Озёра, будучи важным элементом гидрографической сети, образуются путём заполнения отрицательных форм рельефа водными массами. В полярных и приполярных регионах озера зачастую подпружены снежными или ледовыми естественными плотинами. В связи с этим, для большинства водных объектов характерны прорывы и формирование катастрофических паводков. Если для горных водоёмов этот механизм в большей или меньшей степени изучен, то, применительно к равнинным озёрам арктических (антарктических) и субарктических (субантарктических) климатических зон, он исследован крайне слабо. В то же время, в связи с зарегистрированными климатическими изменениями [Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата…, 2014] катастрофические гидрологические явления не только в этих регионах, но также и в более низких широтах, вероятнее всего будут происходить всё чаще и чаще. На это прямо или косвенно указывает колоссальное количество научных работ, из которых Авторы приведут лишь наиболее современные [Вилесов, 2018; Михаленко, 2018; Махинов и др., 2018; Смахин, 2018; Santer et al., 2018; Sévellec & Drijfhout, 2018]. В работе [Золотокрылин и др., 2018] убедительно показано, что территории «неблагоприятной зоны» и «очень неблагоприятной зоны» (климатически дискомфортные) с течением времени будут сокращаться, а их южные границы в северном полушарии всё дальше и дальше отодвигаться на север.
Актуальность проведения работ в Южной полярной области обусловлена тем, что именно здесь процессы глобального потепления проявляются в большей степени. Это связано с наличием большого количеством снежников и ледников, оказывающих значимое влияние на режим гидрологических объектов. За последнее время отмечено, что периодические прорывы озёр, происходящие в силу вышеуказанных причин, становятся всё более и более масштабными. В качестве примера можно привести недавний (январь 2017 г.) прорыв внутриледникового озера в районе станции Прогресс (Земля Принцессы Елизаветы, Восточная Антарктида). Образовавшийся при этом паводок разрушил дорогу, соединяющую отечественную и зарубежные станции и полевые базы с аэродромом [Popov et al., 2017]. Через год, в конце января 2018 года, случился аналогичный прорыв системы озёр Разливное и Глубокое, которые располагаются в непосредственной близости от отечественной полевой базы Молодёжная (Земля Эндерби, Восточная Антарктида). Несмотря на то, что паводок носил меньший масштаб в результате прохождения потока было снесено несколько металлических опор эстакады. Кроме того, нельзя не упомянуть о прорывах озёр оазиса Ширмахера с которыми исследователи столкнулись ещё со времён строительства станции Новолазаревская. В целом водные объекты, расположенные в окружении объектов инфраструктуры, образуя единую гидрологическую систему, имеют свойство прорываться друг в друга. Так, например, озера: Верхнее, Смирнова, Поморника, Южное и Станции сбрасывают излишки водных масс в озеро Глубокое, что в последующем может стать причиной его катастрофического опорожнения. Авторы полагают, что изучение процессов прорыва антарктических водоёмов позволит не только лучше понять гидрологический режим озёр оазисов, но и распространить полученный опыт на аналогичные процессы, которые будут происходить в Арктике, в частности на территории нашей страны, в недалёком будущем.
Помимо этого, актуальность научных работ, предлагаемых в настоящем Проекте, определяется исследованиями механизмов катастрофических сбросов озёрных вод, факторов, влияющих на формирование этого процесса, и масштабов распространения явления в районах оледенения, что входит в задачи, решаемые достаточно новым и весьма перспективным в современной науке направлением – субгляциальной гидрологией. Выявление и систематизация прорывоопасных озёр, а также прогноз объёмов паводков тесно связаны с обеспечением безопасности людей и транспортной техники при осуществлении логистических операций. В частности, согласно распоряжению Правительства РФ от 19.04.2018 №699-р, это одни из приоритетных задач Российской антарктической экспедиции (РАЭ). Задачи развития технологий «мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения», а также «предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» отражены в Перечне критических технологий Российской Федерации (Указ Президента РФ №899 от 07.07.2011 «Об утверждении Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и Перечня критических технологий Российской Федерации»). Аналогичные задачи также отражены и в «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утверждённой Указом Президента РФ №642 от 01.12.2016.
Предлагаемый Проект по сути является мультидисциплинарным и объединяет в себе по меньшей мере три направления: субгляциальную гидрологию в качестве ведущего тематического направления, гляциологию и субгляциальную геоморфологию. При этом изучение будет осуществляться не только гидрологическими, гляциологическими и геоморфологическими (морфометрическими) методами, но и методом георадиолокации.
Цель настоящего Проекта заключается в выяснении особенностей протекания процесса прорыва водоёмов полярных и приполярных регионов. В результате его реализации планируется оценить влияние прорывов на окружающий ландшафт, определить степень ущерба инфраструктуре, разработать систему оценок прорывоопасности водных объектов. Основу исследования составляют натурные измерения на наиболее значимых по своим размерам озёрах антарктических оазисов, а также математическое моделирование характеристик изучаемого явления. Полевые материалы по Проекту получены в ходе работ 66-й и 67-й Российских антарктических экспедиций (РАЭ), которые выполнялись в период с ноября 2020 г. по февраль 2021 г., а также в ноябре-декабре 2021 г. на водных объектах оазиса Ширмахера, расположенного Земле Королевы Мод (Восточная Антарктида).
Полевые исследования также, как и на первом этапе были направлены на получение данных необходимых для пополнения базы данных по прорывоопасным озёрам антарктических оазисов; уточнение триггерных механизмов формирования прорывных паводков, а также получение исходной информации для математического моделирования, а именно, верификации разрабатываемой в ходе проекта модели. Работы включали в себя георадарное профилирование озёр и соединяющих их гротов, тахеометрическую съёмку районов изысканий с привязкой к пунктам государственной геодезической сети для составления высокоточных схем, шнековые бурение для заверки геофизических данных и организации скважин с целью последующей термометрии. В ходе исследований на озере Топографов были впервые получены данные по распределению глубин, толщин льда над водой и высотам каменного основания. Определены точные морфометрические характеристики водоёма и установлено, что в настоящее время оно постепенно деградирует за счёт наступания ледника, с одной стороны, и постепенного промерзания – с другой. Для озёр Ледяное и Южное также были определены их точные морфометрические характеристики и собраны данные для составления схем глубин, толщин льда и высот каменного основания. Помимо детального изучения озёр, были исследованы ледовые гроты, соединяющие указанные водоёмы. В ходе работ получены: точное местоположение, конфигурация и морфометрические характеристики как самих гротов, так и перекрывающей их толщи.
Для более полного рассмотрения процессов прорывов водоёмов помимо экспедиционных полевых работ в Антарктиде, были выполнены работы по физическому моделированию процесса прорыва озера через грунтовую перемычку путем образования фильтрационного канала (piping): дано его феноменологическое описание, получены необходимые параметры для математической модели. В ходе камеральной части текущего этапа было завершено формирование базы данных (БД) по озерам антарктических оазисов. Разработанная БД получила следующее название: «База данных для полярных и горных озерно-гляциальных комплексов на примере Антарктиды и Алтай-Саянской горной системы» (PAULAS) и прошла государственную регистрацию с получением сертификата установленного образца. Также были разработаны критерии прорывоопасности, применительно к озёрам полярных областей нашей планеты, основные причины цикличности прорывов озёр, и тенденции изменения их характерах.
В рамках второго этапа 2021 года подготовлена первая часть математической модели (и компьютерной программы), реализующая выработку канала стока до начала истечения воды. Выполнено численное моделирование процесса распределения температуры по толще ледниковой дамбы. Результаты признаны удовлетворительными.
Основные результаты второго этапа настоящего Проекта изложены в общей сложности в 7 научных работах, среди которых 3 статьи в научных журналах (1 принята к опубликованию в 2021 г., и 2 находятся на стадии рецензирования). Среди опубликованных работ 2 статьи в сборнике конференций и 2 тезисов на научных конференциях. Результаты представлены на 3 научных форумах.
В ходе полевого сезона 66-67-ой Российских антарктических экспедиций (2021/22 г.) на территории оазиса Ширмахера (Восточная Антарктида) были выполнены комплексные исследования, направленные на изучение динамики и теплофизики ледника, строения его приповерхностной части и процессов прорыва озёр, расположенных вблизи станции Новолазаревская. (Рис.1) Основные усилия были сосредоточены на исследовании района озера Топографов и каскада озёр Ледяное – Южное – Станционное, соединённых между собой ледовыми гротам. В ходе исследований на озере Топографов были впервые получены данные по распределению глубин, толщин льда над водой и высотам каменного основания. Определены точные морфометрические характеристики водоёма и установлено, что в настоящее время оно постепенно деградирует за счёт наступания ледника, с одной стороны, и постепенного промерзания – с другой. Выявлены наиболее опасные участки над озером Топографов и найден путь для безопасного пересечения этого района, куда рекомендуется сместить трассу, соединяющую станцию Новолазаревская и аэродром. Для озёр Ледяное и Южное также были определены их точные морфометрические характеристики и собраны данные для составления схем глубин, толщин льда и высот каменного основания. Помимо детального изучения озёр, были исследованы ледовые гроты, соединяющие указанные водоёмы. В ходе работ получены: точное местоположение, конфигурация и морфометрические характеристики как самих гротов, так и перекрывающей их толщи. Поскольку пути оттока воды являются унаследованными, в дальнейшем при помощи математического моделирования открывается возможность оценить максимально возможные паводки на этих озёрах и их последствия. Полученные предварительные результаты указывают на то, что этот район и гидрологические объекты являются перспективными для дальнейшего исследования.
В ходе камеральной части разработаны критерии прорывоопасности озер антарктических оазисов; предложена классификация водоёмов по данным критериям и рассмотрен вопрос повторяемости и цикличности этих природных явлений. Завершено формирование базы данных (БД) по озерам антарктических оазисов «База данных для полярных и горных озерно-гляциальных комплексов на примере Антарктиды и Алтай-Саянской горной системы» (PAULAS) и прошла государственную регистрацию как результат интеллектуальной собственности, что подтверждается Свидетельством о государственной регистрации базы данных № 2021622983.
Подготовлена первая часть математической модели (и компьютерной программы), реализующая выработку канала стока до начала истечения воды.
Для более полного рассмотрения процессов прорывов водоёмов помимо экспедиционных полевых работ в Антарктиде, были выполнено физическое моделирование процесса прорыва озера через грунтовую перемычку путем образования фильтрационного канала (Рис.2), получены необходимые параметры для математической модели. По результатам эксперимента верифицирован алгоритм расчета характеристик прорывного паводка.
Пряхина Галина Валентиновна- руководитель проекта, разработка критериев прорывоопасности озер оазисов, руководство и организация физического эксперимента
Боронина Алина Сергеевна, аспирант - подготовка первой части математической модели, полевые работы на станции Новолазаревская, Антарктида
Распутина Валерия Алексеевна- аспирант, физический эксперимент, моделирование прорывного паводка
Четверова Антонина Александровна
- завершение и регистрация базы данных
Кузнецова Мария Руслановна, аспирант- полевые работы на станции Новолазаревская, Антарктида; разработка критериев прорывоопасности
Гигорьева Светлана Дмитириевна, аспирант- полевые работы на станции Новолазаревская, Антарктида
Кашкевич Марина Петрровна, доцент- полевые работы на станции Новолазаревская, Антарктида, написание отчета по полевым работам
Краткое название | нет |
---|
Акроним | RFBR_a_2020 - 2 |
---|
Статус | Завершено |
---|
Эффективные даты начала/конца | 22/03/21 → 28/12/21 |
---|