Прогноз развития береговой зоны Восточно-Сибирского моря при повышении его уровня и потеплении климата

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ БЕРЕГОВОЙ ЗОНЫ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО МОРЯ ПРИ ПОВЫШЕНИИ ЕГО УРОВНЯ И ПОТЕПЛЕНИИ КЛИМАТА

Доктор географических наук Ю.А. Павлидис
Доктор географических наук И.О. Леонтьев

- Введение

- Современные природные условия района Восточно-Сибирского моря
- Предпосылки прогноза
- Прогноз
- Заключение
- Литература

Введение

Разработка научных основ краткосрочного (на 100 лет) прогноза развития побережий и шельфов морей и океанов в различных климатических областях Земли - основная цель проекта РФФИ № 97-05-64209 "Палеогеография шельфа Мирового океана как основа прогноза его развития". На завершающем этапе работ по проекту основное внимание уделяется рассмотрению особенностей развития береговой зоны и шельфа в Арктике, в пределах внутренних морей и в экваториально-тропическом поясе. Мы считаем, что именно в пределах этих географических областей изменения в прибрежно-шельфовой полосе морей и океанов, связанные с потеплением климата Земли и возможным ускорением темпа современной трансгрессии Мирового океана, будут наиболее существенными. В данной статье авторы предлагают рассмотреть модель развития береговой зоны наиболее ледовитого в настоящее время в Российской Арктике - Восточно-Сибирского моря. Основной предпосылкой прогноза является положение о том, что прогнозируемое климатологами потепление климата Земли будет наиболее значительным именно в Арктике, где природная среда особенно чувствительна к изменению природных обстановок.

Современные природные условия района Восточно-Сибирского моря

Восточно-Сибирское море расположено в наиболее суровой по климатическим условиям части Российской Арктики. Для этого региона характерны продолжительная зима и короткое прохладное лето. Средние температуры воздуха января и февраля составляют минус 26-280С, нередко температура воздуха понижается до минус 48-500С. Интенсивное повышение температуры воздуха начинается в мае. Наиболее теплый месяц - июль, когда средняя температура изменяется от 0,10С на севере моря до 3-70С на побережье. Осенний переход среднесуточной температуры воздуха от положительных к отрицательным значениям происходит в конце августа.

Современная ледовая обстановка в Восточно-Сибирском море наиболее тяжелая по сравнению с остальными морями Российской Арктики. Летом, в среднем всего на два месяца в году (август-сентябрь) от льда освобождается лишь узкая полоса вдоль берега, что отчетливо видно на космических снимках 1997 г. Этот год в Арктике был относительно теплым. В более холодные годы южная кромка льдов в Восточно-Сибирском море обычно расположена еще ближе к берегу, чем это видно на космических снимках. В районе от о-ва Айон, у Певека и до пролива Лонга южная кромка многолетних льдов часто расположена всего в 10-15 км от береговой линии. Почти постоянно летом тяжелые паковые льды формируют известный среди полярников айонский ледовый массив, создающий серьезное препятствие для судов на Северном морском пути. Такие ледовые условия ограничивают действие ветрового волнения, во-первых, по продолжительности в течение года (в среднем 2 месяца: август-сентябрь), во-вторых, по возможности разгона волн на открытой воде, полоса которой в августе в районе устья Колымы имеет ширину в среднем 150 км, а вдоль берега от о-ва Айон до пролива Лонга - в среднем 15-20 км.

В августе-сентябре, т.е. когда в прибрежной полосе Восточно-Сибирского моря возможна генерация ветрового волнения, преобладающие ветры направлены с северо-востока. Их повторяемость в августе составляет около 30 % (рис. 1, А). В сентябре, в связи с неустойчивостью барических полей, ветер также неустойчив. Чаще других дуют северо-восточные (20 %) и юго-западные ветры (рис. 1, Б). Скорость северо-восточных ветров, генерирующих, в основном, морское волнение, обычно небольшая, до 10 м/с, однако 6 % составляют ветры от 10 до 20 м/с. Максимальный северо-восточный ветер до 25-30 м/с также имеет северо-восточное направление. Повторяемость штормовых ветров у побережья в отдельных районах достигает 5-11 %. Так, например, в районе порта Певек временами возникает сильный порывистый юго-восточный ветер "южак", скорость которого достигает иногда 45 м/с.

Рис. 1. Розы ветров по данным метеостанции пос. Амбарчик. А - август, Б - сентябрь.
1 - все ветры, 2 - ветер со скоростью больше 10 м/с.

По сравнению с другими арктическими морями волнение в Восточно-Сибирском море развито слабо, главным образом из-за значительной его ледовитости. По мере отступления от берега кромки льдов в августе-сентябре повторяемость относительно сильного волнения возрастает. Начиная с конца июля - начала августа вдоль берега появляется полоса чистой воды, где при ветрах северных румбов развивается волнение. В западной части моря, где полоса чистой воды более широкая, максимальная высота волн может достигать 4 м. В восточной его части, где южная кромка льдов находится близко к берегу, высота волн не превышает 1,5-2 м.

Большая западная часть материкового побережья Восточно-Сибирского моря и его островов низменная, сложенная новейшими аллювиальными, озерными, местами морскими отложениями, скованными многолетней мерзлотой. Эти отложения объединяются под общим названием "едомы", их аналоги известны также на побережье Аляски. Прибрежные низменности (Яна-Индигирскую, Колымскую, Валькарайскую) прорезают многочисленные реки, в том числе такие крупные как Индигирка и Колыма. Восточная, меньшая часть побережья от м. Шелагский до пролива Лонга имеет, в основном, возвышенный рельеф, вследствие того, что здесь близко к морю подходят отроги Колымского и Чукотского нагорий. Все материковое побережье Восточно-Сибирского моря В.А.Совершаев (Географический факультет МГУ) предлагает разделить на три области по геоморфологическим признакам: западную от м. Святой Нос в проливе Дмитрия Лаптева до дельты Колымы (включая ее), центральную от дельты Колымы до Чаунской губы и восточную от м. Шелагский до пролива Лонга (Официальная граница между Восточно-Сибирским и Чукотским морями проходит по 180-му меридиану).

Берега западной области характеризуются в основном как термоабразионные и солифлюкционно-термоабразионные (см. нашу предыдущую статью в "Вестнике РФФИ", № 1, 1998). Подводный береговой склон в море здесь чрезвычайно пологий. 10-метровая изобата отстоит от берега на 25-50 морских миль (одна миля равна 1852 м). Безледное время в этой части акватории моря составляет в году всего 14% (около 50 суток), хотя южная граница сплошных льдов в августе-сентябре отодвигается сравнительно далеко от берега. В пределах этого участка располагается крупная дельта р. Индигирка, внешний контур которой окаймлен береговым баром. Дельта Колымы занимает огромную площадь в 3 тыс. км2. Ее внешний контур, протяженностью около 100 км, также большей частью окаймлен береговым баром. Эти аккумулятивные участки берега западного берегового района прерывают полосу термоабразионного берега. Скорость термоабразии в пределах западной береговой области в настоящее время велика. По некоторым данным на отдельных участках она составляет 11 м/год. Нужно однако иметь в виду, что отступание берегов на самом деле относится к незначительной части года, относительно теплому его периоду с положительными дневными температурами, когда освобождается от льда полоса воды вдоль берега. Для условий Восточно-Сибирского моря период активной термоабразии в настоящее время ограничен 2-3 месяцами. Такое ограничение важно для нашей основной задачи - прогноза дальнейшего развития береговой зоны этого арктического моря. На Новосибирских островах по данным Ф.А.Арэ (1885) скорость термоабразии колеблется от 2 до 10 и даже 11 м/год.

В.И.Саламатин и др. (1998) приводят следующие данные о скорости отступания обрыва термоабразионного берега: 5 м/год в западной части и 6,8 м/год в южной части Восточно-Сибирского моря.

В пределах западной береговой области Ф.А.Арэ (1985) на 57-километровом участке берега в районе мыса Амбарчик определил среднюю скорость отступания термоабразионных берегов на основании повторных аэрофотосъемок за 20 лет, которая составляет 4,5 м/год.

Берега центральной Колымско-Чаунской области более разнообразные, чем западной области. Здесь чередуются участки термоабразионных берегов с типично абразионными берегами, а также аккумулятивными участками. На карте типов берегов, составленной А.С.Иониным и В.С.Медведевым, в Атласе океанов (Северный Ледовитый океан) этот участок берега отнесен к абразионно-бухтовому типу. Берега Чаунской губы и о-ва Айон - в основном типично термоабразионные.

Берега восточной Шелагско-Биллингской области в основном абразионно-аккумулятивные и аккумулятивные, причем подводный склон здесь относительно приглубый, 10-метровая изобата отстоит от береговой линии на 1-3 морских мили. Среднемноголетняя кромка дрейфующих льдов почти вплотную подходит к берегу, а безледное время составляет в году всего 10% (Каплин и др., 1991). Здесь высокие абразионные клифы, выработанные в коренных породах, чередуются с галечными пересыпями в устьях небольших рек, отделяющими от моря лагуны. В пределах этой береговой области расположена одна из наиболее интересных в морфологическом отношении аккумулятивных форм - мыс Биллингса. Нас она будет интересовать в том смысле, что именно для этого аккумулятивного участка побережья Восточно-Сибирского моря мы разработали математическую модель развития при условии потепления климата в Арктике и повышения уровня моря.

Мыс Биллингса представляет собой комплекс крупной аккумулятивной формы типа пересыпи, отделяющей от моря акватории нескольких лагун, овальной формы (рис. 2). Л.В.Тараканов и его соавторы (1981) называют эту аккумулятивную форму двойным береговым баром. Она сложена преимущественно песком средней крупности и расположена на неровной поверхности пород едомного комплекса. Самые высокие отметки штормового вала составляют 5,2-5,4 м, а вместе с дюной, венчающей гребень штормового вала - 6,8 м. Абсолютный возраст самой молодой генерации бара - 1,5 тыс. лет, а самой древней - 4 тыс. лет.

Рис. 2. Морфология мыса Биллингса. 1 - выступы скального основания; 2 - склоны сопок; 3 - поверхность "едомы"; 4 - аллювиально-озерная равнина; 5 - бар, пляжи, косы. А - профиль через бар. Масштаб 1: 200 000.

Восточнее м. Биллингса вплоть до м. Шмидта берег относится к аккумулятивному типу. Здесь вдоль морского края Валькарайской низменности протянулись две генерации берегового бара: древняя, высотой 8-10 м, сложенная песчано-гравийно-галечным материалом, и современная, высотой 4-5 м, сложенная песчано-гравийным материалом (Данилов и др., 1980).

Характерной чертой современного состояния прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря является тот факт, что волновое воздействие на дно, даже на малых глубинах, весьма ограничено. Это связано с существованием круглогодичного на большей части его акватории ледового экрана и освобождением от льда не более чем на 2 месяца в году узкой полосы у берега. В результате тонкие илы, выстилающие все дно этого моря, подходят почти вплотную к берегу и только на глубине около 10 м проходит так называемая "граница илов", где тонкозернистые осадки в основном подледной седиментации сменяются более крупнозернистыми песчаными отложениями волнового поля.

Предпосылки прогноза

Основные принципы краткосрочного прогноза развития береговой зоны и шельфа океанов и морей, основанные на данных о предполагаемом потеплении климата Земли и возможном повышении уровня Мирового океана к концу будущего столетия на величину до 1 м, нами были опубликованы в "Вестнике РФФИ" в 1998 г.

В качестве основных предпосылок для составления прогноза развития прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря мы принимаем следующие: климат Арктики будет теплеть быстрее, чем в более низких широтах; ледовый покров в арктическом бассейне будет сокращаться; уровень моря к концу XXI века повысится на 1 м. Рассмотрим некоторые аспекты этих трех положений.

Методами палеоклиматологии установлено, что изменения климата Земли в наибольшей степени проявлялись в высоких широтах. Так было, например, в плиоцене, когда в высоких широтах температура воздуха превышала современную на величину до 140С, а в низких - была даже немного ниже современной. Во время климатического оптимума предыдущего межледниковья (125 тыс. лет назад), при среднегодовой глобальной температуре воздуха на 20С выше современной, прирост температуры в пределах Российской Арктики составлял в Баренцевом море 50С, в Карском море 60С, на севере Таймыра 100С, в Восточно-Сибирском море 60С. Во время климатического оптимума голоцена (5,5-6,0 тыс. лет назад) среднеглобальная температура была на 10С выше современной, а в Арктике она превышала современную, как показывают данные палеоклиматических исследований, на 3-40С. Ожидаемое среднеглобальное потепление климата на 10С к 2025 г. позволяет моделировать природную обстановку на арктическом побережье России по подобию климатического оптимума голоцена, а на 20С к середине будущего века - моделировать обстановку по подобию климатического оптимума предыдущего межледниковья и предполагать, что в пределах окраинных морей Севера Евразии и на прилегающих пространствах прибрежной суши потепление приведет к увеличению среднегодовой температуры воздуха на 3-80С. С этим в первую очередь будет связано интенсивное таяние "вечной" мерзлоты на поверхности прибрежных низменностей. А.А.Величко и В.П.Нечаев (Институт географии РАН) обосновывают точку зрения о полном исчезновении многолетней мерзлоты с поверхности тундры к западу от низовьев Печоры. В пределах прибрежных низменностей Западной и Восточной Сибири температура мерзлых грунтов повысится на 3-40С по сравнению с современной.

По данным Всемирного Центра по изучению климата средняя температура за 100 лет на планете повысилась на 0,50С. Однако в Арктике потепление происходит быстрее. Исследования, проведенные в Университете штата Аляска, показали, что за 30 лет (1966-1995 гг.) зимние температуры воздуха в Северной Америке и Северной Азии увеличились на 20С. Одновременно летние температуры в Арктике почти не изменились. Такая тенденция по прогнозам климатологов сохранится в ближайшие десятилетия.

Ледовый покров в арктическом бассейне за последние примерно 120 лет существенно сократился. Мы имеем возможность сравнить данные о ледовой обстановке в Западной Арктике в 1881 году и в 1997 году. В электронной версии журнала ACSYS Forecast, 1998, издаваемого Международным Центром по изучению систем арктического климата (ACSYS) в Норвегии опубликованы архивные данные о положении кромки сплоченных плавучих льдов в Западной Арктике в конце прошлого века в апреле, июле и сентябре. Сравнение архивных и современных данных, полученных с помощью искусственных спутников Земли, показывает значительное сокращение полей сплошных льдов в весенне-летний период. Особенно значительное сокращение полей сплоченных плавучих льдов в Норвежском и Баренцевом морях в 1997 г. по сравнению с 1881 г. приходится на апрель. В прошлом веке в это время года южная граница льдов проходила в непосредственной близости от побережья Кольского полуострова и мыса Нордкап к берегам юго-восточной Исландии, в то время как в 1997 г. вся юго-западная часть Баренцева моря вплоть до Новой Земли и Южного Шпицбергена была свободна от льдов.

Сокращение полей многолетних льдов, зафиксированное в Западной Арктике, пока еще почти не затронуло таких арктических морей как Лаптевых и Восточно-Сибирское. Однако есть основания предполагать, что с продолжающимся потеплением климата Арктики в XXI веке южная часть морей Севера Сибири будет постепенно освобождаться от сплошного льда на все большее время в году. Нам представляется вероятным, что ледовая обстановка здесь будет приближаться к обстановке наиболее теплого периода предыдущего межледниковья (около 125 тыс. лет назад), когда по мнению ученых школы профессора А.А.Величко, многолетние льды из арктических морей Евразии почти полностью исчезли. Мы, однако, не будем предлагать в качестве предпосылки прогноза полное освобождение Восточно-Сибирского моря от многолетних льдов. Мы будем использовать для этой цели данные о средней границе плавучих льдов в августе-сентябре в качестве характеристики современной ледовой обстановки и данные о наименьшей границе плавучего льда в качестве характеристики обычной ледовой обстановки через 100 лет (Атлас океанов. 1980). При этом мы предполагаем, что период освобождения от льда южной части моря увеличится с двух до четырех месяцев в году. Это значит, что с июля по октябрь будет свободна от сплоченного плавучего льда полоса вдоль берега шириной примерно 400 км.

Одновременно с потеплением климата происходит подъем уровня Мирового океана. По расчетам Р.К.Клиге (Географический факультет МГУ), обобщившего данные более чем 1000 уровнемерных станций, за последнее столетие средний уровень океана повышается примерно на 1,5 мм/год. Этот подъем уровня можно связывать с перераспределением водных масс между ледниками и океаном.

Сейчас широко дискутируется мнение о возможном подъеме уровня Мирового океана к концу XXI века на 1 м. Однако такой прогноз не бесспорен и требует надежного обоснования. Прибавление воды в океанах в таком объеме может произойти только в случае интенсивного таяния покровных ледников в центрах современного оледенения, а это процесс длительный. Даже таяние шельфовых ледников Антарктиды не даст желаемого результата, так как они находятся "на плаву" в равновесии с современным уровнем. Расчеты показывают, что повышение уровня Мирового океана, связанное с термическим расширением верхнего слоя воды, таянием всех малых ледников и ледниковых шапок и изменением скоростей таяния и аккумуляции ледниковых покровов Антарктиды и Гренландии, может составить 0,5 м при глобальном потеплении климата в среднем на 20С. Однако в случае потепления на 3-40С и изменения баланса между водами суши и океана уровень может подняться на большую величину - до 1 м.

Прогноз

Изменения, которые ожидаются в береговой зоне Восточно-Сибирского моря в результате потепления климата и повышения уровня моря, в наибольшей степени произойдут в области распространения термоабразионных и аккумулятивных берегов.

Общая протяженность термоабразионных берегов в Восточно-Сибирском море составляет около 1800 км, причем на долю континентального побережья вместе с о-вом Айон приходится около 1200 км, остальные 600 км - это берега восточной части архипелага Новосибирских островов. Уже в настоящее время, при современном состоянии климата и ледовой обстановки в регионе, термоабразия берегов происходит очень интенсивно. В.П.Мархатанов (1998) предлагает метод расчета величины оттаивания грунта с учетом его механического сноса в зависимости от вклада теплового фактора в развитие берегоформирующих процессов. В основу расчета заложено определение величины коэффициента тепловой устойчивости грунта, которая прямо пропорциональна сумме годовых положительных температур. Такой подход позволяет произвести некоторую приблизительную оценку изменения величины оттаивания грунта, слагающего обрывы термоабразионного берега при изменении суммы положительных температур.

В настоящее время период положительных температур воздуха на побережье Восточно-Сибирского моря составляет примерно 200 часов, причем этот период приходится на середину июня - середину сентября. Потепление климата Земли в первую очередь затрагивает Арктику. Так было в прошлые теплые эпохи, например, 125 тыс. лет назад, когда в районе Сибирских морей положительная среднегодовая аномалия температуры воздуха по сравнению с современной температурой достигала 100С. При повышении среднеглобальной температуры приземного слоя воздуха на 20С, как предсказывают климатологи на будущее столетие, у арктического побережья среднегодовая температура воздуха может увеличиться по сравнению с современной на 60С и составить 8-100С. Так как летние температуры воздуха при потеплении климата Арктики изменятся мало, а зимние температуры все равно останутся низкими, следует ожидать, что основной прирост температур воздуха произойдет в переходные времена года - весной и осенью. Поэтому следует ожидать, что по крайней мере в два дополнительных месяца в году в суточном ходе температуры воздуха будет присутствовать положительная составляющая. Это дает нам право предполагать, что годовая сумма положительных температур воздуха у побережья Восточно-Сибирского моря может увеличиться вдвое по сравнению с современными условиями.

Так как величина протаивания грунта и, следовательно, оттаивания отложений в береговых обрывах прямо пропорциональна сумме положительных температур воздуха, следует ожидать, что интенсивность термоабразии возрастет также соответственно увеличению суммы положительных температур. В береговой зоне цикл "протаивание-снос" завершается практически мгновенным удалением растаявшего грунта и обнажением поверхности мерзлых грунтов.

Потепление климата в Арктике, по-видимому, приведет к тому, что в береговой зоне увеличится длительность воздействия на берег морского волнения, как мы предполагаем, с двух месяцев в настоящее время до четырех месяцев в будущем, а это значит, что время действия процесса термоабразии возрастет за счет этого фактора как минимум вдвое.

Еще одним фактором, который повлияет на увеличение интенсивности термоабразии, является повышение уровня моря. Но это сравнительно медленное, постепенное повышение уровня при трансгрессии в условиях исключительно отмелого подводного берегового склона не приведет к значительному увеличению интенсивности процесса термоабразии. Значительно большее тепловое воздействие на береговые уступы, сложенные мерзлыми породами, морская вода окажет в результате усиления ветровых нагонов, амплитуда которых возрастет с увеличением длины разгона волн. Как будет сказано ниже, величина нагона может превышать суммарную за 100 лет амплитуду трансгрессии. Однако оценить влияние этого фактора на величину термоабразии в количественном отношении достаточно сложно.

Все эти рассуждения позволяют предполагать, что при потеплении климата в Арктике интенсивность термоабразии может возрасти в 4 раза и более по сравнению с современной (в два раза за счет увеличения суммы положительных температур воздуха и в два раза за счет увеличения срока в течение года, когда термоабразия возможна).

Термоабразия - такой процесс, который при почти неизменном уровне моря и определенных климатических условиях продолжается до бесконечности. Можно вполне резонно предположить, что на берегах арктических морей термоабразия в современном виде продолжается уже по крайней мере 6 тыс. лет. Этим термоабразия отличается от обычной абразии, при которой перед береговым уступом (клифом) вырабатывается субгоризонтальная поверхность террасы (бенч) в твердых породах, волны со временем не достигают подножья клифа, и абразия затухает. При термоабразии разрушение берегового уступа происходит не столько за счет кинетической энергии волнения, сколько за счет теплового воздействия воды и воздуха на мерзлые рыхлые породы. Грунт при оттаивании сползает к подножью уступа, тут же размывается даже слабыми волнами и его мелкие фракции уходят на подводный склон. При таком процессе вырабатывается исключительно пологий профиль дна у берега, как это имеет место в западной части Восточно-Сибирского моря. За 6 тыс. лет при скорости термоабразии 2-5 м/год береговая линия на западе Восточно-Сибирского моря сместилась очевидно на 12-30 км. По-видимому, это будет продолжаться и в будущем, только более интенсивно. Мы прогнозируем, что при ожидаемых природных изменениях на берегах Новосибирских островов скорость термоабразии может возрасти до 40 м/год и более, на континентальных берегах западной и южной частей моря, в среднем, она может возрасти до 20 м/год.

Прогнозируемое увеличение скорости термоабразии приведет к изменениям в морфодинамике подводного берегового склона. Интересные количественные данные по этому вопросу привел в своей кандидатской диссертации С.О.Разумов (Институт мерзлотоведения СО РАН, Якутск). Им был проведен сравнительный анализ морфодинамических изменений в прибрежной зоне в районе мыса Крестовский, к западу от дельты р. Колыма. Темп отступания термоабразионных берегов, по мнению С.О.Разумова, значительно варьирует при изменениях климата, продолжительности безледного времени и положения границы дрейфующих льдов. Во время относительного похолодания в Восточной Арктике с начала 1950-х до второй половины 1970-х годов скорость термоабразии в районе мыса Крестовского не превышала 1,6-3 м/год. Во время последующего относительного потепления последней четверти ХХ-го столетия темп отступания термоабразионных берегов возрос до 4-10 м/год, а в начале 90-х годов составил даже 13-14 м/год. Поверхность изученного С.Р.Разумовым прибрежного участка шельфа имеет вид очень полого наклонной термоабразионной террасы, сложенной с поверхности алевритово-глинистыми отложениями, которые мало отличаются по гранулометрическому составу от мерзлых пород, слагающих береговые обрывы. Эта терраса, шириной 12-16 км, была сформирована во второй половине голоцена, когда уровень моря достиг современного положения. В настоящее время расширение террасы продолжается и в будущем этот процесс должен ускориться. Как свидетельствует С.Р.Разумов, промеры глубин по профилю против мыса Крестовский показали, что во время похолодания 50-х - 70-х гг. текущего столетия отложения подводной террасы в полосе глубин от 0 до 5 м. размывались со скоростью 0,6-3,3 см/год, а в условиях потепления последней четверти ХХ века средняя скорость размыва дна увеличилась до 5-6 см/год. Деформация рельефа дна в приурезовой зоне приводит к тому, что профиль подводного склона приобретает все более вогнутую форму, которая стремится к равновесной при изменяющихся климатических и гидрологических условиях. Эти исследования позволяют прогнозировать, что размыв дна у термоабразионных берегов при дальнейшем потеплении климата еще более усилится, профиль у берега будет приобретать все более вогнутую форму, в результате чего усилится воздействие волн на берег, что приведет, в свою очередь, к еще большему усилению термоабразии. Таким образом, прогнозируемое увеличение темпа отступания термоабразионных берегов в 4 раза по сравнению с современным следует рассматривать не как максимальное.

Аккумулятивные берега будут подвергаться преобразованиям не столь существенным, как термоабразионные, однако весьма своеобразным, главным образом, в результате изменений гидродинамического режима в прибрежной зоне и повышения уровня моря. Для решения задачи об изменениях берегового профиля в условиях повышения уровня моря и увеличения длины разгона волн мы применили методику математического моделирования. Исходной предпосылкой расчетов является предположение, что подъем уровня моря в результате потепления климата будет происходить равномерно и через 100 лет достигнет 1 м. Прогноз на 100 лет включает 10 временных шагов, на каждом из которых приращение уровня задается равным 0.1 м. К этой величине на каждом шаге прибавляется и ветровой нагон, сопровождающий штормовое волнение.

В основе примененной методики прогноза лежит допущение о том, что главные черты профиля берегового склона формируются под действием достаточно сильных штормов (с повторяемостью от 1 до 10% в году), суммарная продолжительность которых в пределах одного временного шага (в данном случае за 10-летний период) оказывается достаточной для выработки равновесного берегового профиля. Исходя из эмпирических данных и опыта численного моделирования, масштаб времени стабилизации профиля оценивается как
te=102XB/WS ,

где XB - ширина прибойной зоны, зависящая как от параметров волн, так и от геометрии профиля берегового склона, а WS - гидравлическая крупность или скорость осаждения наносов.

Объектом прогнозного математического моделирования послужил аккумулятивный участок двойного бара мыса Биллингса. Он характеризуется пологим подводным склоном, который, начиная с 10-метровой изобаты (проходящей в 6-7 км от берега), покрыт мелкозернистым песком. Надводная часть пляжа сложена среднезернистым материалом и имеет уклоны 0.03-0.05. Высота берегового вала на рассматриваемом участке не превышает 3.2 м над современным штилевым уровнем.

Характерные штормовые ситуации моделировались для условий, когда скорость ветра со стороны моря составляла 15 м/с (повторяемость таких ветров примерно 3-7% в течение безледного периода). Благодаря мелководности бассейна, важную роль в штормовых изменениях уровня здесь играет ветровой нагон. Его высота во многом зависит от длины разгона волн. При современной ширине летней полыньи около 15 км высота нагона, по расчетным оценкам, должна быть около 0.25 м (для принятой скорости ветра 15 м/с), а при возможном многократном расширении полосы, свободной от льда, нагон может превысить отметку 1 м.

Моделировались три варианта изменений ледовых условий в течение ближайших 100 лет. Первый из них предполагает сохранение современного режима, при котором характерное значение ширины полосы чистой воды у берега в летний период может быть принято равным 15 км. При глубинах 10-15 м в пределах этой полосы расчетная высота волн Hrms составляет 0.5 м, а их период Tp - 3.3 с. Воздействие таких небольших крутых волн ограничивается приурезовой областью (от глубин 2-3 м до уровня волнового заплеска). Поскольку длина разгона волн остается неизменной, то высота ветрового нагона на каждом временном шаге считается постоянной (0.25 м).

Второй вариант предусматривает возможность отодвигания кромки льдов в среднем на расстояние около 100 км от берега к концу столетнего периода. В этом случае глубины, на которых начинают генерироваться волны, возрастают до 40 м, и расчетные параметры волн в открытом море оказываются равными Hrms =1.9 м и Tp=7.4 с. Однако благодаря очень малым уклонам дна, волны при распространении на мелководье должны заметно уменьшаться, и у берега их высота не будет превышать 1.0-1.2 м даже с учетом подъема уровня. В этих условиях высота нагона возрастет до 0.75 м (при ветре 15 м/с). Таким образом, средний штормовой уровень будет выше современного штилевого на 1.75 м.

Наконец, третий вариант предполагает расширение области чистой воды до 400 км через 100 лет, что в современных условиях отвечает положению границы наименьшего распространения плавучих льдов в августе-сентябре (Атлас океанов. 1980). Расчетные параметры волн открытого моря при этом характеризуются величинами Hrms=2.8 м и Tp=9.3 с. Высота волн у берега по-прежнему ограничена значениями 1.0-1.2 м, а высота ветрового нагона составляет около 1.5 м. Следовательно, средний штормовой уровень (2.5 м) уже будет сравним с высотой берегового вала, а с учетом высоты волнового заплеска окажется возможным перелив морской воды через вал при экстремальных штормах.

При моделировании второго и третьего вариантов предполагалось, что волновая активность и высота нагона возрастают со временем линейно, и соответствующие приращения на каждом временном шаге задавались одинаковыми. Масштаб времени для рассматриваемых условий оценивается величиной порядка 100 часов и увеличивается с ростом волновой активности.

Результаты моделирования представлены на рис. 3. Здесь показаны профили берегового склона, наблюдаемые в настоящее время и прогнозируемые через 50 и 100 лет для трех описанных выше сценариев развития ледовой обстановки. Обозначены линии среднего штилевого уровня и положения уреза в соответствующие моменты времени.

Рис.3. Прогноз эволюции профиля берегового склона в районе мыса Биллингса на ближайшие 100 лет при различных вариантах ледовых условий

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на протяжении ближайших 50 лет эволюция профиля в качественном отношении будет происходить примерно одинаково при всех рассматриваемых вариантах. Главная тенденция заключается в формировании берегового вала в надводной части пляжа, имеющей форму уступа. Как известно из наблюдений, относительно крутые волны, характерные для малых глубин и небольших разгонов, стремятся выработать вогнутый профиль, обладающий значительной крутизной у берега (это явление воспроизводится и применяемой численной моделью). Если исходный профиль сравнительно пологий, как в данном случае, то формирование равновесного профиля может сопровождаться как углублением дна перед урезом, так и отложением материала в зоне заплеска. Эти процессы и приводят к образованию уступа, размеры которого увеличиваются с ростом волновой активности. Последняя определяет также скорость врезания береговой линии вглубь суши. При вариантах 2 и 3 смещение уреза значительнее, чем при варианте 1.

В последующие 50 лет тенденции развития профиля берегового склона могут быть различными в зависимости от варианта изменения ледовой обстановки. При этом играют роль как величина ветрового нагона, предопределяющая границу области волнового воздействия, так и изменяющиеся свойства волнения. При вариантах 1 и 2 область штормового уреза, для которой характерны наиболее значительные деформации, продолжает оставаться в пределах первоначально пологого участка пляжа, и изменения профиля в общем оказываются аналогичными описанным выше. Это, во-первых, формирование берегового вала, который по мере подъема уровня отодвигается в сторону суши, во вторых, размыв дна перед валом и, в-третьих, все более заметная аккумуляция материала на подводном склоне.

При третьем варианте ветровой нагон оказывается достаточно большим, чтобы штормовой урез попадал на значительно более крутой верхний участок берегового вала. Кроме того, к этому времени волнение приобретает черты, характерные для достаточно крупных бассейнов. Соответственно, условия равновесия профиля существенно изменяются. В результате образование берегового вала сменяется интенсивным его размывом и отложением продуктов размыва на подводном склоне. На этой стадии процесс в качественном отношении следует классической схеме Зенковича-Брюна. Правда, среднее положение штилевого уреза на протяжении рассматриваемого 50-летнего промежутка времени почти не меняется благодаря накоплению материала, смытого с вала. Ясно, однако, что берег становится более уязвимым для последующих сильных штормов, которые будут продолжать разрушение вала.

Таким образом, эволюция рассматриваемого берегового склона в сильнейшей степени зависит от ледовой обстановки в течение ближайшего столетия. Если заметных изменений ее не произойдет, то волновое воздействие не вызовет существенных деформаций профиля при повышении уровня. При отступлении границы льдов до 100 км от берега подножье берегового вала будет размываться, что приведет к увеличению крутизны морского склона вала. При расширении полосы чистой воды до 400 км возникнут условия, при которых береговой вал будет интенсивно размываться, и берег вскоре лишится естественной защиты от затопления.

Преобразования, которые вероятно произойдут на берегу в районе мыса Биллингса при изменениях гидродинамического режима в береговой зоне Восточно-Сибирского моря, связанных с освобождением прибрежной полосы от многолетних льдов и повышением уровня моря, могут быть распространены на весь участок аккумулятивного берега между мысом Шелагский и мысом Шмидта в проливе Лонга. Здесь к востоку от мыса Биллингса протягивается непрерывная полоса берегового бара, отчленяющего от моря акватории мелководных лагун. Есть вероятность, что при развитии ситуации по максимальному сценарию, сплошная "нитка" берегового бара к концу будущего века будет местами разорвана.

Заключение

Природа Арктики наиболее чутко реагирует на изменения в окружающей среде по сравнению с другими климатическими зонами. В настоящее время актуален вопрос об организации мероприятий по программе Арктического мониторинга (АМАР), направленного на выработку правильных и своевременных решений по защите окружающей среды арктических морей. Среди приоритетов по этому вопросу международные организации, объединенные межправительственной программой по окружающей среде (UNEP), отмечают необходимость изучения влияния климатических изменений на природные процессы в Арктике.

В рамках проекта РФФИ 97-05-64209 нами разработаны основы краткосрочного прогноза развития побережий и шельфов различных районов Мирового океана. В первую очередь мы обратили внимание на арктические моря России и среди них, в качестве примера, выбрали Восточно-Сибирское море, в пределах которого изменения, связанные с потеплением климата, будут, как ожидается, наиболее существенными.

Представим теперь, что наш прогноз оправдался. Как же будут выглядеть побережье и прибрежная зона Восточно-Сибирского моря в конце будущего века?

Общее потепление климата, повышение температур воздуха, увеличение суммы положительных температур в течение года, в первую очередь приведут к резкой активизации деструктивных процессов в зоне развития многолетней мерзлоты: термокарста, термоэрозии, солифлюкции, термоабразии. За всеми этими научными терминами кроется главная характеристика преобразования прибрежного ландшафта - быстрое изменение поверхности прилегающей низменной суши и катастрофическое разрушение морских берегов. Согласно разработкам Лаборатории эволюционной географии РАН под руководством проф. А.А.Величко при увеличении среднеглобальной температуры воздуха на 20С в пределах прибрежных низменностей морей Восточно-Сибирского и Лаптевых произойдет увеличение мощности сезонноталого слоя мерзлоты в 2 раза. Одновременно произойдет значительное увеличение его обводненности. В результате на склонах, особенно на крутых откосах береговых обрывов, во много раз усилится процесс оплывания грунта (солифлюкция). Катастрофические размывы берегов при термоабразии, при которых отступание береговой линии достигнет десятков и сотен метров в год, обеспечат поступление в море огромных объемов осадочного материала, который при трансгрессии и штормовых нагонах будет выноситься на шельф. В настоящее время по нашим подсчетам в Восточно-Сибирское море от термоабразии поступает около 20 млн. тонн осадочного материала, столько же, сколько из рек. В конце ХХI века эта величина увеличится, по-видимому, не менее чем в 4 раза.

Продолжительность относительно теплого времени года с положительными температурами воздуха возрастет через сто лет с 2-х до 4-х месяцев, и вдоль побережья Восточно-Сибирского моря будет существовать сезонная полоса открытой воды, что в значительной степени улучшит условия навигации по Северному Морскому пути. Как известно, сейчас участок от о-ва Айон до пролива Лонга самый неблагоприятный для мореплавания.

Воздействие ветрового волнения на берега значительно усилится. Это, вместе с повышением уровня и увеличением высоты штормовых нагонов приведет к перестройке береговых аккумулятивных форм, которая будет заключаться в размыве современного штормового вала, на поверхности которого расположены арктические поселки, и возможном прорыва морем в некоторых местах цепочки аккумулятивных форм-баров на восточном участке побережья.

Литература

1. Арэ Ф.А. Основы прогноза термоабразии берегов. Наука, Новосибирск, 1985. 172 с.
2. Атлас океанов. Северный Ледовитый океан. ГУНИО, 1980.
3. Каплин П.А., Леонтьев О.К., Лукьянова С.А., Никифоров Л.Г. Берега. М., Мысль, 1991. 480 с.
4. Мархатанов В.П. Оценка тепловых условий динамики арктических побережий // Динамика арктических побережий России, Изд-во МГУ, М., 1998. С. 49-64.
5. Тараканов Л.В., Новиков В.Н., Бирюков В.Ю. Морфогенезис лагуны Валькакинманка (мыс Биллингса, Восточно-Сибирское море). Геоморфология, 1981, № 3. С. 77-85.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center