Таяние вечной мерзлоты: что может предложить наука?

Туристы на вершине горы Эггисхорн (Eggishorn) в Швейцарских Альпах после подъёма на фуникулёре. На заднем плане — вид на Алечский ледник (Aletschgletscher). Keystone / Dominic Steinmann

Из-за повышения средней температуры воздуха вечная мерзлота в горах Швейцарии постепенно оттаивает. Это радикально меняет ландшафт и создаёт серьёзные риски для горной инфраструктуры. В Швейцарии в настоящее время разрабатывается новая технология, позволяющая укрепить фундаменты таких строений. Речь идёт о системах термической стабилизации мерзлого грунта, использующих энергию солнца.

«Это сейчас действительно актуальная тема», — говорит Елизавета Шараборова (Elizaveta Sharaborova), докторантка Федеральной политехнической школы Лозанны (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL). Она работает над проектом SolarFrost, цель которого — разработка функционирующей за счет солнечной энергии системы термической стабилизации вечной мерзлоты с помощью подземных охлаждающих труб.

Проект призван решить задачу защиты инженерно-строительной инфраструктуры в Альпах: горных турбаз, канатных дорог и железнодорожных линий, проложенных по ранее стабильной, но теперь стремительно деградирующей вечной мерзлоте. «Я разговаривала с коллегами в Германии, Австрии и Швейцарии — все они сталкиваются с аналогичными проблемами, связанными с горной инфраструктурой», — отмечает исследовательница в интервью порталу Swissinfo.

Вечная мерзлотаВнешняя ссылка — это расположенная в земной толще смесь минерализованного грунта, горных пород, льда и органических веществ. Если этот слой остаётся в постоянно мёрзлом состоянии больше двух лет, то можно вести речь о вечной, или многолетней мерзлоте. Сегодня, однако, она начинает разрушаться в том числе и в швейцарских Альпах. Согласно данным исследованияВнешняя ссылка, опубликованным в декабре 2024 года, температура многолетней мерзлоты в европейских высокогорных регионах увеличивается быстрее, чем когда-либо ранее, местами более чем на один градус Цельсия за десятилетие. Это приводит к обрушениям породы со склонов, что создаёт прямую угрозу для инженерных сооружений, расположенных на высотах от 2 600 метров и выше.

Из Сибири в Сьон

В прошлом в Сибири Елизавета Шараборова участвовала в проекте по электроснабжению железных дорог с помощью солнечной энергии. Именно тогда она впервые задумалась о возможности с целью обеспечения стабильности вечной мерзлоты использовать возобновляемую энергию солнца. Как вспоминает исследовательница, в некоторых районах Сибири очень сложно возводить объекты инфраструктуры именно из-за нестабильности грунта.

Елизавета Шараборова, исследовательница в области геотехнической и климатически устойчивой инженерии в Федеральной политехнической школе Лозанны (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL), у демонстрационного прототипа системы SolarFrost в городе Сьон (кантон Вале). SWI swissinfo.ch

«И вот тогда мы и начали размышлять: а можно ли использовать солнечные панели для того, чтобы поддерживать мерзлоту в замороженном состоянии? Мы предложили систему с тепловым насосом, питаемым от солнечных батарей. Вот так всё и началось». В 2022 году она переехала в Швейцарию и присоединилась к команде Лаборатории криосферных наук Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в городе Сьон (Sion), кантон Вале, с тем чтобы продолжить работу над системой термической стабилизации, но теперь уже в условиях высокогорья.

«Да, это может звучать наивно, но мне важно участвовать в проекте, который может быть полезен для окружающей среды. Я действительно очень надеюсь, что моя работа пригодится», — говорит она. В северных регионах планеты с вечной мерзлотой — в Канаде, России, в США на Аляске — оттаивание грунта уже представляет серьёзную угрозу для дорог и зданий, а потому там последние полвека активно применяются как пассивные, так и активные методы охлаждения: изоляционные материалы, щебёночные насыпи, вентиляционные каналы и термосифоны — устройства, отводящие тепло из почвы с помощью естественной конвекции.

Однако в альпийских условиях их эффективность часто носит ограниченный характер. Серьёзно осложняют их применение крутые склоны, труднодоступные участки, значительные затраты на установку и эксплуатацию, особенно при использовании активных систем охлаждения. Стараясь дать ответ на все эти проблемы, команда EPFL разработала экспериментальную гибридную установку под названием SolarFrostВнешняя ссылка, предназначенную для активной термической стабилизации вечной мерзлоты. Она тестируется в регионах городов Сьон (кантон Вале) и Самедан (кантон Граубюнден).

Глубокая трещина в фундаменте опоры горного подъёмника в швейцарских Альпах, образовавшаяся в результате деградации вечной мерзлоты и потери несущей способности грунта. SRF

Уже есть прототип, который представляет собой теплоизолированный деревянный контейнер высотой около одного метра, заполненный грунтом, имитирующим структуру мерзлого слоя. На глубине около 10 сантиметров в нём проложены трубы с хладагентом, которые подключены к тепловому насосу. Насос прокачивает охлаждающую жидкость, извлекая тепло из почвы и передавая его наружу, создавая под землёй переохлаждённый защитный слой, способный сохранять мерзлоту даже в тёплое время года. Система полностью автономна, она питается исключительно от солнечных панелей, причём сами панели играют дополнительную роль: они защищают грунт от прямой солнечной радиации, уменьшают воздействие на него осадков и снижают скорость ветра, тем самым усиливая охлаждающий эффект.

Также по теме:

Внутри устройства установлены датчики, фиксирующие температуру, влажность и параметры теплового потока. Интенсивность охлаждения регулируется с помощью компрессора. Установку, как всем нам привычный тёплый пол, можно включать и выключать вручную. Результаты первых испытаний обнадёживают: система уже способна формировать промороженный барьер, который препятствует проникновению тепла вглубь почвы и тем самым защищает глубинные слои мерзлоты в летний период. При этом, что важно, извлечённое из грунта тепло, а также избыточная солнечная энергия, могут использоваться локально, например, для обогрева зданий или электроснабжения горных турбаз.

Оценки экспертов и инженерные проблемы

Таким образом, система не только защищает дома, но и способствует повышению степени их энергетической автономии. Проект SolarFrost основан на последних исследованиях, подтвердивших высокую эффективность именно гибридных систем термической стабилизации — то есть сочетания пассивных и активных методов охлаждения вечной мерзлоты. По мнению Марсии Филлипс (Marcia Phillips), ведущей научной сотрудницы Федерального научно-исследовательского института леса, снега и ландшафтов Швейцарии (WSL), под влиянием изменения климата мерзлотные грунты становятся всё менее стабильными: толщина активного слоя увеличивается, подземный лёд тает, что вызывает оседание, деформацию и потерю грунтами несущей способности.

>> Это короткое видео информирует о проблемах, с которыми сталкивается горная строительная инфраструктура по причине повышение температуры многолетней мерзлоты, и о принципах работы технологии SolarFrost:

В ситуации медленного нагревания атмосферы планеты такие грунты становятся в качесте несущих опор все менее эффективными, а в сочетании с охлаждающими установками к тому же дорогими и энергозатратными. Все эти процессы представляют серьёзную угрозу для инженерных сооружений. «Сейчас существенно продлевать сроки службы такой инфраструктуры позволяет только постоянное и своевременное техническое вмешательство», — подчёркивает Елизавета Шароборова. Исследовательница намерена решить эти проблемы с помощью технологии SolarFrost, системы термической стабилизации вечной мерзлоты. Сейчас она разрабатывается и тестируется в регионах городов Сьон (кантон Вале) и Самедан (кантон Граубюнден).

Положительную оценку проекту SolarFrost даёт и Лукас Аренсон (Lukas Arenson), эксперт по вечной мерзлоте и специалист в области геотехники из канадской компании BGC Engineering. Он отмечает, что эта концепция основана на уже проверенной в северных регионах идее: «Извлечение тепла из грунта с использованием солнечной энергии — это подход, применяемый десятилетиями. Но в данном случае новизна метода заключается в компактной и автономной системе, не зависящей от централизованного электроснабжения».

А также по теме:

Лукас Аренсон однако указывает на необходимость дальнейших сравнительных испытаний: важно выяснить, насколько эффективнее и экономичнее система SolarFrost по сравнению с активными термосифонами, которые также применяются в условиях таяния мерзлоты. Следующий этап проекта — создание масштабируемого прототипа, рассчитанного на долговременную эксплуатацию в реальных горных условиях. По словам Елизаветы Шараборовой, одна из главных пока нерешенных инженерных задач — это прокладка охлаждающих труб непосредственно в нестабильных склонах, там, где существует риск подвижек грунта. Это усложняет монтаж и повышает стоимость работ.

Дополнительная информация:

Поэтому более реалистичной задачей считается применение системы в опорных конструкциях канатных дорог, фундаментов зданий и железнодорожной инфраструктуры. Один из возможных вариантов — встраивание охлаждающего контура в подвальные помещения горных турбаз или станционных зданий, что позволяет превращать их в замкнутые морозильные объёмы, способные защищать почву под зданием от прогрева.

Такой подход, как объясняет Елизавета Шараборова, позволяет избегать необходимости бурения и укладки труб на труднодоступных и подвижных участках почвы. По её словам, аналогичные технологии сейчас проходят испытания в других странах. Так, в регионе Кортине-д’АмпеццоВнешняя ссылка на севере Италии на одном из кресельных подъёмников уже проводится схожий эксперимент по охлаждению фундамента несущих опор.

В Швейцарии в данный момент EPFL ведёт переговоры с несколькими горными общинами и муниципалитетами Швейцарии о возможном пилотном внедрении и тестировании такой системы. «Но в горной местности всё гораздо сложнее: эта технология требует точной калибровки и интеграции (в существующую инженерную среду). Внедрение такой технологии в Альпах — это действительно серьёзный шаг вперёд», — резюмирует Елизавета Шараборова.

Русскоязычная оригинальная версия материала создана, адаптирована и научно отредактирована русскоязычной редакцией Swissinfo / ип / нк / ап.