прикладных проектах, когда будут планироваться какие-то глобальные работы по строительству новых объектов, чтобы мы понимали в целом, что нас может ждать в этих природных условиях через 10, 20 или 50 лет.
Наверное, здесь самое главное – это преемственность и постоянство. Это становится некой традицией, именно школой в классическом научном понимании, когда есть сложившийся коллектив преподавателей, устоявшиеся подходы, объекты, методы, которые постоянно совершенствуются и передаются ученикам. Молодое поколение овладевает этими знаниями, навыками. И хотелось бы, чтобы эта преемственность продолжалась как раз на базе ЗГУ, потому что это университет, который непосредственно расположен здесь. Кому, как не им все знать и привлекать других заинтересованных исследователей. Конечно же, очень ценно, что привлекается Московский государственный университет. Геологический и географический факультеты МГУ, по сути дела, воспитывают уникальных специалистов по мерзлоте. Долгое время они готовились только там, сейчас и ЗГУ подключился. Поэтому, прежде всего, хотелось бы сделать упор на преемственность, которая продолжается».
Аркадий Тарасевич, проректор по научной работе и международной деятельности ЗГУ:
«Мы здесь не изобретаем велосипед, можно взять для примера Свальбардский международный университет в Норвегии. Университетский центр расположен на Шпицбергене, где также достаточно удаленная территория, еще более северная, чем Норильск. Самое северное в мире учебное заведение именно по такому принципу строит и образовательную, и научно-исследовательскую деятельность. Когда с материка - из Норвегии, из Европы - приезжают ученые из больших университетов и на месте исследуют объекты, которые на большой земле им недоступны. В Москве мерзлоты нет, она в Норильске. Поэтому подход фундаментальной академической науки в сочетании с полевыми исследованиями – это то, что дает как раз наилучшие результаты и для студентов, и для города, и для компаний».
Фото: Константин Жиганов, Николай Щипко.