Совместная работа Московского государственного университета и Шэньчжэньского университета МГУ – Пекинского политехнического института (SMBU) сегодня складывается в полноценную исследовательскую программу, объединяющую гидрологию, палеоклиматологию, геокриологию и геотехнику холодных регионов. Для российской стороны особый интерес этой программы связан с тем, что она направлена на изучение арктических и субарктических территорий, где изменения климата все теснее переплетаются с задачами хозяйственного освоения, мониторинга и инженерной защиты. Внутри этой программы можно выделить несколько взаимосвязанных направлений, каждое из которых ориентировано не только на получение новых данных, но и на создание прогнозных моделей и разработку прикладных решений.

Материальные потоки в крупнейших реках

Одно из ключевых направлений связано с переходом от традиционного рассмотрения речных систем через воду и наносы к более широкому анализу всех материальных потоков в крупнейших реках мира. Такой подход исходит из того, что полноценное описание речной системы невозможно без учета взаимодействия различных форм вещества, находящихся в воде и осадках, а также без пространственно и временно согласованных наблюдений. В перспективе именно это позволяет перейти от фрагментарного знания о стоке к более полному пониманию функционирования речных бассейнов.

Практический смысл этой работы состоит в создании базы данных по системе «вода-осадки» для крупнейших рек мира, анализе динамики параметров на основе интегрированных данных и подготовке прогнозов и рекомендаций. В существующих международных массивах данных наблюдений север России, включая значительную часть Западной Сибири, остается недостаточно охваченным, поэтому особое внимание уделяется бассейнам Енисея, Оби, Лены и Колымы. Именно здесь дефицит современных наблюдений сочетается с высокой значимостью этих рек.

Особое место в этой программе занимает Енисей, где планируется комплекс полевых работ от Дудинки до Диксона с бурением верификационных скважин, комплексным профилированием, отбором воды на растворенный и взвешенный органический углерод и донных образцов. Эта работа важна не только для пополнения наблюдательной базы, но и для последующего построения трехмерной геокриологической модели шельфа Карского моря. Тем самым исследование речных потоков сразу связывается с геокриологическим моделированием и задачами дальнейшего прогноза.

Енисей, эстуарий и Карское море

Второе направление сосредоточено на системе Енисей – эстуарий – Карское море и на тех изменениях, которые происходят в ней в условиях климатической перестройки. Здесь центральной проблемой выступает деградация мерзлоты, угрожающая природным экосистемам, инфраструктуре и в более широком смысле – устойчивости всей региональной системы. При этом главной трудностью остается нехватка систематических данных о характеристиках мерзлоты, реакции среды и чувствительности экосистем к внешним воздействиям.

На этом фоне Енисей представляет собой особенно важный объект исследования. Это крупнейший по стоку арктический речной бассейн, имеющий непосредственное значение для Северного морского пути и для индустриального освоения прилегающих территорий. Изучение физико-химических градиентов в эстуарии, накопления и переотложения органического углерода, а также времени пребывания терригенного материала по всей системе «река-дельта-море» позволяет не только уточнить локальные процессы, но и скорректировать представления о роли арктических рек в глобальном углеродном цикле.

В более широком плане речь идет о создании новой схемы понимания эстуария как активной перерабатывающей среды, где взаимодействуют речной вынос, морская вода, сезонная динамика и процессы захоронения вещества. Такой подход важен и для оценки экологических рисков, включая риски загрязнения арктического бассейна и навигационного коридора Северного морского пути. В результате исследования должны стать основой как для уточнения моделей поведения органического углерода, так и для более обоснованного планирования освоения региона.

Углерод мерзлотных торфяников

Отдельный блок работ посвящен накоплению, разложению и моделированию поведения органического вещества в мерзлотных торфяниках при сопоставлении Цинхай-Тибетского плато и бассейна Енисея. Значение этой темы определяется тем, что мерзлотные торфяники Северного полушария содержат около 400 пг органического углерода и относятся к важнейшим наземным резервуарам углерода. При этом механизмы накопления, разрушения и дальнейшей эволюции этого углерода до сих пор изучены недостаточно.

Сравнение столь разных территорий позволяет выйти на общий вопрос о судьбе больших запасов органического вещества, находящегося в мерзлом состоянии. При переходе этого вещества в зону микробиологической активности возникает риск дополнительных выбросов парниковых газов, а значит, проблема мерзлотных торфяников напрямую связана с климатической динамикой. Для анализа этой системы используются геофизические методы, отбор кернов, радиоуглеродное датирование, палинологические исследования, изучение микробных сообществ и инкубационные эксперименты при различных температурных режимах.

Принципиально важно, что эта работа ориентирована на получение именно количественных оценок для больших территорий. Для китайской стороны это связано прежде всего с пониманием функционирования высокогорных районов как источников влаги и водных ресурсов, для российской – с оценкой того, как деградация мерзлоты будет менять ландшафты и насколько критичными окажутся эти изменения для существующей инфраструктуры. В обоих случаях моделирование углеродных процессов становится инструментом, соединяющим фундаментальные представления о мерзлотной среде с практическими вопросами адаптации к климатическим изменениям.

Палеоклимат и арктические берега

Еще одно направление связано с реконструкцией арктических ландшафтов и берегов Печорского и Карского морей в голоцене. Эта работа необходима для понимания долговременной климатической динамики и, следовательно, для построения более надежных прогнозов состояния наземной, береговой и шельфовой мерзлоты. В основе таких исследований лежат классические представления российской школы геокриологии, многолетний опыт полевых наблюдений и современные методы изучения строения береговой зоны.

Смысл этого направления состоит в том, чтобы рассматривать современные изменения не изолированно, а в длинном временном ряду. Голоцен уже включал периоды как более теплого, так и более холодного климата, что отразилось в строении и составе арктических отложений. Поэтому реконструкция древних береговых ландшафтов дает возможность не только описать прошлое, но и точнее интерпретировать нынешние процессы.

Для этой цели собираются данные о литологическом составе, структуре и текстуре мерзлых грунтов, генезисе и возрасте отложений, а также о тепловом балансе массивов. Уже накоплена база комплексных наблюдений за 2014-2022 годы, включающая LiDAR-съемку с беспилотников, картографирование береговой зоны, геоэлектрические исследования, температурные наблюдения в глубоких и мелких скважинах и первую модель термоабразии, основанную на полевых данных. На этой основе возможно полномасштабное моделирование динамики берегового отступания и последующая климатическая палеореконструкция региона.

Опасные процессы на берегах Енисейского залива

Пятая тема касается опасных экзогенных процессов на берегах Енисейского залива Карского моря. Арктические побережья представляют собой чувствительную переходную зону между литосферой, атмосферой и гидросферой, а потому особенно остро реагируют на климатические изменения и изменение ледовой обстановки. Значительная часть этих берегов сложена мерзлыми дисперсными грунтами, что делает их уязвимыми к термоденудации, термоэрозии и термоабразии.

Задача исследования состоит в получении надежных эмпирических и расчетных данных о динамике береговой зоны и интенсивности криогенных процессов в первой половине XXI века. Итогом должны стать карты морфогенетических типов берегов Енисейского залива, схемы развития экзогенных процессов на ключевых участках и прогноз изменения термоабразионных берегов до 2050 года при экстремальном сценарии потепления и сокращения ледового покрова. Для инфраструктурного освоения Арктики эта информация имеет прямое значение, поскольку позволяет заранее оценить пространственное распределение природных рисков.

Особенно важно, что такая работа соединяет ретроспективный анализ и прогноз. Наряду с картографированием и дешифрированием материалов дистанционного зондирования предполагается анализ гидрометеорологических условий, ледового режима, сумм положительных температур и волновой энергии как факторов, определяющих развитие береговых процессов. В результате береговая зона рассматривается уже не как пассивная окраина арктического побережья, а как активный индикатор и одновременно ограничитель хозяйственного развития.

Цифровой мониторинг мерзлоты

Одним из наиболее прикладных направлений является развитие комплексного мониторинга мерзлоты. Накопленные за последние годы массивы данных по температуре грунтов, уровню подземных вод и другим параметрам сами по себе не дают необходимого эффекта, если не сопровождаются новыми методами интерпретации и прогноза. Именно поэтому задача ставится как переход от хранения больших данных к их аналитическому использованию в региональном моделировании мерзлотных условий.

В перспективе такая работа должна привести к созданию интерактивной цифровой карты, которая будет совмещать мониторинг, интерпретацию и прогноз на одной ГИС-основе. Речь идет о «живой» модели, постоянно обновляющейся по мере поступления новых данных из скважин и других наблюдательных систем. Уже реализованные решения на Ямале и работы, ведущиеся в Якутии, показывают, что подобный подход позволяет перевести геокриологическую информацию в режим практического использования для регионального планирования.

Особую роль в этих исследованиях играет сочетание инструментальных наблюдений, знания геологического разреза и методов машинного обучения. В представленной схеме для расчета характеристик мерзлоты и прогноза ее динамики предполагается использовать алгоритм Random Forest с учетом климатических, ландшафтных, литологических и антропогенных факторов. Такой подход делает возможным переход от отдельных рядов наблюдений к пространственной модели мерзлоты, пригодной для оценки рисков и стратегического планирования хозяйственной деятельности.

Искусственное охлаждение грунтов

Завершающее направление связано с методами искусственного охлаждения грунтов для сохранения мерзлоты в условиях ее деградации. Здесь исследовательская логика переходит от мониторинга и прогноза к инженерному вмешательству, задача которого состоит в сохранении устойчивости оснований при строительстве и эксплуатации объектов в зоне мерзлоты. Исходная предпосылка проста: сооружение насыпей и других конструкций меняет теплообмен между грунтом и окружающей средой, ускоряет деградацию мерзлых толщ и тем самым создает угрозу устойчивости инфраструктуры.

Для решения этой задачи рассматриваются системы сезонного и всесезонного охлаждения, в том числе решения на основе солнечной холодильной технологии и всесезонных термосифонов. На звенигородском полигоне «Арктика» уже около семи лет продолжается полевой эксперимент по оценке влияния различных агентов в термостабилизаторах и по сравнению вариантов сезонного и круглогодичного использования. Отдельный интерес представляют и решения для удаленных территорий без устойчивого электроснабжения, апробированные на Тибете в сотрудничестве с китайскими коллегами.

Практическая ценность этих исследований заключается в возможности выбирать режим и тип охлаждающих устройств с учетом региональной климатической траектории и особенностей конкретного объекта. Тем самым геотехнические решения начинают опираться не на универсальную схему, а на связку мониторинга, моделирования и реальных полевых испытаний. В этом и состоит одна из важнейших линий современной геокриологии: переход от констатации деградации мерзлоты к разработке адаптационных инженерных механизмов.

Изменение климата как новая режимность системы

Все перечисленные направления в конечном счете сводятся к одной общей проблеме – влиянию изменения климата на холодные регионы. Сегодня уже недостаточно говорить только о потеплении как о линейном процессе. Гораздо точнее рассматривать современную стадию как переход к высокоамплитудной и плохо предсказуемой динамике, в которой возрастают контрасты температур, меняется режим осадков и усиливается экстремальность климатических проявлений.

В этих условиях вопрос состоит не только в том, насколько продолжится деградация мерзлоты, но и в том, как именно будут сочетаться различные климатические колебания и как они отразятся на природных и инженерных системах. Нынешняя ситуация характеризуется не движением только в сторону потепления или похолодания, а фазой выраженных флуктуаций, аналогов которой в пределах доступного ряда наблюдений фактически нет. Именно поэтому холодные регионы требуют сегодня не частных локальных оценок, а комплексной системы данных, моделей и прогнозов.

Заключение

Совместная исследовательская программа МГУ и SMBU показывает, что изучение холодных регионов все отчетливее приобретает междисциплинарный и одновременно прикладной характер. Исследования крупнейших рек, углеродного цикла, мерзлотных торфяников, голоценовой истории арктических побережий, береговых рисков, цифрового мониторинга и инженерных методов термостабилизации формируют единую систему знания о быстро меняющейся северной среде.

Смысл этой работы состоит не только в накоплении новых данных, но и в переходе к более сложным моделям понимания холодных регионов как природных и природно-технических систем. В условиях усиливающейся климатической изменчивости именно такая связка наблюдения, моделирования и инженерного решения становится необходимой для научного сопровождения освоения Арктики и других территорий распространения мерзлоты.